SiNx Terlalu Tipis dan Pasta Perak Menembus Lapisan Poli, Terlalu Tebal dan Resistansi Kontak Melonjak 600x: ISFH Menunjukkan Perbaikannya
Daftar Isi
Pengantar Produk
Siapa pun yang menjalankan lini proses TOPCon pasti pernah menghadapi dilema ini. Lapisi SiNx terlalu tipis dan Anda khawatir pasta perak akan membakar lapisan pasivasi, menurunkan Voc. Lapisi terlalu tebal dan resistansi kontak melonjak, dan FF tidak dapat bertahan. Tipis membuat Anda takut, tebal juga membuat Anda takut — jadi seberapa tebal yang "pas"?
Pada tahun 2022, tim Min Byungsul di ISFH (Institute for Solar Energy Research Hamelin, Jerman) menerbitkan sebuah studi di AIP Conference Proceedings yang mengurai masalah ini. Mereka menggunakan kontak pasivasi POLO — nama akademis untuk apa yang disebut industri sebagai TOPCon, pada dasarnya struktur oksida ultra-tipis plus polisilikon terdoping poli-Si/SiOx — untuk mengisolasi apa yang sebenarnya terjadi.
Kesimpulan utamanya tidak rumit: ketebalan SiNx dan suhu pembakaran adalah pasangan yang cocok. Ubah ketebalannya dan Anda harus menyesuaikan suhunya. Pindahkan satu tanpa memindahkan yang lain dan Voc akan turun atau FF akan runtuh.
Parameter Teknis
Bagaimana eksperimen diatur
ISFH menggunakan wafer CZ tipe-p, dengan kontak POLO n⁺ di bagian belakang sel (oksida terowongan plus polisilikon terdoping fosfor).
Dua variabel kunci:
Ketebalan lapisan penutup SiNx belakang — berkisar dari 40nm hingga 80nm
Suhu pembakaran puncak — disesuaikan antara 790°C dan 810°C
Mereka kemudian mengukur dua hal: resistivitas kontak ρc (dengan TLM) dan parameter IV sel.
Sebelumnya kita melihat makalah JA Solar 2016 tentang bagaimana komposisi kimia (rasio Si/N) dari sisi depan film anti-refleksi SiNx mempengaruhi kontak pasta perak. Karya ISFH 2022 ini tentang bagaimana ketebalan fisik dari sisi belakang SiNx capping mempengaruhi kontak pasta perak. Gabungkan keduanya dan Anda mencakup kedua dimensi — "komposisi kimia" dan "ketebalan fisik," film depan dan film belakang.
Semua sampel di-firing pada 800°C, hanya ketebalan SiNx belakang yang bervariasi
| Ketebalan SiNx | Median ρc (800°C) | Status |
|---|---|---|
| 40nm | ~1 mΩ·cm² | Sangat rendah |
| 50nm | ~1.5 mΩ·cm² | Mulai naik |
| 60nm | ~7 mΩ·cm² | Jelas naik |
| 70nm | ~30-40 mΩ·cm² | Zona transisi, kenaikan curam |
| 80nm | ~600 mΩ·cm² | Hampir 600x lebih tinggi dari pada 40nm |
Pemindaian suhu firing pada sampel 55nm dan 60nm
| Kondisi | Median ρc |
|---|---|
| 55nm SiNx + 800°C | 3.2 mΩ·cm² |
| 60nm SiNx + 805°C | 2.8 mΩ·cm² |
| 60nm SiNx + 810°C | 2.0 mΩ·cm² |
Keunggulan Teknis
Temuan pertama: terlalu tebal dan pasta tidak bisa menembus saat firing
Semua sampel di-firing pada puncak 800°C , hanya mengubah ketebalan capping SiNx belakang. Polanya jelas dari tabel di atas — jumlah SiNx yang dapat dibakar oleh pasta selama firing terbatas. Melewati batas itu dan pasta tidak pernah mencapai polisilikon di bawahnya, sehingga resistansi kontak melonjak.
