Выше 26,3% эффективности: что осталось на тыльной стороне?
Содержание
Краткий ответ: При эффективности ячейки выше 26,3% фронтальная сторона TOPCon-ячейки близка к оптимизации, и оставшийся резерв находится на тыльной стороне. Именно это движет переход к полноапертурным p-типа тыльным контактам и локальным поликремниевым пальцам, которые меняют то, как тыльная сторона собирает ток, и какую площадь отдают под пассивацию в противовес контакту. Измеренные структуры включают тыльный стек с слоями около 1 нм, 1,5 нм, 36 нм и 90 нм, полноапертурный контакт и тыльный технологический этап около 650 °C, при этом напряжение холостого хода для обсуждаемых приборов заявлено на уровне 1,961 В. Каждый из этих размеров создаёт компромисс между контактным сопротивлением и рекомбинацией, и оптимум смещается по мере улучшения фронтальной стороны. На линии это означает, что тыльный рецепт становится живой переменной, а не фиксированной частью процесса.
Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech
Выше 26,3% КПД: Что осталось оптимизировать на тыльной стороне?
«Лао Чжан, в элементе с КПД 26,66% использовалась полностью p-типа TOPCon задняя структура. В статье с КПД 26,34% фронтальная сторона была изменена на локализованные n-TOPCon пальцы, а задняя стала полнообластным p-TOPCon контактом. Двухслойный стек SiOx/poly-Si всё ещё тот же?»
Это был дополнительный вопрос от нашей технологической команды после того, как мы закончили обсуждение элемента с КПД 26,66% вчера.
Базовая тыльная двухслойная архитектура почти скопирована с конструкции с КПД 26,66%, но на стороне p-TOPCon введены три регулировочных параметра, которые не затрагивались в элементе с КПД 26,66%. Стратегия фронтальной стороны также полностью отличается. Она отходит от высокоомного борного эмиттера с сопротивлением 430 Ом/□ и переходит к локализованным n-TOPCon пальцам. Это два совершенно разных подхода к снижению рекомбинации.
Статью Гао К. и др. о КПД 26,34% можно рассматривать как тыльноконтактное дополнение к работе о КПД 26,66%. Чтение обеих вместе дает более ясную картину того, что может потребоваться для приближения к КПД 27%.
Гао, К. и др. «Двухсторонние туннельно-оксидные пассивирующие контакты для кремниевых и перовскит/кремниевых тандемных солнечных элементов с улучшенной эффективностью». Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-02007-8
Три числа, стоящие за элементом с КПД 26,34%
КПД однопереходного элемента: 26,34% на площади 335,5 см², с Voc 743,2 мВ, FF 85,0% и Jsc 41,69 мА/см².
КПД тандемного элемента: 32,73%, с использованием перовскитного верхнего элемента с шириной запрещенной зоны 1,68 эВ. Voc тандема достиг 1,961 В, при этом 80% начальной производительности сохранилось после 2000 часов отслеживания точки максимальной мощности.
Структурное определение: фронтальные локализованные n-TOPCon пальцы в компоновке с задним переходом, в сочетании с полнообластным двухслойным p-TOPCon задним контактом. Это по сути зеркальная инверсия обычного TOPCon, который обычно использует фронтальный борный эмиттер и задний n-TOPCon контакт.
Задний двухслойный контакт: тот же скелет, но три разных технологических параметра
Задний контакт с эффективностью 26,66% использует SiOx / слаболегированный n+ поли-Si / SiOx / сильнолегированный n+ поли-Si, с фосфором в качестве легирующей примеси.
Задний контакт с эффективностью 26,34% использует SiOx / p+ поли-Si толщиной 36 нм / SiOx / p+ поли-Si толщиной 90 нм, с борным легированием.
Обе структуры следуют одной и той же базовой последовательности: нижний SiOx, внутренний поли-Si, промежуточный SiOx и внешний поли-Si. Однако p-TOPCon версия должна решать давнюю проблему.
p-TOPCon всегда сталкивался с компромиссом между пассивацией и контактом. Бор может создавать больше дефектов на границе Si/SiO₂, чем фосфор, в то время как металлизация p+ поли-Si более сложна из-за ограничений транспорта дырок и более слабого взаимодействия между обычной серебряной пастой и p+ поли-Si.
