لبه‌های برش لیزری در TOPCon: غیرفعال‌سازی سطح مقطع

پاسخ سریع: برش یک سلول به چهار قسمت آن را در امتداد یک شیار لیزری تقسیم می‌کند و آن شیار سیلیکون لخت را روی هر دو دیواره باقی می‌گذارد. رویکرد منتشرشده این است که یک اکسید تونلی نازک روی دیواره رشد داده شود، پلی‌سیلیکون دوپ‌شده با n⁺ روی آن رسوب داده شود و پلی‌سیلیکون با AlOₓ پوشانده شود، تا سطح برش به‌جای مرکز بازترکیب مانند یک تماس گزینشی عمل کند. هر مرحله افزوده‌شده دمای پایین است، و همین آن را برای خطی که از قبل LPCVD اجرا می‌کند جالب می‌کند.

سلول‌های چهارتکه و چندتکه اکنون تولید معمولی هستند، و دلیل آن حسابی است: تقسیم یک سلول به چهار، جریان هر ریبون را کاهش می‌دهد، مسیر روی انگشتی‌ها را کوتاه می‌کند و تلفات مقاومتی در اتصال‌دهی را کم می‌کند. این سود واقعی است و همین دلیل آن است که سلول‌های TOPCon چهارتکه پیش از آنکه کسی درباره هزینه بحث کند به گزینه پیش‌فرض تبدیل شدند.

هزینه روی خود برش است. یک شیار لیزری چهار قسمت را جدا می‌کند، و دیواره‌ای که باز می‌کند سیلیکونی است که هرگز لایه پسیواسیون نداشته است. حالت‌های سطحی آنجا در میانه شکاف باند قرار دارند، و حامل‌هایی که به دیواره می‌رسند بازترکیب می‌شوند. این تلفات ولتاژ است، نه تلفات سایه‌اندازی، و در هیچ اندازه‌گیری‌ای که پیش از مرحله برش انجام شود ظاهر نمی‌شود.

رویکردی که در ادامه توصیف می‌شود دیگر آن دیواره را آسیبِ نیازمند کمینه‌سازی نمی‌داند و آن را سطحی برای پوشش‌دهی می‌بیند. این همان ایده تماس گزینشی است که TOPCon از قبل روی سطح ویفر به کار می‌برد، اما روی سطحی اعمال می‌شود که برش چند مرحله فرآیندی پیش‌تر ایجاد کرده است.

لبه برش یک سطح است، و بدترین سطح روی سلول

هر سطح سیلیکونی دیگر در یک ماژول تکمیل‌شده از کل توالی پسیواسیون عبور کرده است: بافت‌دهی، تمیزکاری، یک پشته دی‌الکتریک، و گاهی یک لایه دوپ‌شده در زیر آن. دیواره شیار هیچ‌یک از این‌ها را ندارد. پس از تشکیل پیوند جلویی و پس از رسوب پشته پشتی ایجاد می‌شود، بنابراین آنچه لیزر باقی می‌گذارد ماده خام است.

اعدادی که معمولاً برای این نوع سطح ذکر می‌شوند ناامیدکننده‌اند. چگالی حالت‌های میان‌سطحی حدود 1 × 10¹² cm⁻² eV⁻¹ و سرعت بازترکیب سطحی بالای 500 cm/s، هر دو برای حالت برش‌خورده در منبعی که این مقاله از آن گرفته شده گزارش شده‌اند. در مقایسه با یک سطح پسیوشده که با چند cm/s اندازه‌گیری می‌شود، یک لبه برش تصفیه‌نشده تقریباً دو مرتبه بزرگی سریع‌تر بازترکیب می‌شود.

آنچه آن را مهم می‌کند مساحت نیست. یک شیار متقاطع 30 µm عرض و حدود 1.5 µm عمق دارد، و برش یک سلول M10 به چهار قسمت تقریباً یک میلی‌متر مربع دیواره در برابر 33,000 mm² سطح ویفر باز می‌کند. بلکه این است که حامل‌های تولیدشده در فاصله یک طول نفوذ از برش می‌توانند به آن برسند، و دیواره در هر دو جهت تمام طول سلول را می‌پیماید. تلفات با طول خط مقیاس می‌گیرد، و الگوی متقاطع یک خط بلند را از میان هر یک‌چهارم عبور می‌دهد.

