Pinhål i TOPCon-celler: Den överraskande vägen

Snabbt svar: Forskning på TOPCon-celler har visat att avsiktligt lämna en kontrollerad mängd tunn oxid kan förbättra passiveringen snarare än försämra den, vilket motsäger ett länge vedertaget antagande. Studien mätte oxidlager i intervallet 0,2 nm och 0,3 nm mot en referens på 1,7 nm, och fann att den tunnare, avsiktligt bibehållna oxiden inte bara adderade resistans. Tunneloxiden i en TOPCon-cell måste vara tillräckligt tunn för att laddningsbärare ska kunna tunnla igenom och tillräckligt tjock för att passivera ytan, och det konventionella målet ligger på en eller två nanometer. Vad resultatet antyder är att gränsen är mindre skarp än man antagit, och att gränssnittets kemiska tillstånd har lika stor betydelse som tjockleken. För en produktionslinje flyttar detta fokus mot gränssnittskontroll snarare än enbart tjocklek.

PV-modultillverkning · av Jerry, Ooitech

Översikt

Här är något som kullkastar ett länge vedertaget antagande inom kisel-PV. Forskare fann att avsiktligt lämna vissa "pinholes" i SiOx-skiktet i en TOPCon -cell kan öka verkningsgraden upp till 26,55 %, i stället för att sänka den.

Den viktigaste upptäckten: hål i tunneloxiden delas i två familjer. En är rekombinationstypen (syrefattig, där poly-Si kontaktar c-Si direkt, dåligt), den andra är passiveringstypen (kvarvarande syre stannar kvar, passiverar hängande bindningar medan det fortfarande tillåter tunnelering, bra). Passiveringstypen mäter cirka 1,6 ± 0,2 nm × 1,4 ± 0,3 nm i tvärsnitt, med en arealdensitet på 2 × 10¹² cm⁻². En Fischer-modell visade att det som avgör enhetens prestanda inte är hålens geometri, utan om hålet är passiverat.

Referens: Passiverande hål för stora och högeffektiva kisel-solceller med tunneloxidpassiverad kontakt, Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2

Forskningsbakgrund och problemet som fastnade

TOPCon är nu mainstream för n-typ kisel. Runergy nådde 26,55 % på 335 cm², Jinko staplade TOPCon plus perovskit till 33,24 %, och ensidig n-TOPCon har en teoretisk gräns på 27,79 %. Men ingen hade fastställt vilken roll hålen i det gränssnitts-SiOx-skiktet faktiskt spelar.

Den traditionella synen: hål betyder att poly-Si sticker rakt in i c-Si, syrepassivering misslyckas, dåliga nyheter.

Verkligheten är rörigare. Oxid för tjock (>1,7 nm) passiverar bra men tunnelrar dåligt, så FF kollapsar. Oxid för tunn (<1,3 nm) innebär fler hål, och nu oroar man sig för att Voc kollapsar.

Författarna delade upp oxidtjocklek plus syrefördelning i tre fall (Introduktionsavsnittet):

• Fall 1: tjock oxid, passivering OK, tunnelering inte optimal

• Fall 2: tunn oxid plus syreförbrukning, vilket ger rekombinationstyp-pinholes (den klassiska "dåliga pinhole")

• Fall 3: tunn oxid men syre sipprar fortfarande in i pinhole, vilket ger passiveringstyp-pinholes (den nya upptäckten här)

Innan detta var HR-TEM-upplösningen inte tillräckligt bra för att se detaljer under 2 nm. Litteraturen rapporterade pinhole-diametrar på 5 nm till 200 nm och densiteter på 10⁶ till 10⁸ cm⁻², vilket alla bara var "stora hål". Selektiv etsning och c-AFM förlitar sig på etsningshastighetsskillnaden mellan Si och SiOx, så regioner med kvarvarande syre etsas helt enkelt inte öppna. Passiverande pinholes filtrerades naturligt bort av dessa metoder. Det är därför Fall 3 förblev osynligt så länge.

Mekanism: Två typer av pinholes (Figur 2)

Aberrationskorrigerad HAADF-STEM (JEM ARM200F plus Spectra 300, 200/300 kV) skannade poly-Si/SiOx/c-Si-gränssnittet på en högeffektiv våffla (25,40%) och en lågeffektiv kontroll (24,07%).

Nyckelpunkten: pinholes på den högeffektiva våfflan är faktiskt mindre, och behåller syre bättre. Alla storlekar är en storleksordning mindre än vad tidigare litteratur rapporterade.

Fischer-punktkontaktmodellresultaten (Fig. 3d i originalet):

• Pinhole-areafraktion f = πr²/P², men J₀ är okänslig för f. Det som verkligen dominerar är ytrekombinationshastigheten S vid pinhole.

• Runt f ≈ 0,1, när S ≳ 10³ cm/s, stiger J₀ brant, och den mättas ovanför S > 10⁵ cm/s.

• Betydelse: nyckeln till hög prestanda är inte "noll pinholes", det är "pinholes som är passiverade". Detta är den största höjdpunkten i hela uppsatsen.

När det gäller densitet är detta en liten revolution. Statistik från X-Y ortogonal skivning över 40 våfflor (hög plus låg effektivitet) gav 2 × 10¹² cm⁻² för passiverande och 3 × 10¹² cm⁻² för rekombinationspinhål, 4 till 6 storleksordningar högre än litteraturvärden.

Tre skäl staplas: för det första ändrades konceptet, så tidigare bortsållade passiverande nanodefekter blev synliga; för det andra är proverna industriellt optimerade våfflor över 25%, inte teststrukturer; för det tredje är metoden atomär HAADF, och indirekta metoder kan helt enkelt inte se den sub-2 nm syrehaltiga regionen. För att skydda mot överlappning längs strålriktningen från 50 till 150 nm tjocka TEM-prover, backade författarna upp med 4D-STEM ptychography längs tjockleksriktningen, vilket bekräftar att densitetsstatistiken inte förvrängs av projektionsöverlappning.

Processlandningspunkt: Tvåstegsoxidation plus bakpolering plus poly trippelkoppling

Variablerna från originalmetoderna plus SI (kompletterande tabell 1):

• Tvåstegsoxidation: först O₂-oxidation till tunn SiO₂, sedan ett syrefattigt steg (inget syre tillförs). Den passiverande typen kräver längre syreflödestid, högre temperatur, större flöde och högre tryck, vilket gynnar enhetlig, tät oxid.

• POCl₃-diffusion: lägre depositionstemperatur plus kortare tid förbättrar polykristallisation och undertrycker rekombinationstyp pinhål.

• Bakpoleringsmorfologi ligger uppströms om oxidtjocklekens enhetlighet. Alla tre måste stämmas av tillsammans för att stabilt producera fall 3.

Prestandajämförelse (Fig. 4 hårddata)

Symmetriska dubbelsidiga poly-Si/SiOx-prover (n-Si 1–3 Ω·cm, dubbelsidigt polerade):

• τeff: 8,9 ms hög effektivitet vs 2,96 ms kontroll (injektion 5×10¹⁵ cm⁻³)

• J₀: 2,6 vs 10,6 fA/cm²

• ΔVoc uppmätt till 15,9 mV, men J₀-skillnaden förklarar endast ~11 mV. De återstående ~5 mV tillskriver författarna förbättrad bulk SRH-livslängd. Den optimerade glödgningen, samtidigt som den skapar passiverande pinhål, gettrar också metallföroreningar (med hänvisning till Krügners 25% POLO-arbete). Att fixa både gränssnitt och bulk tillsammans är receptet för att korsa 25%.

För FF kommer skillnaden främst från Rs:

• Rs: 357 (hög effektivitet) vs 619 mΩ·cm² (kontroll), Suns-Voc uppmätt

• ρc (TLM): 4,6 vs 5,4 mΩ·cm²

Den kontraintuitiva poängen: med logiken att "tätare pinholes ger lägre ρc" borde fler passiverande pinholes på den högeffektiva wafern innebära lägre ρc, och faktiskt 4,6 < 5,4. Men författarna lägger till en twist. Nära rekombinationstyp-pinholes diffunderar fosfor in i wafern, medan passiverande typer blockeras av syre (EDS-dopningsprofilen i Supplementary Fig. 10). Så dopningsprofilen och kontakresistensen följer två separata logiker, och du kan inte förklara dem enbart med pinhole-densitet.

PL var enhetlig över hela wafern, och Corescan-kartläggning av Voc-fördelningen höll också för storskalig enhetlighet.

En rad för industrin

Denna artikel förflyttar TOPCon-gränssnittet från en binär berättelse om "intakt oxid vs pinhole-läckage" till en ternär: "pinholes kan också vara bra, så länge syre fortfarande finns där". Vad industrin behöver göra härnäst är inte att besatta sig över noll pinholes, utan att finjustera kedjan från bakpolering till oxidation till poly-deposition så att pinholes bär syre. Daheng's wafer vid 25,40% på 333,3 cm² har redan bevisat att vägen fungerar.

Ooitechs syn

Det som slår oss här är hur mycket detta beror på processkedjan, inte bara celldesignen. Att den tvåstegiga oxidationen, POCl₃-justeringen och bakpoleringen alla måste röra sig tillsammans är precis den typ av koppling som går förlorad när en linje monteras i delar. På modulsidan ser vi samma mönster, där laminering och stringningstoleranser tyst avgör om en bra cell behåller sin Voc. Om du vill se närmare på hur dessa gränssnittskänsliga processer överförs till en verklig produktionsgolv, är våra fabriksgenomgångar på YouTube (www.youtube.com/ooitech) värda att prenumerera på.