Пинхолы в TOPCon элементах: неожиданный путь к эффективности 26,55%

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, при этом все еще обеспечивая 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

Предыстория исследования и застарелая 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 плохо туннелирует, поэтому FF падает. Оксид слишком тонкий (<1.3 нм) означает больше микропор, и теперь вы беспокоитесь о падении 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 приводит к пассивирующим микропорам (новое открытие)

До этого разрешение HR-TEM было недостаточным, чтобы увидеть структуры менее 2 нм. В литературе сообщалось о диаметрах микропор от 5 нм до 200 нм и плотности от 10⁶ до 10⁸ см⁻², но все это были просто «большие отверстия». 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 «нулевые точечные отверстия», а «пассивированные точечные отверстия». Это самый важный момент всей статьи.

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

Три причины: во-первых, изменилась концепция, поэтому ранее отсеиваемые пассивирующие нанодефекты стали видимыми; 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 для образцов TEM толщиной от 50 до 150 нм, авторы дополнительно использовали 4D-STEM пtychography вдоль направления толщины, подтвердив, что статистика плотности не искажена проекционным наложением.

Технологическая точка: двухэтапное окисление плюс обратная полировка плюс тройное связывание поликремния

Переменные из исходных методов плюс 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 плюс более короткое время улучшают кристаллизацию поликремния и подавляют рекомбинационные точечные отверстия.

• Морфология обратной полировки находится выше по потоку от однородности толщины оксида. Все три параметра должны быть настроены вместе 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 точечные отверстия, также геттерирует металлические примеси (со ссылкой на работу Krügener по 25% POLO). 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 отверстия снижают ρc», большее количество пассивирующих отверстий на высокоэффективной пластине должно означать более низкое ρc, и действительно 4,6 < 5,4. Но авторы добавляют поворот. Вблизи отверстий 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 отверстий.

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

Одна строка для промышленности

Эта статья переводит интерфейс TOPCon из бинарной истории «неповрежденный оксид против утечки через отверстия» в троичную: «отверстия тоже могут быть хорошими, если кислород все еще присутствует». Что нужно сделать промышленности дальше — не зацикливаться на нулевом количестве отверстий, а настроить цепочку от полировки тыльной стороны до окисления и осаждения поликремния так, чтобы отверстия 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 тыльной стороны должны работать вместе, — это именно та взаимосвязь, 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 видеоэкскурсии по заводу на YouTube (www.youtube.com/ooitech) стоят подписки.