همین دلیل آن است که تلفات مانند یک مشکل ولتاژ رفتار می‌کند. بازترکیب در لبه حامل‌ها را از حجم حذف می‌کند، و ولتاژ مدار باز به نرخ بازترکیب کل در سلول پاسخ می‌دهد. ضریب پرشدگی هم تغییر می‌کند. سایه‌اندازی در جریان ظاهر می‌شود؛ این در Voc و FF ظاهر می‌شود، که جای کم‌واضح‌تری برای نگاه‌کردن هنگام صلاحیت‌سنجی یک فرآیند برش است.

پوشش در واقع چیست

ساختار منتشرشده سه لایه را به ترتیبی مشخص روی دیواره برش قرار می‌دهد. از سیلیکون به سمت بیرون: یک اکسید سیلیکون بسیار نازک که حامل‌ها می‌توانند از آن تونل بزنند، یک لایه پلی‌سیلیکون به‌شدت دوپ‌شده که آن‌ها را دور می‌برد، و یک لایه اکسید آلومینیوم که پسیواسیون شیمیایی فصل مشترک را کامل می‌کند.

دو جزئیات این را از صرفاً رشد دوباره یک اکسید جدا می‌کند. نخست، پشته فقط دی‌الکتریک نیست؛ یک نیمه‌رسانای دوپ‌شده دارد، بنابراین می‌تواند رسانا هم باشد. یک اکسید خالص دیواره را پسیو می‌کرد و آن را از نظر الکتریکی مرده می‌گذاشت، که برای سطحی که چیزی جمع نمی‌کند اشکالی ندارد، اما دیواره اینجا میان دو سلول یک‌چهارم قرار دارد که هر دو باید جریان را منتقل کنند. دوم، ضخامت‌ها به شکلی مهم‌اند که روی ویفر تخت نیستند. پلی‌سیلیکون باید به‌اندازه کافی ضخیم باشد تا روی یک شیار 1.5 µm عمق با کف گرد پیوسته بماند. همچنین باید به‌اندازه کافی نازک باشد که تنش خودش آن را ترک نکند یا از دیواره جدا نکند.

منبع برای پلی‌سیلیکون در توصیف ساختار 120 nm و در توالی فرآیند 80 nm می‌دهد، و اشاره می‌کند که 80 nm برای اثر پسیواسیون میدانی کافی است. این تفاوت ارزش توجه دارد نه هموارسازی: نشان می‌دهد ضخامت لایه در پنجره فرآیند قابل تنظیم است، نه یک هدف ثابت، و هر دو مقدار در محدوده‌ای هستند که نویسندگان قابل‌قبول می‌دانند.

چرا یک اکسید نازک و یک لایه دوپ‌شده حامل‌ها را فیلتر می‌کنند

سازوکار مهندسی باند است نه شیمی، و همان چیزی است که TOPCon را در وهله اول رقابتی کرد. روی دیواره لخت، حالت‌های میان‌سطحی در سراسر شکاف باند توزیع شده‌اند. الکترونی که به یکی از این حالت‌ها می‌رسد جایی برای نشستن دارد، و حفره‌ای که به همان حالت می‌رسد مدار را می‌بندد: آن دو بازترکیب می‌شوند و جفت از دست می‌رود.

پس از قرار گرفتن اکسید و پلی‌سیلیکون دوپ‌شده، ساختار نواری در فصل مشترک دیگر مسطح نیست. اکسید نازک مسیر مستقیم بین سیلیکون و لایه دوپ‌شده را مسدود می‌کند، در حالی که به اندازه کافی نازک می‌ماند تا الکترون‌ها از آن تونل بزنند. بار موجود در لایه دوپ‌شده نوارها را در سیلیکون درست زیر فصل مشترک خم می‌کند و همین است که عدم تقارن را ایجاد می‌کند: یک نوع حامل سد کم می‌بیند و عبور می‌کند، نوع دیگر سد بالا می‌بیند و بازمی‌گردد.

نتیجه گزارش‌شده کاهش سرعت بازترکیب سطحی در لبه برش‌خورده از حدود 500 cm/s به کمتر از 10 cm/s است، تغییری در حدود 98%. این عدد بزرگی است و به دلیلی ساده بزرگ است: نقطه شروع یک سطح غیرفعال‌نشده است که تقریباً به بدترین حالت ممکن نزدیک است. بهبود یک سطح غیرفعال‌شده با همان ضریب ممکن نبود.

ارزش دارد دقیق باشیم درباره آنچه پوشش انجام نمی‌دهد. شیار را برنمی‌دارد، سیلیکونی را که لیزر کنده‌شده بازنمی‌گرداند، و دیواره را از نظر نوری مفید نمی‌کند. ربع سلول همچنان باریک‌تر است. ادعا از این محدودتر است: وجه برش‌خورده دیگر به‌عنوان جایی که حامل‌ها در آن می‌میرند عمل نمی‌کند و به‌عنوان جایی که می‌توان آن‌ها را جمع‌آوری کرد عمل می‌کند.