| Параметр сравнения | Задний контакт 26,66%: полнообластной n-TOPCon | Задний контакт 26,34%: полнообластной p-TOPCon |
|---|---|---|
| Полярность легирующей примеси | Фосфор, n+ | Бор, p+ |
| Толщина внутреннего / внешнего поли-Si | Примерно 40 / 60 нм | 36 / 90 нм; более толстый внешний слой обеспечивает больший запас для диффузии бора и металлизации |
| Промежуточный SiOx | Примерно 1,5 нм, термически окисленный при 620°C | Примерно 1 нм, сформированный in-situ термическим окислением при 650°C; тоньше, потому что туннелирование дырок уже более затруднено на p+ стороне |
| Отжиг | Предполагаемый диапазон 880–920°C в предыдущем анализе | Предварительный отжиг при 1050°C в течение более 30 секунд, достижение 98% кристалличности и повышение подразумеваемого Voc до 747 мВ |
| Серебряная паста | Обычная паста в сочетании с внешним аморфным слоем для ограничения проникновения Ag | Паста, модифицированная оксидами щелочных металлов, с 4 мас.% Na₂O/K₂O и шероховатым серебряным порошком, снижающая удельное контактное сопротивление до 0,55 мОм·см² |
| Морфология тыльной стороны | Обычная полировка тыльной стороны | Планаризованная полировка тыльной стороны, поскольку p-TOPCon более чувствителен к текстуре поверхности и требует более низкого J₀ |
| Основная цель | Блокировать проникновение Ag, сохраняя пассивацию | Блокировать проникновение Ag, подавлять дефекты на границе раздела, связанные с бором, и улучшать металлизацию p+ поли-Si |
Приведенные технологические данные включают окисление тыльной стороны in-situ при 650°C, промежуточный слой SiOx толщиной примерно 1 нм, легирование бором 1 × 10²⁰ см⁻³, кристалличность 98% после предварительного отжига при 1050°C, подразумеваемое напряжение холостого хода 747 мВ и удельное контактное сопротивление 0,55 мОм·см² с использованием пасты, модифицированной щелочными металлами, с шероховатым серебряным порошком.
Одна деталь легко упускается из виду. Внешний слой p+ поли-Si имеет толщину 90 нм, что на 50% больше, чем примерно 60 нм внешний слой, используемый на стороне n-TOPCon.
Это не произвольное увеличение. Бор имеет более низкую растворимость в поли-Si, чем фосфор, поэтому сильно легированная область требует большей толщины для снижения удельного контактного сопротивления. В то же время этап предварительного отжига при 1050°C способствует диффузии бора внутрь. Более толстый внешний слой помогает предотвратить проникновение бора и повреждение нижнего слоя SiOx.
Это противоположно стратегии n-TOPCon, где внешний слой может оставаться более тонким и более аморфным.
Лицевая сторона: стратегия 430 Ом/□ заменяется локализацией
Вопрос, оставшийся от предыдущего исследования, заключался в том, будет ли стратегия высокоомного борного эмиттера 430 Ом/□ по-прежнему применима к пальцевым контактам n-TOPCon на лицевой стороне.
Ответ от элемента с КПД 26,34% очевиден: нет. Конструкция переходит на другой путь.
Элемент с КПД 26,66% использует обычный борный диффузионный эмиттер на лицевой стороне с поверхностным сопротивлением 430 Ом/□. Тонкие металлические пальцы шириной около 10 мкм компенсируют более слабую латеральную проводимость.
Элемент с КПД 26,34% удаляет обычный борный эмиттер на лицевой стороне и заменяет его паттернированными пальцами n-TOPCon шириной примерно 210 мкм, оставляя поли-Si только под областями металлических контактов.
Механизм снижения рекомбинации, таким образом, меняется с разбавления концентрации легирующей примеси за счет высокого поверхностного сопротивления на уменьшение площади, покрытой поли-Si.
Сначала модифицируется текстура. Озон и HF используются для округления вершин пирамид. Это снижает плохую пассивацию и коррозию серебряной пасты вокруг острых пиков текстуры.
В LPCVD вводится градиентное тепловое поле, или GTF. Полная ширина на половине максимума по Раману достигает 8,4 см⁻¹. Более низкое значение указывает на лучшую кристалличность. Градиентное тепловое поле улучшает как латеральную, так и вертикальную однородность температуры и повышает кристалличность n+ поли-Si.
Легирование фосфором достигает 3,3 × 10²⁰ см⁻³. Это примерно на порядок выше концентрации фосфора, используемой в тыльном контакте с эффективностью 26,66%. Фронтальные n+ пальцы предназначены для проводимости, а не для полной пассивации. Основную работу по пассивации выполняет полнообластной тыльный p-TOPCon контакт.
Ширина пальцев составляет примерно 210 мкм. Поли-Si остается под металлом, а нетекстурная область без контакта остается открытой. Это значительно снижает паразитное поглощение с фронтальной стороны по сравнению с полнообластным поли-Si контактом.
Подход с 430 Ом/□ относится к эпохе борового эмиттера. В пальцевой n-TOPCon структуре рекомбинация контролируется через локальное покрытие поли-Si, округлую текстуру поверхности и улучшенную кристалличность от GTF-LPCVD, а не просто увеличением листового сопротивления.
