Обзор

Вот что переворачивает давнее предположение в кремниевой фотовольтаике. Исследователи обнаружили, что намеренное оставление определенных «пинхолов» в слое SiOx TOPCon-элемента может повысить эффективность до 26,55%, вместо того чтобы снижать ее.

Ключевое открытие: пинхолы в туннельном оксиде делятся на два семейства. Один — рекомбинационный тип (обедненный кислородом, где поли-Si напрямую контактирует с c-Si, плохо), другой — пассивирующий тип (остаточный кислород остается, пассивируя оборванные связи, но все еще позволяя туннелирование, хорошо). Пассивирующий тип имеет размеры поперечного сечения около 1,6 ± 0,2 нм × 1,4 ± 0,3 нм с поверхностной плотностью 2 × 10¹² см⁻². Модель Фишера показала, что производительность устройства определяется не геометрией пинхола, а тем, пассивирован ли пинхол.

Ссылка: Пассивирующие пинхолы для крупноформатных и высокоэффективных кремниевых солнечных элементов с туннельным оксидным пассивированным контактом, Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2

История исследования и застрявшая проблема

TOPCon сейчас является мейнстримом для n-типа кремния. Runergy достигла 26,55% на 335 см², Jinko объединила TOPCon с перовскитом до 33,24%, а односторонний n-TOPCon имеет теоретический предел 27,79%. Но никто не определил, какую роль на самом деле играют пинхолы в этом интерфейсном слое SiOx.

Традиционный взгляд: пинхол означает, что поли-Si проникает прямо в c-Si, кислородная пассивация не работает, плохие новости.

Реальность сложнее. Оксид слишком толстый (>1,7 нм) пассивирует хорошо, но туннелирует плохо, поэтому FF падает. Оксид слишком тонкий (<1.3 нм) означает больше микропор, и теперь вы беспокоитесь о коллапсе Voc.

Авторы разделили толщину оксида и распределение кислорода на три случая (раздел Введение):

• Случай 1: толстый оксид, пассивация в порядке, туннелирование не оптимально

• Случай 2: тонкий оксид плюс истощение кислорода, что приводит к рекомбинационным микропорам (классическая «плохая микропора»)

• Случай 3: тонкий оксид, но кислород все еще проникает в микропору, что дает пассивирующие микропоры (новое открытие здесь)

До этого разрешение HR-TEM было недостаточным, чтобы увидеть структуры меньше 2 нм. В литературе сообщалось о диаметрах микропор от 5 нм до 200 нм и плотностях от 10⁶ до 10⁸ см⁻², но все это были просто «большие дыры». Селективное травление и c-AFM основаны на разнице скоростей травления Si и SiOx, поэтому области с остаточным кислородом просто не вскрываются. Пассивирующие микропоры естественным образом отсеивались этими методами. Вот почему Случай 3 так долго оставался незамеченным.

Механизм: два типа микропор (Рисунок 2)

Сканирование интерфейса poly-Si/SiOx/c-Si на высокоэффективной пластине (25.40%) и контрольной с низкой эффективностью (24.07%) проводилось с помощью коррекции аберраций HAADF-STEM (JEM ARM200F плюс Spectra 300, 200/300 кВ).

Ключевой момент: микропоры на высокоэффективной пластине на самом деле меньше, и лучше удерживают кислород. Все размеры на порядок меньше, чем сообщалось в более ранней литературе.

Результаты модели точечного контакта Фишера (Рис. 3d в оригинале):

• Доля площади микропор f = πr²/P², но J₀ нечувствителен к f. На самом деле доминирует скорость поверхностной рекомбинации S в микропоре.

• При f ≈ 0.1, как только S ≳ 10³ см/с, J₀ резко возрастает и насыщается при S > 10⁵ см/с.

• Смысл: ключ к высокой производительности — не «нулевое количество пинов», а «пины, которые пассивированы». Это самый большой акцент всей статьи.

Что касается плотности, это своего рода революция. Статистика по X-Y ортогональным срезам 40 пластин (высокая и низкая эффективность) дала 2 × 10¹² см⁻² для пассивирующих и 3 × 10¹² см⁻² для рекомбинационных пинов, что на 4–6 порядков выше литературных значений.