مراحل فرآیند کجا قرار می‌گیرند

مسیر منتشرشده با این ساختار یک توالی معمول TOPCon با یک درج است: پس از آنکه لیزر شیار عرضی را برید، دیواره پیش از رسوب‌دهی پشته غیرفعال‌سازی در سطح سلول، اکسید و دوباره دوپ می‌شود. بقیه چیزها همان‌جا که بودند می‌مانند.

گردکردن با TMAH و بررسی بلورینگی دو جزئیاتی هستند که این را به‌جای یک نمایش آزمایشگاهی، شبیه یک مسیر تولید نشان می‌دهند. شیاری با عمق 1.5 µm گوشه دارد، و گوشه‌ها جایی هستند که فیلم‌های رسوب‌داده‌شده نازک می‌شوند و تنش متمرکز می‌شود. گردکردن گوشه به مدت دو ثانیه تقریباً هیچ هزینه‌ای ندارد و یک دسته از خرابی‌ها را که در غیر این صورت بعداً در چرخه‌های حرارتی یا در جابه‌جایی ظاهر می‌شد حذف می‌کند.

برای یک خط، بخش جالب این است که هیچ‌یک از مراحل افزوده‌شده به ابزار جدید نیاز ندارد. اکسیداسیون، رسوب‌دهی و بازپخت همه در ظرفیت LPCVD که یک خط TOPCon از قبل دارد جای می‌گیرند، و دو مرحله افزوده‌شده دمای پایین هستند، بنابراین بودجه حرارتی سلول نهایی مختل نمی‌شود. منبع از افت تکت خط کمتر از 3% گزارش می‌دهد، که اولین عددی است که باید هنگام پیشنهاد یک مرحله جدید بررسی شود: مرحله‌ای که بازده را نیم واحد بهبود می‌دهد اما 10% از توان عبوری را هزینه می‌کند، پیشنهادی متفاوت از مرحله‌ای است که 3% هزینه دارد.

بخش انتهایی توالی نیز تغییر می‌کند، و نه به‌خاطر پوشش. یک سلول چهاربرش که چیدمان 12BB خود را حفظ می‌کند باید از ربع‌سلول‌ها رشته‌کشی شود، و لبه برش‌خورده اکنون سطحی است که دستگاه رشته‌کش با آن سر و کار دارد. تلورانس جای‌گذاری، نیرویی که ریبون در محل اتصال اعمال می‌کند و مقدار گرمایی که سلول در حین لحیم‌کاری می‌بیند، همه روی قطعه‌ای اثر می‌گذارند که لبه‌اش شیاری به عرض 30 µm دارد. اینجاست که تجهیزات تبینگ سیم نازک و رشته‌کشی و مرحله باس‌کشی با طراحی سلول تلاقی می‌کنند، و این همان بخشی از جریان است که پوشش به آن نمی‌پردازد.

آنچه مقایسه گزارش‌شده نشان می‌دهد

منبع یک مقایسه قبل و بعد برای یک سلول چهاربرش استاندارد و همان سلول با لبه پوشش‌داده‌شده منتشر می‌کند. جدول زیر آن را بازتولید می‌کند. این‌ها اعدادی هستند که همراه با مسیر منتشر شده‌اند؛ از یک منبع می‌آیند و ما آن‌ها را به‌طور مستقل تأیید نکرده‌ایم.

الگو را بخوانید نه مقادیر فردی را. افزایش ولتاژ بزرگ‌تر از افزایش جریان است، که همان چیزی است که سازوکار پیش‌بینی می‌کند: بازترکیب در یک سطح ابتدا ولتاژ را هزینه می‌کند. ضریب پرشدگی کمی تغییر می‌کند، که با کاهش کوچک در کسری از مساحت که از نظر الکترونیکی مرده است سازگار است. بازده از ولتاژ تبعیت می‌کند، و 0.5 واحد مطلق ادعای اصلی است.

رقم دوطرفه‌بودن بیش از بقیه نیازمند احتیاط است. رفتن از 85% به 90% یک جهش پنج‌واحدی است که به‌خاطر تغییری در سطحی ایجاد شده که کسر کوچکی از مساحت پشتی سلول است، و منبع سازوکار آن را توضیح نمی‌دهد. اگر لبه برش‌خورده قبلاً یک مسیر شنت موضعی در پشت بوده باشد می‌تواند واقعی باشد، اما همچنین از آن نوع عددی است که یک نمونه کوچک واحد می‌تواند تولید کند. آن را کم‌پشتوانه‌ترین سطر جدول در نظر بگیرید.