Это помогает объяснить, как ячейка с эффективностью 26,34% достигает Voc 743,2 мВ, близко к 744,6 мВ, сообщенным для ячейки с эффективностью 26,66%, при этом также достигая более высокого Jsc. Локализованный фронтальный контакт снижает паразитное поглощение, которое осталось бы в полнообластной фронтальной поли-Si структуре.
Сравнение бок о бок двух сестринских конструкций с эффективностью 26%
Тыльные двухслойные контакты SiOx/poly-Si
| Слой или процесс | 26,66% n-TOPCon тыльный | 26,34% p-TOPCon тыльный | Основная причина различия |
|---|---|---|---|
| Нижний SiOx | Примерно 1,3–1,6 нм, сформирован в O₂ при 620°C | Примерно 1,8 нм, сформирован in situ при 650°C | P-стороне нужен более сильный барьер против проникновения бора, хотя туннелирование дырок затруднено |
| Внутренний поли-Si | Примерно 40 нм, слабо легирован фосфором и высококристаллический | 36 нм, слабо легированный бором | Бор имеет меньшую предельную растворимость; более тонкий внутренний слой всё ещё может обеспечивать пассивацию |
| Промежуточный SiOx | Примерно 1,5 нм, сформирован в O₂ при 620°C | Примерно 1 нм, сформирован in situ | Туннелирование более требовательно на p-стороне, поэтому промежуточный слой не может быть слишком толстым |
| Внешний поли-Si | Примерно 60 нм, сильно легированный фосфором и в основном аморфный | 90 нм, сильно легированный бором | Металлизация p+ поли-Si сложнее, требует более толстого слоя и модифицированной пасты |
| Отжиг | Примерно 880–920°C | Предварительный отжиг при 1050°C, достижение 98% кристалличности | Бор требует более высокой температуры активации, при этом процесс также должен контролировать дефекты на границе раздела, связанные с бором |
| Серебряная паста | Обычная паста в сочетании с аморфным внешним слоем | 4 мас.% оксида щелочного металла плюс шероховатый порошок серебра | Металлизация p+ поли-Si остаётся одним из основных технологических узких мест |
Сравнение лицевой стороны
| Позиция | 26,66% лицевая сторона | 26,34% лицевая сторона |
|---|---|---|
| Структура | Полностью диффузионный эмиттер с бором | Локализованные n-TOPCon пальцы шириной примерно 210 мкм |
| Стратегия контроля рекомбинации | Высокое поверхностное сопротивление 430 Ом/□ для разбавления легирования | Уменьшенное покрытие поли-Si в сочетании с закруглённой текстурой |
| Текстура поверхности | Обычная текстура в виде инвертированных пирамид | Закруглённые пирамиды, обработанные озоном и HF |
| Осаждение поли-Si | Не применимо | GTF-LPCVD с шириной пика Рамана на полувысоте 8,4 см⁻¹ |
| Легирующая примесь | Бор | Фосфор при концентрации 3,3 × 10²⁰ см⁻³ |
Что говорят две статьи о разработке тыльного контакта выше 26%
Совокупное сообщение довольно прямое.
На уровне 25% основное внимание уделялось поведению проколов в оксидном слое. На уровне 26% разработка сместилась в сторону двухслойных структур SiOx/poly-Si и инженерии металлизации. Выше 26,3% пути начинают расходиться: тыльные контакты n-TOPCon стремятся к бифациальной электрической синергии, в то время как тыльные контакты p-TOPCon движутся к структуре с задним переходом и локализованными фронтальными пальцами. Последнее уже близко к частичной архитектуре BC-TOPCon.
Промежуточный слой SiOx, используемый для блокировки проникновения серебра, является общей чертой обеих двухслойных конструкций тыльных контактов. Однако сторона p-TOPCon должна решить три дополнительные проблемы:
Для активации бора, повышения кристалличности и подавления проблем, связанных с бором на границе раздела, необходим этап предварительного отжига при 1050°C.
Для решения сложной задачи металлизации p+ poly-Si требуется серебряная паста, модифицированная оксидом щелочного металла.
Полировка и планаризация тыльной стороны становятся более критичными, поскольку p-TOPCon более чувствителен к текстуре поверхности и её влиянию на J₀.
Эти проблемы не были центральными для конструкции n-TOPCon с КПД 26,66%. Проще говоря, двухслойный тыльный контакт p-TOPCon сложнее в производстве, чем его аналог n-TOPCon, но после контроля процесса он может обеспечить более высокий потенциал Voc.
Двухслойный тыльный контакт p-TOPCon в ячейке с КПД 26,34% достиг подразумеваемого Voc 747 мВ, что немного выше оценочного общего уровня подразумеваемого Voc, обсуждавшегося для конструкции с КПД 26,66%.
Параметры производственной линии, которые можно применять напрямую
Улучшите полировку и планаризацию тыльной стороны. Линия по производству p-TOPCon не должна рассматривать полировку тыльной стороны как процесс, который должен быть просто «достаточно хорошим». Планаризация оказывает более сильное влияние на J₀ двухслойного контакта p-TOPCon, чем на n-TOPCon.
Сформируйте промежуточный слой SiOx in situ толщиной примерно 1 нм. Копирование термического оксида толщиной 1,5 нм, использованного в структуре n-TOPCon с КПД 26,66%, может снизить туннелирование и ухудшить FF на p-стороне.
Введите этап предварительного отжига при 1050°C. Без этой обработки трудно достичь активации бора и кристалличности 98%, что делает подразумеваемый Voc 747 мВ маловероятным.
Используйте серебряную пасту, модифицированную оксидом щелочного металла. В описанной рецептуре используется 4 мас.% Na₂O/K₂O и грубый серебряный порошок. Удельное контактное сопротивление 0,55 мОм·см² является сложной целью для стороны p-TOPCon. Обычная паста может привести к резкому росту последовательного сопротивления на p+ контакте.
Контролируйте ширину фронтальных пальцев на уровне примерно 210 мкм. Точность лазерной структуризации должна соответствовать более узкой геометрии контактов. Дальнейшее уменьшение ширины пальцев могло бы снова снизить паразитное поглощение, но повреждение двухслойного стека лазером потребовало бы переоценки.
Следующий вопрос для BC-TOPCon
Структура с эффективностью 26,34%, с фронтальными пальцами n-TOPCon и полнообластным двухслойным тыловым контактом p-TOPCon, фактически является частичной версией BC-TOPCon.
Логичным следующим шагом было бы также локализовать тыловой контакт p-TOPCon, расположив тыловые p-типа и n-типа пальцы в виде гребенчатой структуры. Это создало бы истинную структуру BC-TOPCon.
Это поднимает новый вопрос. Должен ли промежуточный слой SiOx в локализованном тыловом контакте p-TOPCon оставаться чистым SiO₂, или его следует заменить на легированный азотом SiOx по маршруту типа OGO для усиления полевой пассивации? Другой вариант — это стек AlOx/SiOx, использующий полевой эффект оксида алюминия вместе с двухслойным контактом SiOx/poly-Si.
Исследование с эффективностью 26,34% не рассматривало этот вопрос, поскольку его тыловой контакт p-TOPCon оставался полнообластным и не зависел от локализованной полевой пассивации. Однако, как только тыловой p-типа контакт становится пальцевым, комбинация полевой пассивации AlOx и двухслойной структуры SiOx/poly-Si может стать серьезным вариантом для следующего шага.
Существует также вопрос, связанный с тандемным процессом. Нижний элемент, использованный в тандеме с эффективностью 32,73%, имеет текстурированную фронтальную поверхность. Моделирование на рисунке 1 показывает, что двусторонняя конфигурация с пальцами TOPCon может иметь более высокий тандемный потенциал, чем полнообластная двусторонняя структура TOPCon.
Но как следует контролировать однородность фотолюминесценции на текстурированной фронтальной поверхности с локализованными пальцами n-TOPCon? Чрезмерная энергия лазера может локально обжечь или сгладить вершины пирамид. Это может частично съесть технологическое окно, созданное обработкой скругленных пирамид.
В трех исследованиях — от элемента Das Solar с эффективностью 25,4% до элементов с эффективностью 26,66% и 26,34% — логика тылового контакта прошла через три поколения: контроль питтинга оксида, двойная защита от проникновения серебра и, наконец, двойной слой p-TOPCon в сочетании с металлизацией, модифицированной щелочными металлами.
Мнение Ooitech
Окно технологического процесса здесь является настоящим узким местом. Как только p-TOPCon переходит от полнообластного тылового контакта к локализованным BC-пальцам, удельное контактное сопротивление, лазерные повреждения, активация бора и полевая пассивация должны быть оптимизированы как единая связанная система. Более тонкий промежуточный слой SiOx может защитить FF, но также оставляет меньше запаса против проникновения серебра и повреждения границы раздела, вызванного бором. Следующим полезным результатом будет тот, который продемонстрирует это полное окно интеграции на пластинах промышленного размера, а не только пиковое значение эффективности.
Дополнительные материалы и справочные данные
Публичные справочные материалы по этой теме, опубликованные организациями, которые поддерживают технологическую дорожную карту и рыночные данные отрасли:
