Эффективность выше 26,3%: что еще можно оптимизировать на тыльной стороне? Тыльные контакты n-типа стремятся к бифациальной синергии, а тыльные контакты p-типа движутся к задней
Содержание
Эффективность выше 26,3%: что осталось оптимизировать на тыльной стороне?
«Лао Чжан, в элементе с КПД 26,66% использовалась полная p-TOPCon тыльная структура. В статье о 26,34% фронтальная сторона была изменена на локализованные n-TOPCon пальцы, а тыльная стала полнообластным p-TOPCon контактом. Двухслойный стек SiOx/poly-Si остался тем 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 26,66%, но сторона p-TOPCon вводит три регулировочных параметра, которые не затрагивались в элементе 26,66%. Стратегия фронтальной стороны также полностью отличается. Она отходит от высокоомного (430 Ом/□) борного эмиттера и переходит к локализованным n-TOPCon пальцам. Это два совершенно разных подхода к снижению рекомбинации.
Статью Gao K. et al. о КПД 26,34% можно рассматривать как сопутствующее исследование обратного перехода к работе с КПД 26,66%. Чтение обеих вместе дает более четкую картину того, что может потребоваться для достижения эффективности 27%.
Gao, K. et al. «Бифациальные туннельные оксидные пассивирующие контакты для кремниевых и перовскит/кремниевых тандемных солнечных элементов с повышенной 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 запрещённой 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 конфигурации с задним переходом, объединённые с полноразмерным двухслойным p-TOPCon задним контактом. Это по сути зеркальное отражение обычного TOPCon, который обычно использует фронтальный боровый эмиттер и задний n-TOPCon контакт.
Задний двухслойный контакт: тот же скелет, но три разных технологических параметра
Задний контакт с КПД 26,66% использует SiOx / слаболегированный n+ поли-Si / SiOx / сильнолегированный n+ поли-Si, с фосфором в качестве легирующей примеси.
Задний контакт с КПД 26,34% использует SiOx / p+ поли-Si толщиной 36 нм / SiOx / p+ поли-Si толщиной 90 нм, с легированием бором.
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 раздела Si/SiO₂, чем фосфор, а металлизация p+ поли-Si сложнее из-за ограничений переноса дырок и более слабого взаимодействия между обычной серебряной пастой и p+ поли-Si.
| Параметр сравнения | Задний контакт 26,66%: полноразмерный n-TOPCon | Задний контакт 26,34%: полноразмерный 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 окислен при 620°C | Примерно 1 нм, сформировано методом in-situ термического окисления при 650°C; тоньше, потому что туннелирование дырок уже 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 оксидом щелочного металла, с 4 мас.% Na₂O/K₂O и грубым серебряным порошком, снижающая контактное сопротивление до 0,55 мОм·см² |
| Морфология тыльной стороны | Обычная полировка тыльной стороны | Планаризованная полировка тыльной стороны, так как p-TOPCon более чувствителен к текстуре поверхности и требует меньшего J₀ |
| Основная цель | Блокировать проникновение Ag, сохраняя пассивацию | Блокировать проникновение Ag, подавлять бор-связанные дефекты на границе раздела и улучшать металлизацию p+ поли-Si |
Сообщенные данные процесса включают in-situ тыльное окисление при 650°C, промежуточный слой SiOx толщиной примерно 1 нм, легирование бором до 1 × 10²⁰ см⁻³, 98% кристалличность после предварительного отжига при 1050°C, подразумеваемый Voc 747 мВ и контактное сопротивление 0,55 мОм·см² с использованием модифицированной щелочным металлом пасты с грубым серебряным порошком.
Одну деталь легко упустить. Внешний слой p+ поли-Si имеет толщину 90 нм, что на 50% толще, чем примерно 60 нм внешний слой на стороне n-TOPCon.
Это не произвольное увеличение. Бор имеет меньшую растворимость в поли-Si, чем фосфор, поэтому сильно легированный участок требует большей толщины для снижения контактного сопротивления. В то же время этап предварительного отжига при 1050°C загоняет бор 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 аморфным.
Лицевая сторона: стратегия 430 Ом/□ заменена на локализацию
Вопрос, оставленный предыдущим исследованием, заключался в том, будет ли стратегия высокоомного борного эмиттера 430 Ом/□ по-прежнему применима для пальчикового n-TOPCon фронтального контакта.
Ответ от ячейки с КПД 26,34% однозначен: нет. Дизайн переходит на другой путь.