آنچه هنوز قطعی نشده است

چهار چیز در مورد منتشرشده وجود ندارد، و هر چهار مورد پیش از تعهد یک خط اهمیت دارند.

• داده‌های قابلیت اطمینان روی لبه پوشش‌داده‌شده. یک لایه اکسید ۱ نانومتری و یک لایه پوششی اکسید آلومینیوم ۱۰ نانومتری روی دیواره شیار، همان گرمای مرطوب، چرخه حرارتی و بار مکانیکی را مانند بقیه سلول تجربه می‌کنند. لبه برش‌خورده نیز در چرخه حرارتی یک تمرکزکننده تنش است، زیرا دو سلول یک‌چهارم در برابر یک شیار انبساط می‌یابند. هیچ‌یک از این موارد در جدول مقایسه ظاهر نمی‌شود.
• پرسش ضخامت. منبع دو ضخامت مختلف پلی-Si را برای همان ساختار ارائه می‌دهد. این تناقض نیست، اما به این معناست که نقطه بهینه به‌طور قطعی مشخص نشده است، و ضخامت بر تنش، زمان رسوب‌گذاری و tact به‌طور همزمان اثر می‌گذارد.
• تکرار مستقل. افزایش بازده از یک مجموعه داده گزارش‌شده به دست آمده است. افزایش مطلق ۰٫۵ واحد به‌اندازه‌ای بزرگ است که ارزش پیگیری داشته باشد و به‌اندازه‌ای بزرگ که ارزش بازبینی دوباره روی یک خط متفاوت و ترکیب متفاوت خمیر و نوار را داشته باشد.
• تعامل با بقیه سلول. افزودن یک لایه دوپ‌شده روی دیواره شیار، رفتار الکتریکی آن دیواره را بین دو سلول یک‌چهارم تغییر می‌دهد. نحوه تعامل آن با الگوی فلزشدگی پشتی و با رشته‌کشی سلول‌های یک‌چهارم یک پرسش سیستمی است، نه یک پرسش مربوط به پوشش.

نکته گسترده‌تری در همین جهت وجود دارد. برش یک سلول معامله‌ای است که تنها بر پایه سود اتصال‌دهی پذیرفته شده است. چارچوب چهار-برش برش را مفروض می‌گیرد، و تحلیل چند-برش بررسی می‌کند که سلول کوچک‌تر چه اثری بر سایه‌اندازی و بر چیدمان ماژول دارد. کار روی لبه برش‌خورده به سمت هزینه این معامله حمله می‌کند، و اگر دوام بیاورد، تعداد بهینه برش‌ها را تغییر می‌دهد نه فقط برش موجود را بهبود می‌بخشد.

چگونه این را در برابر بقیه گفت‌وگوی برش بخوانیم

معمولاً سه ایده جداگانه هنگام مطرح شدن سلول‌های چهار-برش با هم مخلوط می‌شوند، و جدا نگه داشتن آن‌ها خواندن ادبیات را آسان‌تر می‌کند.

اولی سود اتصال‌دهی است: سلول‌های یک‌چهارم یک‌چهارم جریان را حمل می‌کنند، بنابراین تلفات مقاومتی در نوار به‌شدت کاهش می‌یابد. این موضوع حل‌شده است و دلیل تولیدی بودن این فناوری است. دومی پیامد در سطح ماژول است، جایی که سلول‌های کوچک‌تر تحمل سایه، الزامات جعبه اتصال و رفتار مکانیکی لمینت را تغییر می‌دهند؛ جعبه اتصال دو-بخشی یکی از نتایج قابل مشاهده است. سومی خود سطح برش است که موضوع اینجا است و دو گفت‌وگوی اول تمایل دارند از آن بگذرند.

پیوند عملی بین آن‌ها جریان فرایند است. شیارزنی توسط یک مرحله برش لیزریانجام می‌شود، مرحله پوشش‌دهی در ظرفیت LPCVD که خط از قبل دارد قرار می‌گیرد، و مراحل پایانی فلزشدگی و رشته‌کشی هستند. خطی که این مسیر را ارزیابی می‌کند در واقع ارزیابی می‌کند که آیا این درج بین دو ابزاری که از قبل دارد جا می‌شود، و عدد tact منتشرشده حدود ۳٪ است.

سوالات متداول

آیا پوشش نیاز به برش را حذف می‌کند؟

خیر. سلول‌های یک‌چهارم هنوز برش می‌خورند و شیار هنوز وجود دارد. آنچه تغییر می‌کند رفتار الکتریکی دیواره‌ای است که شیار آشکار کرده، نه هندسه.

