Pinhole nelle celle TOPCon: il percorso sorprendente verso un'efficienza del 26,55%

Panoramica

Ecco qualcosa che ribalta un'ipotesi a lungo sostenuta nel fotovoltaico al silicio. I ricercatori hanno scoperto che lasciare deliberatamente certi "pinhole" nello strato di SiOx di una cella TOPCon può spingere l'efficienza fino al 26,55%, invece di ridurla.

Il risultato chiave: i pinhole nell'ossido tunnel si dividono in due famiglie. Uno è il tipo ricombinante (povero di ossigeno, dove il poly-Si contatta direttamente il c-Si, negativo), l'altro è il tipo passivante (l'ossigeno residuo rimane, passivando i legami pendenti pur consentendo il tunneling, positivo). Il tipo passivante misura circa 1,6 ± 0,2 nm × 1,4 ± 0,3 nm in sezione trasversale, con una densità areale di 2 × 10¹² cm⁻². Un modello di Fischer ha mostrato che ciò che determina le prestazioni del dispositivo non è la geometria del pinhole, ma se il pinhole è passivato.

Riferimento: Pinhole passivanti per celle solari al silicio di grande area e alta efficienza con contatto passivato a ossido tunnel, Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2

Contesto della ricerca e il problema irrisolto

TOPCon è ora la tecnologia mainstream per il silicio di tipo n. Runergy ha raggiunto il 26,55% su 335 cm², Jinko ha impilato TOPCon più perovskite al 33,24%, e il n-TOPCon a lato singolo ha un tetto teorico del 27,79%. Ma nessuno aveva stabilito con precisione quale ruolo giocano i pinhole nello strato interfacciale di SiOx.

La visione tradizionale: pinhole significa che il poly-Si penetra direttamente nel c-Si, la passivazione dell'ossigeno fallisce, cattive notizie.

La realtà è più complessa. Ossido troppo spesso (>1,7 nm) passiva bene ma tunnella male, quindi il FF crolla. Ossido troppo sottile (<1,3 nm) significa più pinhole, e ora ci si preoccupa del crollo della Voc.

Gli autori hanno suddiviso lo spessore dell'ossido più la distribuzione dell'ossigeno in tre casi (sezione Introduzione):

• Caso 1: ossido spesso, passivazione OK, tunneling non ottimale

• Caso 2: ossido sottile più deplezione di ossigeno, che dà fori passanti di tipo ricombinante (il classico "foro passante cattivo")

• Caso 3: ossido sottile ma l'ossigeno filtra ancora nel foro passante, dando fori passanti di tipo passivante (la nuova scoperta qui)

Prima di questo, la risoluzione HR-TEM non era abbastanza buona per vedere caratteristiche sotto i 2 nm. La letteratura riportava diametri dei fori passanti da 5 nm a 200 nm e densità da 10⁶ a 10⁸ cm⁻², che erano tutti solo "grandi buchi". L'attacco selettivo e il c-AFM si basano sulla differenza di velocità di attacco tra Si e SiOx, quindi le regioni con ossigeno residuo semplicemente non si aprono. I fori passanti passivanti erano naturalmente schermati da questi metodi. Ecco perché il Caso 3 è rimasto invisibile per così tanto tempo.

Meccanismo: due tipi di fori passanti (Figura 2)

HAADF-STEM corretto per aberrazioni (JEM ARM200F più Spectra 300, 200/300 kV) ha scansionato l'interfaccia poly-Si/SiOx/c-Si su una cella ad alta efficienza (25,40%) e un controllo a bassa efficienza (24,07%).

Punto chiave: i fori passanti sulla cella ad alta efficienza sono in realtà più piccoli, e trattengono meglio l'ossigeno. Tutte le dimensioni sono di un ordine di grandezza più piccole di quanto riportato in precedenza in letteratura.

I risultati del modello a contatto puntuale di Fischer (Fig. 3d nell'originale):

• Frazione di area dei fori passanti f = πr²/P², ma J₀ è insensibile a f. Ciò che domina davvero è la velocità di ricombinazione superficiale S al foro passante.

• Intorno a f ≈ 0,1, una volta che S ≳ 10³ cm/s, J₀ sale bruscamente, e satura sopra S > 10⁵ cm/s.

• Significato: la chiave per alte prestazioni non è "zero fori passanti", ma "fori passanti passivati". Questo è il più grande punto saliente dell'intero articolo.

In termini di densità, questa è una piccola rivoluzione. Le statistiche da sezioni ortogonali X-Y su 40 wafer (alta e bassa efficienza) hanno dato 2 × 10¹² cm⁻² per i nanodifetti passivanti e 3 × 10¹² cm⁻² per i pinhole di ricombinazione, da 4 a 6 ordini di grandezza superiori ai valori in letteratura.

Tre ragioni si sommano: primo, il concetto è cambiato, quindi i nanodifetti passivanti precedentemente esclusi sono diventati visibili; secondo, i campioni sono wafer ottimizzati industrialmente oltre il 25%, non strutture di test; terzo, il metodo è HAADF a livello atomico, e gli approcci indiretti semplicemente non possono vedere la regione contenente ossigeno sotto i 2 nm. Per proteggersi dalla sovrapposizione lungo la direzione del fascio in campioni TEM spessi da 50 a 150 nm, gli autori hanno fatto da supporto con la pticografia 4D-STEM lungo la direzione dello spessore, confermando che le statistiche di densità non sono distorte dalla sovrapposizione di proiezione.

Punto di atterraggio del processo: Ossidazione in due fasi più lucidatura posteriore più triplo accoppiamento poli

Le variabili dai Metodi originali più SI (Tabella supplementare 1):

• Ossidazione in due fasi: prima ossidazione con O₂ in SiO₂ sottile, poi una fase povera di ossigeno (senza apporto di ossigeno). Il tipo passivante richiede un tempo di flusso di ossigeno più lungo, temperatura più alta, flusso maggiore e pressione più alta, il che favorisce un ossido uniforme e denso.

• Diffusione POCl₃: temperatura di deposizione più bassa più tempo più breve migliora la cristallizzazione del poli e sopprime i pinhole di tipo ricombinante.

• La morfologia della lucidatura posteriore è a monte dell'uniformità dello spessore dell'ossido. Tutti e tre devono essere regolati insieme per produrre stabilmente il Caso 3.

Confronto delle prestazioni (Fig. 4 Dati concreti)

Campioni simmetrici poli-Si/SiOx su entrambi i lati (n-Si 1–3 Ω·cm, lucidati su entrambi i lati):

• τeff: 8,9 ms alta efficienza vs 2,96 ms controllo (iniezione 5×10¹⁵ cm⁻³)

• J₀: 2,6 vs 10,6 fA/cm²

• ΔVoc misurato a 15,9 mV, ma la sola differenza di J₀ spiega solo ~11 mV. I restanti ~5 mV gli autori li attribuiscono a un miglioramento della vita SRH nel bulk. La ricottura ottimizzata, creando pinhole passivanti, gettera anche le impurità metalliche (citando il lavoro POLO al 25% di Krügener). Sistemare insieme interfaccia e bulk è la ricetta per superare il 25%.

Per il FF, la differenza deriva principalmente da Rs:

• Rs: 357 (alta efficienza) vs 619 mΩ·cm² (controllo), misurato con Suns-Voc

• ρc (TLM): 4,6 vs 5,4 mΩ·cm²

Il punto controintuitivo: secondo la logica "fori più densi abbassano ρc", più fori passivanti sulla cella ad alta efficienza dovrebbero significare un ρc più basso, e in effetti 4,6 < 5,4. Ma gli autori aggiungono una svolta. Vicino ai fori di tipo ricombinante, il fosforo si diffonde nella cella, mentre quelli passivanti sono bloccati dall'ossigeno (il profilo di drogaggio EDS nella Fig. 10 supplementare). Quindi il profilo di drogaggio e la resistenza di contatto seguono due logiche separate, e non si possono spiegare solo con la densità dei fori.

La PL era uniforme su tutta la cella, e la mappatura Corescan della distribuzione di Voc ha confermato l'uniformità su larga area.

Una riga per l'industria

Questo articolo spinge l'interfaccia TOPCon da una storia binaria di "ossido intatto vs perdita da fori" a una ternaria: "i fori possono essere buoni anche loro, purché l'ossigeno sia ancora presente". Ciò che l'industria deve fare dopo non è ossessionarsi con zero fori, ma regolare la catena di lucidatura posteriore, ossidazione e deposizione di polisilicio affinché i fori trasportino ossigeno. La cella di Daheng al 25,40% su 333,3 cm² ha già dimostrato che la strada funziona.

Il Punto di Vista di Ooitech

Ciò che ci colpisce qui è quanto tutto questo dipenda dalla catena di processo, non solo dal design della cella. Quell'ossidazione in due fasi, la regolazione di POCl₃ e la lucidatura posteriore devono muoversi insieme, ed è esattamente il tipo di accoppiamento che si perde quando una linea viene assemblata pezzo per pezzo. Sul lato moduli vediamo lo stesso schema, dove le tolleranze di laminazione e di stringatura decidono silenziosamente se una buona cella mantiene il suo Voc. Se vuoi dare un'occhiata più da vicino a come questi processi sensibili all'interfaccia si traducono su un vero piano di produzione, i nostri tour di fabbrica su YouTube (www.youtube.com/ooitech) meritano un'iscrizione.