Пинхолы в элементах TOPCon: неожиданный путь
Содержание
Краткий ответ: Исследование элементов TOPCon показало, что намеренное оставление контролируемого количества тонкого оксида может улучшить пассивацию, а не ухудшить её, что опровергает давнее предположение. В исследовании измерялись оксидные слои в диапазоне 0,2 нм и 0,3 нм по сравнению с эталоном 1,7 нм, и было обнаружено, что более тонкий, намеренно сохранённый оксид не просто добавляет сопротивление. Туннельный оксид в элементе TOPCon должен быть достаточно тонким, чтобы носители могли туннелировать через него, и достаточно толстым, чтобы пассивировать поверхность, а обычная целевая величина составляет один или два нанометра. Полученный результат позволяет предположить, что граница менее резкая, чем считалось, и что химическое состояние границы раздела имеет такое же значение, как и толщина. Для производственной линии это смещает внимание в сторону контроля границы раздела, а не только толщины.
Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech
Обзор
Вот кое-что, что опровергает давнее предположение в кремниевой фотовольтаике. Исследователи обнаружили, что намеренное оставление определённых «пинхолов» в слое SiOx TOPCon -элемента может повысить эффективность до 26,55%, а не снизить её.
Ключевой вывод: 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 позволяя туннелирование, хорошо). Пассивирующий тип имеет размеры примерно 1,6 ± 0,2 нм × 1,4 ± 0,3 нм в поперечном сечении, с поверхностной плотностью 2 × 10¹² см⁻². Модель Фишера показала, что решающим для производительности устройства является не геометрия пинхола, а то, 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 проблема, которая застряла
TOPCon сейчас является мейнстримом для n-типа кремния. Runergy достигла 26,55% на 335 см², Jinko сложила 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 межфазном 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 пинхолов, и теперь вы беспокоитесь о падении Voc.
Авторы разбили толщину оксида плюс распределение кислорода на три случая (раздел «Введение»):
Случай 1: толстый оксид, пассивация в порядке, туннелирование не оптимально
Случай 2: тонкий оксид плюс обеднение кислородом, что приводит к питтингу рекомбинационного типа (классический «плохой питтинг»)
Случай 3: тонкий оксид, но кислород всё ещё проникает в питтинг, что приводит к питтингу пассивирующего типа (новое открытие здесь)
До этого разрешение HR-TEM было недостаточным, чтобы увидеть особенности менее 2 нм. В литературе сообщалось о диаметрах питтингов от 5 нм до 200 нм и плотностях от 10⁶ до 10⁸ см⁻², и все они были просто «большими отверстиями». Селективное травление и c-AFM основаны на разнице скоростей травления между Si и SiOx, поэтому области с остаточным кислородом просто не вскрываются при травлении. Пассивирующие питтинги естественным образом отсеивались этими методами. Вот почему Случай 3 оставался незамеченным так долго.
Механизм: два типа питтингов (Рисунок 2)
Сканирование границы раздела poly-Si/SiOx/c-Si на пластине с высокой эффективностью (25,40%) и контрольной пластине с низкой эффективностью (24,07%) проводилось с помощью коррекции аберраций HAADF-STEM (JEM ARM200F плюс Spectra 300, 200/300 кВ).
| Тип | Состояние кислорода | Размер (высокая/низкая эффективность) | EELS O-K край |
|---|---|---|---|
| Рекомбинация | Обеднённый кислородом, решётка poly/c-Si напрямую соединена | Пластина с низкой эффективностью ~1,37 × 1,35 нм | Глубокая кислородная долина |
| Пассивирующий | Остаточный кислород присутствует, оборванные связи пассивированы | Пластина с высокой эффективностью 1,55 × 1,25 нм | Сигнал кислорода всё ещё виден, мелкая кислородная долина |
Ключевой момент: питтинги на пластине с высокой эффективностью 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 питтингов f = πr²/P², но J₀ нечувствителен к f. Что действительно доминирует, так это скорость поверхностной рекомбинации S в питтинге.
При f ≈ 0,1, как только S ≳ 10³ см/с, J₀ резко возрастает и насыщается при S > 10⁵ см/с.
Значение: ключ к высокой производительности — не «ноль питтингов», а «питтинги, которые пассивированы». Это самый большой акцент всей статьи.
По плотности это своего рода революция. Статистика по ортогональному срезу X-Y через 40 пластин (высокой и низкой эффективности) дала 2 × 10¹² см⁻² для пассивирующих и 3 × 10¹² см⁻² для рекомбинационных пинохолов, что на 4-6 порядков выше литературных значений.
Складываются три причины: во-первых, изменилась концепция, поэтому ранее отсеиваемые пассивирующие нанодефекты стали видимыми; во-вторых, образцы — это промышленно оптимизированные пластины с эффективностью выше 25%, а не тестовые структуры; в-третьих, метод — атомарный HAADF, а косвенные подходы просто не могут увидеть область, содержащую кислород, размером менее 2 нм. Чтобы защититься от перекрытия вдоль направления пучка для образцов TEM толщиной от 50 до 150 нм, авторы подстраховались с помощью 4D-STEM птхографии вдоль направления толщины, подтвердив, что статистика плотности не искажается проекционным перекрытием.
Технологическая точка входа: двухступенчатое окисление плюс полировка тыльной стороны плюс тройное поликремниевое сопряжение
Переменные из оригинальных методов и дополнительной информации (дополнительная таблица 1):
Двухступенчатое окисление: сначала окисление O₂ в тонкий SiO₂, затем ступень с недостатком кислорода (без подачи кислорода). Пассивирующему типу требуется больше времени потока кислорода, более высокая температура, больший поток и более высокое давление, что способствует равномерному плотному оксиду.
Диффузия POCl₃: более низкая температура осаждения и более короткое время улучшают кристаллизацию поликремния и подавляют рекомбинационные пинохолы.
Морфология полировки тыльной стороны находится выше по потоку от однородности толщины оксида. Все три параметра должны настраиваться вместе для стабильного получения случая 3.
Сравнение характеристик (рис. 4, фактические данные)
Симметричные двусторонние образцы poly-Si/SiOx (n-Si 1–3 Ом·см, двусторонняя полировка):
τeff: 8.9 мс для высокой эффективности против 2.96 мс для контроля (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 улучшенному объемному времени жизни SRH. Оптимизированный отжиг, создавая пассивирующие пинохолы, также геттерирует металлические примеси (со ссылкой на работу Krügener по POLO с эффективностью 25%). Совместное улучшение и интерфейса, и объема — это рецепт для преодоления порога 25%.
Для FF разница в основном связана с 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, тогда как пассивирующие типы блокируются кислородом (профиль легирования EDS в 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, а картирование распределения Voc с помощью Corescan также подтвердило равномерность 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 делать дальше — не зацикливаться на нулевом количестве пинов, а настроить цепочку от полировки тыльной стороны до окисления и осаждения поликремния так, чтобы пины несли 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 многое зависит от технологической цепочки, а не только от дизайна ячейки. Тот факт, что двухступенчатое окисление, настройка POCl₃ и полировка тыльной стороны должны двигаться вместе, — это именно та связность, которая теряется, когда линия собирается по частям. На стороне модулей мы видим ту же закономерность, где допуски ламинации и стрингования незаметно решают, сохранит ли хорошая ячейка свой Voc. Если вы хотите подробнее узнать, как эти чувствительные к интерфейсу процессы переносятся на реальное производство, наши обзоры фабрик на YouTube (www.youtube.com/ooitech) стоит подписаться.