Три причины: во-первых, изменилась концепция, поэтому ранее отсеиваемые пассивирующие нанодефекты стали видимы; во-вторых, образцы — промышленно оптимизированные пластины с эффективностью выше 25%, а не тестовые структуры; в-третьих, метод — атомарный HAADF, и косвенные подходы просто не могут увидеть кислородсодержащую область размером менее 2 нм. Чтобы избежать наложения вдоль направления пучка в образцах TEM толщиной от 50 до 150 нм, авторы дополнительно использовали 4D-STEM пучковую томографию вдоль направления толщины, подтвердив, что статистика плотности не искажена проекционным наложением.

Технологическая точка входа: двухэтапное окисление + полировка тыльной стороны + тройное сопряжение поли-Si

Переменные из оригинальных методов и SI (дополнительная таблица 1):

• Двухэтапное окисление: сначала окисление O₂ в тонкий SiO₂, затем этап с недостатком кислорода (без подачи кислорода). Пассивирующий тип требует более длительного времени подачи кислорода, более высокой температуры, большего потока и более высокого давления, что способствует формированию однородного плотного оксида.

• Диффузия POCl₃: более низкая температура осаждения и более короткое время улучшают кристаллизацию поли-Si и подавляют рекомбинационные пины.

• Морфология полировки тыльной стороны находится выше по потоку от однородности толщины оксида. Все три параметра должны быть настроены совместно для стабильного получения случая 3.

Сравнение производительности (рис. 4, фактические данные)

Симметричные двусторонние образцы poly-Si/SiOx (n-Si 1–3 Ом·см, двусторонняя полировка):

• τeff: 8.9 мс (высокая эффективность) против 2.96 мс (контроль) (инжекция 5×10¹⁵ см⁻³)

• J₀: 2.6 против 10.6 фА/см²

• ΔVoc измерено как 15.9 мВ, но разница в J₀ объясняет только ~11 мВ. Оставшиеся ~5 мВ авторы приписывают улучшению времени жизни SRH в объеме. Оптимизированный отжиг, создавая пассивирующие пины, также геттерирует металлические примеси (со ссылкой на работу Krügener по POLO с эффективностью 25%). Совместное улучшение интерфейса и объема — рецепт для преодоления 25%.

Для FF разница в основном обусловлена Rs:

• Rs: 357 (высокая эффективность) против 619 мОм·см² (контроль), измерено Suns-Voc

• ρc (TLM): 4.6 против 5.4 мОм·см²

Контринтуитивный момент: по логике «более плотные пины снижают ρc», большее количество пассивирующих пинов на высокоэффективной пластине должно означать более низкое ρc, и действительно 4,6 < 5,4. Но авторы добавляют поворот. Вблизи пинов рекомбинационного типа фосфор диффундирует в пластину, в то время как пассивирующие типы блокируются кислородом (профиль легирования EDS на дополнительном рис. 10). Таким образом, профиль легирования и контактное сопротивление следуют двум разным логикам, и их нельзя объяснить только плотностью пинов.

Фотолюминесценция была равномерной по всей пластине, и картирование Corescan распределения Voc также подтвердило однородность на большой площади.

Одна строка для отрасли

Эта статья переводит интерфейс TOPCon из бинарной истории «неповрежденный оксид против утечки через пины» в троичную: «пины тоже могут быть хорошими, если кислород все еще присутствует». Что отрасли нужно сделать дальше — не зацикливаться на нулевом количестве пинов, а настроить цепочку от полировки тыла до окисления и осаждения поликремния так, чтобы пины содержали кислород. Пластина Daheng с КПД 25,40% на площади 333,3 см² уже доказала, что этот путь работает.

Мнение Ooitech

Что нас здесь поражает, так это то, насколько это зависит от технологической цепочки, а не только от конструкции элемента. То, что двухстадийное окисление, настройка POCl₃ и полировка тыла должны двигаться вместе, — это именно та связь, которая теряется, когда линия собирается по частям. На стороне модуля мы видим ту же картину, где допуски ламинации и стрингования незаметно решают, сохранит ли хороший элемент свой Voc. Если вы хотите подробнее узнать, как эти чувствительные к интерфейсу процессы переносятся на реальное производство, наши обзоры заводов на YouTube (www.youtube.com/ooitech) стоят подписки.