Элемент с КПД 26,66% использует обычный борный диффузионный фронтальный эмиттер с поверхностным сопротивлением 430 Ом/□. Тонкие металлические пальцы шириной около 10 мкм компенсируют более слабую боковую проводимость.
Элемент с КПД 26,34% удаляет обычный фронтальный борный эмиттер и заменяет его паттернированными n-TOPCon пальцами шириной примерно 210 мкм, оставляя поли-Si только под областями металлических контактов.
Таким образом, механизм снижения рекомбинации 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 уменьшает плохую пассивацию и коррозию серебряной пасты вокруг острых пиков текстуры.
В LPCVD вводится градиентное тепловое поле (GTF). Полная ширина на половине максимума (FWHM) Рамана достигает 8,4 см⁻¹. Более низкое значение указывает на лучшую кристалличность. Градиентное тепловое поле улучшает как боковую, 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 тыловом контакте элемента с КПД 26,66%. Фронтальные n+ пальцы предназначены для проводимости, а не для пассивации всей площади. Основная работа по пассивации выполняется тыловым p-TOPCon контактом на всей площади.
Ширина пальцев составляет примерно 210 мкм. Поли-Si остается под металлом, в то время как нетекстурированная область без контакта остается непокрытой. Это существенно снижает паразитное поглощение на фронтальной стороне по сравнению с контактом из поли-Si на всей площади.
Подход с 430 Ом/□ относится к эпохе борного эмиттера. В структуре с пальцами n-TOPCon рекомбинация контролируется через локализованное покрытие поли-Si, округленную текстуру поверхности и улучшенную кристалличность от GTF-LPCVD, а не просто увеличением поверхностного сопротивления.
Это помогает объяснить, как элемент с КПД 26,34% достигает Voc 743,2 мВ, близкого к 744,6 мВ, заявленному для элемента с КПД 26,66%, при этом также достигая более высокого Jsc. Локализованный фронтальный контакт уменьшает паразитное поглощение, которое оставалось бы в структуре с поли-Si на всей фронтальной площади.
Сравнение бок о бок двух родственных конструкций с КПД 26%
Тыловые двухслойные контакты SiOx/поли-Si
| Слой или процесс | 26.66% n-TOPCon тыльная сторона | 26.34% p-TOPCon тыльная сторона | 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-тип требует более сильного барьера против проникновения бора, хотя дырочное туннелирование затруднено |
| Внутренний poly-Si | Примерно 40 нм, слабо легирован фосфором и высококристаллический | 36 нм, слабо легирован бором | Бор имеет меньшую растворимость в твердом состоянии; более тонкий внутренний слой все еще может поддерживать пассивацию |
| Промежуточный SiOx | Примерно 1.5 нм, сформирован в O₂ при 620°C | Примерно 1 нм, сформирован in situ | Туннелирование более требовательно на стороне p-типа, поэтому промежуточный слой не может быть слишком толстым |
| Внешний poly-Si | Примерно 60 нм, сильно легирован фосфором и в основном аморфный | 90 нм, сильно легирован бором | Металлизация p+ poly-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 грубый серебряный порошок | Металлизация p+ poly-Si остается одним из основных технологических узких мест |
Сравнение лицевой стороны
| Пункт | 26.66% лицевая сторона | 26.34% лицевая сторона |
|---|---|---|
| Структура | Полностью легированный бором эмиттер | Локализованные n-TOPCon пальцы шириной примерно 210 мкм |
| Стратегия контроля рекомбинации | Высокое поверхностное сопротивление 430 Ом/□ для разбавления легирования | Уменьшенное покрытие poly-Si в сочетании с закругленной текстурой |
| Текстура поверхности | Обычная текстура в виде перевернутых пирамид | Закругленные пирамиды, обработанные озоном и HF |
| Осаждение поли-Si | Не применимо | GTF-LPCVD с Рамановской ПШПВ 8,4 см⁻¹ |
| Легирующая примесь | Бор | Фосфор с концентрацией 3,3 × 10²⁰ см⁻³ |
Что говорят две статьи о разработке тылового контакта выше 26%
Общее сообщение довольно прямое.
На уровне 25% основное внимание уделялось поведению пинов оксидного слоя. На уровне 26% разработка перешла к двухслойным структурам SiOx/poly-Si и инженерии металлизации. Выше 26,3% пути начинают расходиться: тыловые контакты n-TOPCon стремятся к бифасциальной электрической синергии, в то время как тыловые контакты p-TOPCon переходят к структуре с обратным 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 тылового контакта. Однако сторона p-TOPCon должна решить три дополнительные проблемы:
Необходим этап предварительного отжига при 1050°C для активации бора, повышения кристалличности и подавления проблем, связанных с границей раздела бора.
Необходима серебряная паста, модифицированная оксидом щелочного металла, для решения сложной металлизации p+ poly-Si.
Полировка и планаризация тыльной стороны становятся более критичными, поскольку p-TOPCon более чувствителен к текстуре поверхности и ее влиянию на J₀.
Эти проблемы не были центральными для конструкции n-TOPCon с КПД 26,66%. Проще говоря, двухслойный контакт p-TOPCon сложнее в производстве, чем его аналог n-TOPCon, но он может обеспечить более высокий потенциал Voc после контроля процесса.
Двухслойный тыловой контакт p-TOPCon в ячейке с КПД 26,34% достиг подразумеваемого Voc 747 мВ, что немного выше, чем предполагаемый общий уровень подразумеваемого Voc, обсуждаемый для конструкции с КПД 26,66%.
Параметры производственной линии, которые можно применять напрямую
Улучшить полировку и планаризацию тыльной стороны. Линия производства p-TOPCon не должна рассматривать полировку тыльной стороны как процесс, который должен быть лишь «достаточно хорошим». Планаризация оказывает более сильное влияние на J₀ двухслойного контакта p-TOPCon, чем на n-TOPCon.
Формировать промежуточный слой SiOx in situ толщиной примерно 1 нм. Копирование термического оксида толщиной 1,5 нм, используемого 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 активация бора и кристалличность 98% труднодостижимы, что делает подразумеваемое Voc 747 мВ маловероятным.
Используйте серебряную пасту, модифицированную оксидом щелочного металла. Сообщаемая рецептура использует 4 мас.% Na₂O/K₂O и грубый серебряный порошок. Удельное контактное сопротивление 0,55 мОм·см² является сложной целью для p-TOPCon стороны. Обычная паста может вызвать резкое увеличение последовательного сопротивления на p+ контакте.
Контролируйте ширину фронтального пальца примерно на уровне 210 мкм. Точность лазерного структурирования должна соответствовать более узкой геометрии контакта. Дальнейшее уменьшение ширины пальца может снизить паразитное поглощение, но лазерное повреждение двухслойного стека потребует переоценки.
Следующий вопрос для BC-TOPCon
Структура с эффективностью 26,34%, с фронтальными n-TOPCon пальцами и полнообластным двухслойным p-TOPCon тыльным контактом, фактически является частичной версией BC-TOPCon.
Следующим логическим шагом было бы локализовать и тыльный p-TOPCon контакт, расположив тыльные p-типа и n-типа пальцы в переплетенном рисунке. Это создало бы истинную структуру BC-TOPCon.
Это поднимает новый вопрос. Должен ли промежуточный слой SiOx в локализованном тыльном p-TOPCon контакте оставаться чистым SiO₂, или его следует заменить на легированный азотом SiOx по пути OGO для усиления полевой пассивации? Другой вариант — стек AlOx/SiOx, используя полевой эффект оксида алюминия вместе с двухслойным контактом SiOx/poly-Si.
Исследование с эффективностью 26,34% не изучало этот вопрос, поскольку его тыльный p-TOPCon контакт оставался полнообластным и не зависел от локализованной полевой пассивации. Однако, как только тыльный 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 процессом тандема. Нижний элемент, используемый в тандеме с эффективностью 32,73%, имеет текстурированную фронтальную поверхность. Моделирование на рисунке 1 показывает, что двусторонняя конфигурация finger-TOPCon может иметь более высокий тандемный потенциал, чем полнообластная двусторонняя структура TOPCon.
Но как следует контролировать однородность фотолюминесценции на текстурированной передней поверхности с локализованными n-TOPCon пальцами? Чрезмерная энергия лазера может локально обжечь или сгладить вершины пирамид. Это может сократить часть технологического окна, созданного обработкой скругленных пирамид.
В трех исследованиях — от ячейки Das Solar с КПД 25,4% до ячеек с КПД 26,66% и 26,34% — логика тыльного контакта прошла через три поколения: контроль оксидных отверстий, двойная защита от проникновения серебра и, наконец, двойной слой p-TOPCon в сочетании с металлизацией, модифицированной щелочными металлами.
Мнение Ooitech
Технологическое окно здесь является реальным узким местом. Как только p-TOPCon переходит от полноразмерного тыльного контакта к локализованным BC пальцам, 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 КПД.
