Pinholes sa TOPCon Cells: Ang Nakakagulat na Landas
Talaan ng Nilalaman
Mabilis na sagot: Ang pananaliksik sa mga TOPCon cell ay natuklasan na ang sadyang pag-iiwan ng kontroladong dami ng manipis na oxide ay maaaring mapabuti ang passivation sa halip na pababain ito, na nagbabaliktad sa matagal nang palagay. Sinukat ng pag-aaral ang mga oxide layer sa saklaw na 0.2 nm at 0.3 nm laban sa reference na 1.7 nm, at natuklasan na ang mas manipis, sadyang pinanatiling oxide ay hindi lamang nagdagdag ng resistensya. Ang tunnel oxide sa isang TOPCon cell ay kailangang sapat na manipis para makatunnel ang mga carrier at sapat na makapal para ma-passivate ang surface, at ang karaniwang target ay nasa isa o dalawang nanometre. Ang ipinapahiwatig ng resulta ay hindi gaanong matalim ang hangganan kaysa sa inaasahan, at ang kemikal na estado ng interface ay kasinghalaga ng kapal. Para sa isang production line, inililipat nito ang atensyon tungo sa kontrol ng interface kaysa sa kapal lamang.
PV Module Manufacturing · ni Jerry, Ooitech
Pangkalahatang-tanaw
Narito ang isang bagay na nagbabaliktad sa matagal nang palagay sa silicon PV. Natuklasan ng mga mananaliksik na ang sadyang pag-iiwan ng ilang "pinholes" sa SiOx layer ng isang TOPCon cell ay maaaring magtulak ng efficiency pataas sa 26.55%, sa halip na pababain ito.
Ang pangunahing natuklasan: ang mga pinhole sa tunnel oxide ay nahahati sa dalawang pamilya. Ang isa ay ang recombination type (kulang sa oxygen, kung saan direktang dumidikit ang poly-Si sa c-Si, masama), ang isa pa ay ang passivating type (nananatili ang natitirang oxygen, nagpa-passivate sa mga dangling bond habang pinapayagan pa rin ang tunneling, mabuti). Ang passivating type ay may sukat na humigit-kumulang 1.6 ± 0.2 nm × 1.4 ± 0.3 nm sa cross-section, na may areal density na 2 × 10¹² cm⁻². Ipinakita ng Fischer model na ang nagpapasya sa performance ng device ay hindi ang geometry ng pinhole, kundi kung ang pinhole ay na-passivate.
Sanggunian: Passivating pinholes for large-area and high-efficiency silicon solar cells with tunnel oxide passivated contact, Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2
Background ng Pananaliksik at ang Problemang Hindi Matukoy
Ang TOPCon ay ngayon ang mainstream para sa n-type silicon. Naabot ng Runergy ang 26.55% sa 335 cm², pinagsama ng Jinko ang TOPCon at perovskite sa 33.24%, at ang single-side n-TOPCon ay may theoretical ceiling na 27.79%. Ngunit walang nakapagtukoy kung ano talaga ang papel ng mga pinhole sa interfacial SiOx layer na iyon.
Ang tradisyonal na pananaw: ang pinhole ay nangangahulugang direktang tumutusok ang poly-Si sa c-Si, nabibigo ang oxygen passivation, masamang balita.
Ang realidad ay mas magulo. Ang oxide na masyadong makapal (>1.7 nm) ay mahusay mag-passivate ngunit mahina magtunnel, kaya bumagsak ang FF. Ang oxide na masyadong manipis (<1.3 nm) ay nangangahulugang mas maraming pinhole, at ngayon ay nag-aalala ka sa pagbagsak ng Voc.
Hinati ng mga may-akda ang kapal ng oxide at distribusyon ng oxygen sa tatlong kaso (ang Introduction section):
Kaso 1: makapal na oxide, maayos ang passivation, hindi optimal ang tunneling
Kaso 2: manipis na oxide at kulang sa oxygen, nagbibigay ng recombination-type pinholes (ang klasikong "masamang pinhole")
Kaso 3: manipis na oxide ngunit tumatagas pa rin ang oxygen sa pinhole, nagbibigay ng passivating-type pinholes (ang bagong natuklasan dito)
Bago ito, hindi sapat ang resolution ng HR-TEM para makita ang mga feature na mas mababa sa 2 nm. Iniulat ng literatura ang mga diameter ng pinhole na 5 nm hanggang 200 nm at densities na 10⁶ hanggang 10⁸ cm⁻², na pawang mga "malalaking butas" lamang. Ang selective etching at c-AFM ay umaasa sa pagkakaiba ng etch rate sa pagitan ng Si at SiOx, kaya ang mga rehiyon na may natitirang oxygen ay hindi basta bumubukas sa etching. Ang mga passivating pinhole ay natural na na-filter out ng mga pamamaraang ito. Iyon ang dahilan kung bakit ang Kaso 3 ay hindi nakita nang napakatagal.
Mekanismo: Dalawang Uri ng Pinhole (Figure 2)
Sinuri ng aberration-corrected HAADF-STEM (JEM ARM200F at Spectra 300, 200/300 kV) ang poly-Si/SiOx/c-Si interface sa isang high-efficiency wafer (25.40%) at isang low-efficiency control (24.07%).
| Type | Estado ng oxygen | Sukat (high/low efficiency) | EELS O-K edge |
|---|---|---|---|
| Recombination | Kulang sa oxygen, direktang magkadikit ang poly/c-Si lattice | Low-efficiency wafer ~1.37 × 1.35 nm | Malalim na oxygen valley |
| Passivating | May natitirang oxygen, na-passivate ang mga dangling bond | High-efficiency wafer 1.55 × 1.25 nm | Nakikita pa rin ang oxygen signal, mababaw na oxygen valley |
Pangunahing punto: ang mga pinhole sa high-efficiency wafer ay talagang mas maliit, at mas mahusay na nagpapanatili ng oxygen. Ang lahat ng sukat ay isang order of magnitude na mas maliit kaysa sa iniulat ng naunang literatura.
Ang mga resulta ng Fischer point-contact model (Fig. 3d sa orihinal):
Pinhole area fraction f = πr²/P², ngunit ang J₀ ay hindi sensitibo sa f. Ang talagang nangingibabaw ay ang surface recombination velocity S sa pinhole.
Sa paligid ng f ≈ 0.1, kapag S ≳ 10³ cm/s, matarik na umaakyat ang J₀, at nag-saturate ito sa itaas ng S > 10⁵ cm/s.
Kahulugan: ang susi sa mataas na performance ay hindi "zero pinholes", kundi "mga pinhole na na-passivate". Ito ang pinakamalaking highlight ng buong papel.
Sa density, ito ay medyo isang rebolusyon. Ang estadistika mula sa X-Y orthogonal slicing sa 40 wafer (high at low efficiency) ay nagbigay ng 2 × 10¹² cm⁻² para sa passivating at 3 × 10¹² cm⁻² para sa recombination pinholes, 4 hanggang 6 na order of magnitude na mas mataas kaysa sa mga halaga sa literatura.
Tatlong dahilan ang nagdaragdag: una, nagbago ang konsepto, kaya ang dating na-filter out na passivating nanodefects ay naging nakikita; pangalawa, ang mga sample ay industrially optimized na wafer na higit sa 25%, hindi test structures; pangatlo, ang pamamaraan ay atomic-level HAADF, at ang mga indirect approach ay hindi talaga makikita ang sub-2 nm oxygen-containing region. Upang maiwasan ang overlap sa direksyon ng beam mula sa 50 hanggang 150 nm makapal na TEM samples, nag-backstop ang mga may-akda gamit ang 4D-STEM ptychography sa direksyon ng kapal, na nagkukumpirma na ang estadistika ng density ay hindi nabaluktot ng projection overlap.
Punto ng Paglapag sa Proseso: Two-Step Oxidation at Back Polishing at Poly Triple Coupling
Ang mga variable mula sa orihinal na Methods at SI (Supplementary Table 1):
Two-step oxidation: una, O₂ oxidation tungo sa manipis na SiO₂, pagkatapos ay isang oxygen-starved step (walang oxygen na ipinapasok). Ang passivating type ay nangangailangan ng mas mahabang oxygen flow time, mas mataas na temperatura, mas malaking flow, at mas mataas na pressure, na pumapabor sa uniform, siksik na oxide.
POCl₃ diffusion: ang mas mababang temperatura ng deposition at mas maikling oras ay nagpapabuti sa poly crystallization at pinipigilan ang recombination-type pinholes.
Ang back polishing morphology ay nasa upstream ng oxide thickness uniformity. Lahat ng tatlo ay kailangang i-tune nang sabay upang matatag na makagawa ng Case 3.
Paghahambing ng Performance (Fig. 4 Hard Data)
Symmetric double-side poly-Si/SiOx samples (n-Si 1–3 Ω·cm, double-side polished):
τeff: 8.9 ms high efficiency vs 2.96 ms control (injection 5×10¹⁵ cm⁻³)
J₀: 2.6 vs 10.6 fA/cm²
ΔVoc na sinusukat sa 15.9 mV, ngunit ang pagkakaiba ng J₀ lamang ay nagpapaliwanag ng ~11 mV. Ang natitirang ~5 mV ay iniuugnay ng mga may-akda sa pinabuting bulk SRH lifetime. Ang optimized anneal, habang lumilikha ng passivating pinholes, ay nag-gegetter din ng metal impurities (binanggit ang 25% POLO work ni Krügener). Ang pagsasaayos ng interface at bulk nang sabay ay ang recipe para malampasan ang 25%.
Para sa FF, ang pagkakaiba ay pangunahing nagmumula sa Rs:
Rs: 357 (high efficiency) vs 619 mΩ·cm² (control), Suns-Voc measured
ρc (TLM): 4.6 vs 5.4 mΩ·cm²
Ang counterintuitive na punto: sa lohikang "denser pinholes lower ρc", mas maraming passivating pinholes sa high-efficiency wafer ay dapat mangahulugan ng mas mababang ρc, at sa katunayan 4.6 < 5.4. Ngunit nagdagdag ng twist ang mga may-akda. Malapit sa recombination-type pinholes, ang phosphorus ay nagdi-diffuse papasok sa wafer, habang ang passivating types ay hinaharang ng oxygen (ang EDS doping profile sa Supplementary Fig. 10). Kaya ang doping profile at contact resistance ay sumusunod sa dalawang magkaibang lohika, at hindi mo maipapaliwanag ang mga ito sa pamamagitan ng pinhole density lamang.
Ang PL ay uniform sa buong wafer, at ang Corescan mapping ng Voc distribution ay nanatili rin para sa large-area uniformity.
Isang Linya para sa Industriya
Ang papel na ito ay nagtutulak sa TOPCon interface mula sa binary na kuwento ng "intact oxide vs pinhole leakage" tungo sa ternary: "ang mga pinholes ay maaari ring maging mabuti, hangga't may oxygen pa rin". Ang kailangang gawin ng industriya sa susunod ay hindi ang mag-obsess sa zero pinholes, kundi i-tune ang back polishing to oxidation to poly deposition chain upang ang mga pinholes ay magdala ng oxygen. Ang wafer ng Daheng sa 25.40% sa 333.3 cm² ay napatunayan nang gumagana ang daan.
Pananaw ng Ooitech
Ang nakakagulat sa amin dito ay kung gaano karami nito ang nakasalalay sa process chain, hindi lamang sa cell design. Ang two-step oxidation, POCl₃ tuning, at back polishing ay kailangang gumalaw nang sabay — ito mismo ang uri ng coupling na nawawala kapag ang isang linya ay binuo nang paisa-isa. Sa panig ng module, nakikita namin ang parehong pattern, kung saan ang lamination at stringing tolerances ay tahimik na nagpapasya kung ang isang magandang cell ay nagpapanatili ng Voc nito. Kung gusto mo ng mas malapit na pagtingin sa kung paano nagta-translate ang mga interface-sensitive na prosesong ito sa isang tunay na production floor, ang aming factory walkthroughs sa YouTube (www.youtube.com/ooitech) ay sulit i-subscribe.
