Overzicht

Hier is iets dat een lang gekoesterde aanname in silicium-PV omverwerpt. Onderzoekers ontdekten dat het opzettelijk achterlaten van bepaalde "gaatjes" in de SiOx-laag van een TOPCon-cel de efficiëntie kan verhogen tot 26,55%, in plaats van deze te verlagen.

De belangrijkste bevinding: gaatjes in het tunneloxide splitsen zich in twee families. De ene is het recombinatietype (zuurstofarm, waar poly-Si direct contact maakt met c-Si, slecht), de andere is het passiverende type (resterende zuurstof blijft achter, passiverende losse bindingen terwijl tunneling nog steeds mogelijk is, goed). Het passiverende type meet ongeveer 1,6 ± 0,2 nm × 1,4 ± 0,3 nm in doorsnede, met een oppervlaktedichtheid van 2 × 10¹² cm⁻². Een Fischer-model toonde aan dat wat de prestaties van het apparaat bepaalt niet de geometrie van het gaatje is, maar of het gaatje is gepassiveerd.

Referentie: Passiverende gaatjes voor grootschalige en hoogrenderende siliciumzonnecellen met tunneloxide gepassiveerd contact, Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2

Onderzoeksachtergrond en het probleem dat bleef hangen

TOPCon is nu de mainstream voor n-type silicium. Runergy haalde 26,55% op 335 cm², Jinko stapelde TOPCon plus perovskite tot 33,24%, en enkelzijdige n-TOPCon heeft een theoretische limiet van 27,79%. Maar niemand had vastgesteld welke rol de gaatjes in die grensvlak-SiOx-laag eigenlijk spelen.

De traditionele visie: gaatje betekent dat poly-Si rechtstreeks in c-Si prikt, zuurstofpassivering faalt, slecht nieuws.

De werkelijkheid is rommeliger. Oxide te dik (>1,7 nm) passivert goed maar tunnelt slecht, dus FF stort in. Oxide te dun (<1,3 nm) betekent meer gaatjes, en nu maak je je zorgen over Voc-instorting.

De auteurs verdeelden de oxide-dikte plus zuurstofverdeling in drie gevallen (de Inleiding-sectie):

• Geval 1: dik oxide, passivatie OK, tunneling niet optimaal

• Geval 2: dun oxide plus zuurstofuitputting, wat recombinatie-type gaatjes geeft (de klassieke "slechte gaatjes")

• Geval 3: dun oxide maar zuurstof sijpelt nog steeds in het gaatje, wat passiverende-type gaatjes geeft (de nieuwe ontdekking hier)

Hiervoor was de resolutie van HR-TEM niet goed genoeg om kenmerken onder 2 nm te zien. Literatuur rapporteerde gaatjesdiameters van 5 nm tot 200 nm en dichtheden van 10⁶ tot 10⁸ cm⁻², wat allemaal gewoon "grote gaten" waren. Selectief etsen en c-AFM vertrouwen op het ets-snelheidsverschil tussen Si en SiOx, dus gebieden met restzuurstof worden simpelweg niet open geëtst. Passiverende gaatjes werden van nature uitgesloten door deze methoden. Daarom bleef Geval 3 zo lang onopgemerkt.

Mechanisme: Twee soorten gaatjes (Figuur 2)

Aberratie-gecorrigeerde HAADF-STEM (JEM ARM200F plus Spectra 300, 200/300 kV) scande de poly-Si/SiOx/c-Si-interface op een hoogrendement wafer (25,40%) en een laagrendement controle (24,07%).

Kernpunt: de gaatjes op de hoogrendement wafer zijn eigenlijk kleiner, en behouden zuurstof beter. Alle afmetingen zijn een orde van grootte kleiner dan eerder in de literatuur gerapporteerd.

Het Fischer-puntcontactmodel resultaten (Fig. 3d in het origineel):

• Gaatjes oppervlaktefractie f = πr²/P², maar J₀ is ongevoelig voor f. Wat echt domineert is de oppervlakterecombinatiesnelheid S bij het gaatje.

• Rond f ≈ 0,1, zodra S ≳ 10³ cm/s, stijgt J₀ steil, en het verzadigt boven S > 10⁵ cm/s.

• Betekenis: de sleutel tot hoge prestaties is niet "nul pinholes", maar "pinholes die gepassiveerd zijn". Dit is het grootste hoogtepunt van het hele artikel.

Wat betreft dichtheid is dit een beetje een revolutie. Statistieken van X-Y orthogonale doorsneden over 40 wafers (hoog plus laag rendement) gaven 2 × 10¹² cm⁻² voor passiverende en 3 × 10¹² cm⁻² voor recombinatie-pinholes, 4 tot 6 ordes van grootte hoger dan literatuurwaarden.

Drie redenen stapelen zich op: ten eerste veranderde het concept, waardoor eerder uitgeselecteerde passiverende nanodefecten zichtbaar werden; ten tweede zijn de monsters industrieel geoptimaliseerde wafers boven 25%, geen teststructuren; ten derde is de methode atomair HAADF, en indirecte benaderingen kunnen het sub-2 nm zuurstofbevattende gebied simpelweg niet zien. