Lubang Jarum dalam Sel TOPCon: Laluan Mengejutkan ke Kecekapan 26.55%

Gambaran Keseluruhan

Berikut adalah sesuatu yang membalikkan andaian lama dalam PV silikon. Penyelidik mendapati bahawa dengan sengaja meninggalkan "lubang jarum" tertentu dalam lapisan SiOx sel TOPCon boleh meningkatkan kecekapan sehingga 26.55%, bukannya menurunkannya.

Penemuan utama: lubang jarum dalam oksida terowong terbahagi kepada dua keluarga. Satu adalah jenis penggabungan semula (kekurangan oksigen, di mana polisilikon bersentuhan langsung dengan silikon kristal, buruk), satu lagi adalah jenis mempasifkan (oksigen baki kekal, mempasifkan ikatan tergantung sambil masih membenarkan penerowongan, baik). Jenis mempasifkan berukuran kira-kira 1.6 ± 0.2 nm × 1.4 ± 0.3 nm dalam keratan rentas, dengan ketumpatan luas 2 × 10¹² cm⁻². Model Fischer menunjukkan bahawa apa yang menentukan prestasi peranti bukanlah geometri lubang jarum, tetapi sama ada lubang jarum itu dipasifkan.

Rujukan: Lubang jarum mempasifkan untuk sel solar silikon luas dan berkecekapan tinggi dengan kenalan pasif oksida terowong, Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2

Latar Belakang Penyelidikan dan Masalah yang Terhenti

TOPCon kini menjadi arus perdana untuk silikon jenis-n. Runergy mencapai 26.55% pada 335 cm², Jinko menindan TOPCon dengan perovskite kepada 33.24%, dan n-TOPCon sebelah tunggal mempunyai siling teori 27.79%. Tetapi tiada siapa yang telah menentukan peranan sebenar lubang jarum dalam lapisan SiOx antara muka itu.

Pandangan tradisional: lubang jarum bermaksud polisilikon menusuk terus ke silikon kristal, pasif oksigen gagal, berita buruk.

Realitinya lebih rumit. Oksida terlalu tebal (>1.7 nm) mempasifkan dengan baik tetapi menerowong dengan buruk, jadi FF runtuh. Oksida terlalu nipis (<1.3 nm) bermakna lebih banyak lubang jarum, dan kini anda bimbang tentang keruntuhan Voc.

Penulis membahagikan ketebalan oksida serta taburan oksigen kepada tiga kes (bahagian Pengenalan):

• Kes 1: oksida tebal, pasivasi OK, penerowongan tidak optimum

• Kes 2: oksida nipis dengan kekurangan oksigen, menghasilkan lubang jarum jenis rekombinasi ("lubang jarum buruk" klasik)

• Kes 3: oksida nipis tetapi oksigen masih meresap ke dalam lubang jarum, menghasilkan lubang jarum jenis pasivasi (penemuan baharu di sini)

Sebelum ini, resolusi HR-TEM tidak cukup baik untuk melihat ciri di bawah 2 nm. Literatur melaporkan diameter lubang jarum 5 nm hingga 200 nm dan ketumpatan 10⁶ hingga 10⁸ cm⁻², yang semuanya hanyalah "lubang besar". Etching terpilih dan c-AFM bergantung pada perbezaan kadar etsa antara Si dan SiOx, jadi kawasan dengan oksigen baki tidak akan teretsa terbuka. Lubang jarum pasivasi secara semula jadi ditapis oleh kaedah ini. Itulah sebabnya Kes 3 tidak kelihatan untuk sekian lama.

Mekanisme: Dua Jenis Lubang Jarum (Rajah 2)

HAADF-STEM terkoreksi aberasi (JEM ARM200F plus Spectra 300, 200/300 kV) mengimbas antara muka poly-Si/SiOx/c-Si pada wafer kecekapan tinggi (25.40%) dan kawalan kecekapan rendah (24.07%).

Perkara utama: lubang jarum pada wafer kecekapan tinggi sebenarnya lebih kecil, dan mengekalkan oksigen dengan lebih baik. Semua saiz adalah satu urutan magnitud lebih kecil daripada yang dilaporkan dalam literatur terdahulu.

Hasil model sentuhan titik Fischer (Rajah 3d dalam asal):

• Pecahan luas lubang jarum f = πr²/P², tetapi J₀ tidak sensitif terhadap f. Yang benar-benar dominan ialah halaju rekombinasi permukaan S pada lubang jarum.

• Sekitar f ≈ 0.1, sebaik S ≳ 10³ cm/s, J₀ meningkat mendadak, dan ia tepu di atas S > 10⁵ cm/s.

• Maksud: kunci prestasi tinggi bukanlah "lubang jarum sifar", tetapi "lubang jarum yang dipasifkan". Ini adalah sorotan terbesar keseluruhan kertas.

Mengenai ketumpatan, ini agak revolusioner. Statistik dari pemotongan ortogon X-Y merentasi 40 wafer (kecekapan tinggi dan rendah) memberikan 2 × 10¹² cm⁻² untuk pasif dan 3 × 10¹² cm⁻² untuk lubang jarum rekombinasi, 4 hingga 6 urutan magnitud lebih tinggi daripada nilai literatur.

Tiga sebab bertindan: pertama, konsep berubah, jadi nanodefek pasif yang sebelumnya ditapis menjadi kelihatan; kedua, sampel adalah wafer dioptimumkan industri melebihi 25%, bukan struktur ujian; ketiga, kaedahnya adalah HAADF peringkat atom, dan pendekatan tidak langsung tidak dapat melihat rantau yang mengandungi oksigen sub-2 nm. Untuk mengelakkan pertindihan sepanjang arah rasuk dari sampel TEM setebal 50 hingga 150 nm, penulis menyokong dengan ptychography 4D-STEM sepanjang arah ketebalan, mengesahkan statistik ketumpatan tidak diputarbelitkan oleh pertindihan unjuran.

Titik Pendaratan Proses: Pengoksidaan Dua Langkah ditambah Penggilapan Belakang ditambah Gandingan Tiga Poli

Pembolehubah dari Kaedah asal ditambah SI (Jadual Tambahan 1):

• Pengoksidaan dua langkah: pertama pengoksidaan O₂ menjadi SiO₂ nipis, kemudian langkah kekurangan oksigen (tiada oksigen dibekalkan). Jenis pasif memerlukan masa aliran oksigen yang lebih lama, suhu lebih tinggi, aliran lebih besar, dan tekanan lebih tinggi, yang memihak kepada oksida seragam dan padat.

• Resapan POCl₃: suhu pemendapan lebih rendah ditambah masa lebih pendek meningkatkan penghabluran poli dan menekan lubang jarum jenis rekombinasi.

• Morfologi penggilapan belakang terletak di hulu keseragaman ketebalan oksida. Ketiga-tiga perlu ditala bersama untuk menghasilkan Kes 3 secara stabil.

Perbandingan Prestasi (Data Keras Rajah 4)

Sampel simetri dua sisi poli-Si/SiOx (n-Si 1–3 Ω·cm, digilap dua sisi):

• τeff: 8.9 ms kecekapan tinggi vs 2.96 ms kawalan (suntikan 5×10¹⁵ cm⁻³)

• J₀: 2.6 vs 10.6 fA/cm²

• ΔVoc diukur pada 15.9 mV, tetapi perbezaan J₀ sahaja menerangkan hanya ~11 mV. Baki ~5 mV dikaitkan oleh penulis kepada peningkatan jangka hayat SRH pukal. Penyepuhlindapan yang dioptimumkan, sambil mencipta lubang jarum pasif, juga menyingkirkan kekotoran logam (merujuk kerja POLO 25% Krügener). Membetulkan kedua-dua antara muka dan pukal bersama adalah resipi untuk melepasi 25%.

Untuk FF, perbezaan terutamanya datang dari Rs:

• Rs: 357 (kecekapan tinggi) vs 619 mΩ·cm² (kawalan), diukur dengan Suns-Voc

• ρc (TLM): 4.6 vs 5.4 mΩ·cm²

Perkara yang berlawanan dengan intuisi: dengan logik "lubang jarum yang lebih tumpat menurunkan ρc", lebih banyak lubang jarum pasif pada wafer kecekapan tinggi sepatutnya bermakna ρc yang lebih rendah, dan sememangnya 4.6 < 5.4. Tetapi penulis menambah kelainan. Berhampiran lubang jarum jenis rekombinasi, fosforus meresap ke dalam wafer, manakala jenis pasif disekat oleh oksigen (profil doping EDS dalam Rajah Tambahan 10). Jadi profil doping dan rintangan sentuhan mengikuti dua logik yang berasingan, dan anda tidak boleh menerangkannya dengan ketumpatan lubang jarum sahaja.

PL adalah seragam di seluruh wafer penuh, dan pemetaan Corescan bagi taburan Voc juga kekal untuk keseragaman kawasan besar.

Satu Baris untuk Industri

Kertas kerja ini mendorong antara muka TOPCon daripada cerita binari "oksida utuh vs kebocoran lubang jarum" kepada satu cerita ternari: "lubang jarum juga boleh menjadi baik, selagi oksigen masih ada". Apa yang perlu dilakukan oleh industri seterusnya bukanlah untuk terlalu fokus pada sifar lubang jarum, tetapi untuk menala rantai penggilap belakang kepada pengoksidaan kepada pemendapan poli supaya lubang jarum membawa oksigen. Wafer Daheng pada 25.40% pada 333.3 cm² telah membuktikan bahawa jalan itu berfungsi.

Pandangan Ooitech

Apa yang menarik perhatian kami di sini adalah betapa banyaknya ini bergantung pada rantai proses, bukan hanya reka bentuk sel. Bahawa pengoksidaan dua langkah, penalaan POCl₃, dan penggilap belakang semuanya perlu bergerak bersama adalah jenis gandingan yang hilang apabila barisan dipasang secara berasingan. Di sisi modul kami melihat corak yang sama, di mana toleransi laminasi dan rentetan secara senyap menentukan sama ada sel yang baik mengekalkan Voc-nya. Jika anda ingin melihat dengan lebih dekat bagaimana proses sensitif antara muka ini diterjemahkan ke lantai pengeluaran sebenar, lawatan kilang kami di YouTube (www.youtube.com/ooitech) patut dilanggan.