چرا به‌سادگی با یک فرایند ملایم‌تر برش نزنیم؟

برش تمیزتر آسیب را کاهش می‌دهد اما هنوز یک سطح غیرپسیوشده باقی می‌گذارد. بازترکیب به همان اندازه که از زبری می‌آید از پسیوشن نبودن می‌آید، و به همین دلیل پاسخ اینجا یک پوشش است نه یک دستور لیزر بهتر.

آیا اکسید ۱ نانومتری قابل اعتماد است؟

اکسیدهای تونلی از این مرتبه در حال حاضر در تولید TOPCon استفاده می‌شوند، بنابراین مفهوم روی سطح ویفر اثبات شده است. اینکه آیا همان ضخامت روی دیواره شیار، که جهت سطح متفاوت و نقطه شروع زبرتری دارد، دوام می‌آورد یکی از پرسش‌های باز است.

آیا این فقط به TOPCon اعمال می‌شود؟

ترکیب اکسید تونلی و پلی-Si دوپ‌شده یک ساختار TOPCon است، بنابراین این مسیر طبیعتاً به خطوطی هدف‌گیری می‌شود که از قبل آن را اجرا می‌کنند. سایر انواع سلول که به قطعات برش می‌خورند به یک پشته پسیوشن سازگار با فرایند خودشان نیاز دارند، که یک مسئله مهندسی متفاوت است.

در یک آزمون اول چه چیزی را اول بررسی می‌کنیم؟

پیش‌نمای SRV لبه و ولتاژ، پیش از هر چیز دیگر. یکنواختی رسوب‌گذاری در طول یک شیار به عرض 30 µm، بلورینگی لایه، و هزینه tact مراحل درج‌شده در مرحله بعد قرار می‌گیرند، و رفتار مکانیکی سلول یک‌چهارم پس از شیارزنی موردی است که بیشترین احتمال فراموش شدن را دارد.

آیا پوشش کاری را که رشته‌کش باید انجام دهد تغییر می‌دهد؟

به‌طور مستقیم خیر. پوشش الکتریکی است، بنابراین دقت جای‌گذاری، دمای لحیم‌کاری و نیروی جابه‌جایی بدون تغییر می‌مانند. خود سلول یک‌چهارم، با شیاری که از آن می‌گذرد، همچنان شیء سخت‌تری برای جابه‌جایی است، و این محدودیتی جدا از محدودیتی است که این کار به آن می‌پردازد.

نتیجه‌گیری نهایی

برش سیلیکون برای بهتر کردن سلول‌ها معامله‌ای کمی عجیب است، و کار می‌کند چون سود اتصال‌دهی بزرگ است. کاری که این قطعه انجام می‌دهد بستن حلقه روی بخشی از معامله است که هرگز قیمت‌گذاری نشده بود: سطحی که برش ایجاد می‌کند. پوشش‌دهی دیواره شیار با همان پشته تماس انتخابی که سلول در جاهای دیگر استفاده می‌کند پاسخی منسجم است، و این واقعیت که می‌توان آن را با ظرفیت LPCVD موجود و دو مرحله دمای پایین انجام داد دلیل ارزشمند بودن پیگیری آن است.

احتیاط معمول اعمال می‌شود. مکانیزم درست است و از فیزیک تثبیت‌شده پیروی می‌کند؛ افزایش بازده نیم واحدی گزارش‌شده از یک منبع می‌آید و به‌طور مستقل تأیید نشده است، و رقم دوطرفه‌بودن به‌ویژه از بقیه جدول ضعیف‌تر است. برای یک خط، موضع معقول پیگیری آن به‌عنوان یک درج فرایندی با سود واقعی اما تأییدنشده است، و آزمون آن با اندازه‌گیری‌ای که مکانیزم پیش‌بینی می‌کند، یعنی ولتاژ.

یادداشت داده: ضخامت لایه‌ها، شرایط فرایند و مقایسه قبل و بعد مقادیر منتشرشده همراه این مسیر هستند و همان‌گونه که گزارش شده‌اند بازتولید شده‌اند؛ آن‌ها به‌طور مستقل تأیید نشده‌اند. رقم مساحت دیواره حدود 1 mm² تخمین خود ما از یک شیار 30 µm، عمق 1.5 µm و دو برش تمام‌طول روی یک سلول 182 mm، در برابر سطح ویفر 33,124 mm است²رتبه‌بندی تلفات، ولتاژ پیش از جریان، از سازوکار ناشی می‌شود نه از یک عدد چاپ‌شده.