Gambar SEM memberikan bukti langsung:
40nm SiNx: pasta benar-benar terbakar menembus SiNx dan polisilikon, meninggalkan banyak lubang etsa skala mikron pada poli. Polisilikon terhapus seluruhnya secara lokal — kontak bagus, tetapi lapisan pasivasi rusak.
80nm SiNx: hanya sejumlah kecil lubang etsa yang sangat kecil, tidak ada area di mana poli terhapus sepenuhnya — pasivasi bertahan, tetapi resistansi kontak hampir 600x lebih tinggi (sekitar 2,8 orde magnitudo), dan FF pada dasarnya hancur.
Kesimpulan ISFH tegas: ada jendela SiNx optimal — antara 50 dan 60nm. Terlalu tipis, pasta menembus pasivasi dan Voc menurun drastis. Terlalu tebal, pasta tidak bisa menembus dan resistansi kontak melonjak.
Temuan kedua: ketebalan dan suhu berpasangan
ISFH tidak berhenti pada "50-60nm adalah yang terbaik." Mereka mengajukan pertanyaan praktis di lantai pabrik: jika ketebalan SiNx berubah, apakah suhu pembakaran juga perlu berubah?
Mereka memilih 55nm dan 60nm grup dan menjalankan pemindaian suhu dari 790°C hingga 810°C.
Hasilnya sangat bersih:
55nm SiNx: FF puncak pada 800°C, efisiensi terbaik di sana. Lebih rendah dan kontak tidak cukup baik; lebih tinggi dan pasivasi mulai menurun.
60nm SiNx: FF puncak pada 805-810°C. Karena SiNx lebih tebal, diperlukan suhu yang lebih tinggi agar pasta dapat menembus.
Dalam istilah jalur produksi: dalam kondisi pengujian ini, beralih dari 55nm ke 60nm menggeser suhu pembakaran optimal naik sekitar 5-10°C. Kemiringan itu hanya referensi untuk sistem pasta yang sama — ganti pasta dan Anda perlu mengkalibrasi ulang.
Data resistivitas kontak juga mendukung ini: suhu lebih tinggi, kontak lebih baik — selama Anda tidak melewati batas di mana Anda mulai membakar pasivasi.
Mekanismenya: ukuran lubang etsa adalah kuncinya
ISFH menggunakan SEM untuk menetapkan kriteria yang sangat jelas:
Lubang lebih besar dari diameter 1μm: poli terhapus sepenuhnya, pasivasi rusak → Voc turun
Lubang lebih kecil dari diameter 1μm: poly tidak sepenuhnya hilang, pasivasi utuh → resistansi kontak turun, Voc tidak berubah
ISFH mengatakannya secara langsung: "sejumlah lubang etsa kecil diperlukan untuk membentuk kontak yang baik. Lubang etsa dengan diameter di bawah 1μm tampaknya tidak berpengaruh pada kualitas pasivasi."
Kriteria garis: lubang etsa tidak lebih baik jika lebih sedikit, dan tidak lebih baik jika lebih banyak — targetnya adalah ukuran kecil, distribusi sedang. Jika Anda melihat banyak lubang >1μm di bawah mikroskop, suhu terlalu tinggi atau SiNx terlalu tipis, dan pasivasi sudah mulai rusak.
Aplikasi Produk
Apa yang bisa digunakan oleh lini produksi?
1. Ketebalan SiNx tidak lebih baik tipis, dan tidak lebih baik tebal. Di bawah 40nm, pasta membakar pasivasi dan Voc menurun drastis; di atas 80nm, pasta tidak bisa menembus dan resistansi kontak naik hampir 600x.
2. Ketebalan dan suhu berpasangan. Ubah ketebalan SiNx dan suhu pembakaran harus mengikuti. Data ISFH memberikan referensi — dalam kondisi ini, setiap tambahan 5nm SiNx menaikkan suhu puncak sekitar 5-10°C — tetapi kalibrasi ulang setelah mengganti pasta.
3. Lubang etsa adalah indikator "jendela". Lihat ukuran dan kepadatan lubang dengan SEM dan Anda dapat menilai apakah kombinasi ketebalan-suhu saat ini berada di dalam jendela. Banyak lubang >1μm → terlalu panas atau film terlalu tipis; hampir tidak ada lubang → terlalu dingin atau film terlalu tebal, kontak mungkin bermasalah.
4. Ketebalan film belakang juga mempengaruhi hasil kosmetik dan pemilihan pasta. Tiga poin di atas semuanya tentang bagaimana ketebalan mempengaruhi resistansi kontak dan FF melalui pasta yang menembus atau tidak. Namun di lini produksi, ketebalan SiNx belakang mengontrol lebih dari sekadar kinerja listrik.
Dalam produksi massal nyata, SiNx belakang biasanya dikontrol dalam kisaran 70-85nm — lebih tebal dari "optimum kontak" 50-60nm dalam makalah ISFH. Alasannya sederhana: makalah tersebut mengukur optimum kontak murni untuk struktur POLO spesifiknya dan pasta tertentu, sementara lini produksi harus menyeimbangkan pasivasi, kontak, dan keseragaman warna sekaligus, dan memilih rentang yang lebih tebal dan lebih stabil. Yang lebih penting, pasta komersial menggunakan sistem glass-frit yang berbeda dari pasta laboratorium ISFH, sehingga jendela ketebalan SiNx yang dapat ditembus juga berbeda.
Ubah ketebalan dan indeks bias berubah, dan warna interferensi film ikut bergeser. Terlalu tipis atau terlalu tebal menyebabkan wafer menunjukkan variasi warna, warna tidak sesuai dan penurunan kualitas kosmetik serupa yang secara langsung memotong hasil kosmetik. Hal itu pada gilirannya memberikan persyaratan ketat pada pembuat pasta: pasta harus sesuai dengan jendela proses film belakang, bukan memaksa film belakang untuk mengakomodasi satu pasta tertentu. Ketebalan dan suhu harus berpasangan, dan pasta serta ketebalan film juga harus berpasangan — lini adalah sebuah sistem, bukan penyesuaian satu titik.
Tiga hal yang tidak disebutkan dalam makalah
Hubungan antara POLO dan TOPCon. Kontak POLO yang digunakan ISFH pada dasarnya adalah oksida ultra-tipis ditambah polisilikon terdoping (poly-Si/SiOx), pada dasarnya sama dengan struktur belakang TOPCon saat ini, sehingga kesimpulannya dapat ditransfer secara langsung. POLO adalah nama akademis yang diusulkan ISFH; TOPCon adalah istilah standar industri; struktur yang sama pada intinya.
Model pasta mempengaruhi kedalaman penetrasi. Pasta yang berbeda memiliki komposisi glass-frit yang berbeda dan dapat menembus ketebalan SiNx yang berbeda. 50-60nm ISFH didasarkan pada satu pasta tertentu — ganti pasta dan Anda mungkin perlu mengkalibrasi ulang.
Keandalan jangka panjang tidak tercakup. Akankah lubang etsa kecil tumbuh menjadi besar selama 25 tahun penuaan di luar ruangan? Akankah antarmuka semakin terdegradasi di bawah panas lembab? Makalah tidak menjawab.
Membacanya bersama dengan JA Solar 2016
| Dimensi | JA Solar 2016 | ISFH 2022 |
|---|---|---|
| Aplikasi | Film anti-refleksi SiNx depan (ARC) | Lapisan penutup SiNx belakang |
| Fokus | Komposisi kimia SiNx (rasio Si/N) | Ketebalan fisik SiNx |
| Variabel inti | Rasio gas SiH₄/NH₃ | Ketebalan SiNx + suhu pembakaran |
| Mode kegagalan | Rasio Si/N tidak sesuai → ketidakseimbangan viskositas frit → resistansi kontak tinggi | Ketebalan salah → menembus atau gagal menembus |
| Perbaiki arah | Sesuaikan rasio gas ke jendela optimal | Pasangkan ketebalan dan suhu |
| Mekanisme bersama | Kinetika reaksi Frit-SiNx menentukan kualitas kontak | Kedalaman penetrasi Frit-SiNx menentukan kualitas kontak |
Letakkan kedua makalah berdampingan dan Anda mendapatkan gambaran lengkap tentang proses film depan dan film belakang: komposisi kimia menentukan apakah Anda dapat melakukan kontak dengan baik, ketebalan fisik menentukan apakah Anda merusak apa yang ada di bawah saat melakukan kontak.
Dorong rasio Si/N lapisan dan lonjakan Rs, FF runtuh, efisiensi anjlok
Pengingat untuk jalur: jangan hanya menatap poly saat mencari kehilangan efisiensi
Dengan kedua makalah selesai, kembali ke jalur kita sendiri. Saat mengejar kehilangan efisiensi, refleks seorang insinyur adalah pertama-tama memeriksa ketebalan poly belakang, tingkat doping, ketebalan oksida terowongan — dampaknya pada FF dan Voc sudah dipahami dengan baik dan ini adalah item pemeriksaan standar. Tetapi lapisan penutup SiNx belakang sering dianggap sebagai "lapisan pasivasi/kosmetik," dan hanya sedikit orang yang memikirkannya dalam hal resistansi kontak.
Nilai dari makalah ISFH ini adalah tepat bahwa ia menarik variabel yang terabaikan ini kembali ke meja: ketebalan film belakang yang salah, pasta tidak menembus atau membakar, dan FF runtuh sama saja. Lain kali Anda mengalami situasi "parameter poly tidak tersentuh, namun FF turun secara misterius", jangan hanya berputar di sekitar poly — kembali dan periksa apakah ketebalan film belakang dan suhu pembakaran masih berpasangan.
Perlu dicatat: eksperimen ISFH didasarkan pada pembakaran konvensional. Teknologi LECO yang sekarang banyak diadopsi di jalur dapat mengoptimalkan kontak melalui langkah laser/arus berikutnya, yang sampai batas tertentu mengurangi sensitivitas terhadap pasangan suhu-ketebalan pembakaran — tetapi ketebalan film belakang masih merupakan jendela dasar dan tidak dapat diabaikan.
Pandangan Ooitech
Kami melihat hal yang sama di setiap jalur TOPCon yang kami komisioning — lapisan penutup SiNx belakang diperlakukan hanya sebagai film warna, dan kemudian FF diam-diam turun tanpa ada yang memeriksa pasangan ketebalan-suhu. Data ISFH sejalan dengan apa yang mendorong orang ke LECO, karena memisahkan pembentukan kontak dari langkah pembakaran memberikan margin nyata ketika kimia frit pasta Anda dan jendela film belakang Anda tidak sepenuhnya setuju. Jika Anda ingin melihat bagaimana langkah-langkah ini berlangsung di jalur modul nyata — pelapisan, pembakaran, penyambungan, dan semuanya — saluran YouTube Ooitech di www.youtube.com/ooitech layak untuk diikuti. Dan perlu diingat ini adalah studi pada level sel; jalur modul mewarisi sel-sel ini tetapi nasib kontak sudah ditentukan di hulu.
Referensi
Min B. et al., AIP Conf. Proc. 2487, 020014 (2022) (DOI: 10.1063/5.0089239)
Chen X.Y. et al., Solar Energy 126 (2016) 105–110 (DOI: 10.1016/j.solener.2016.01.001)
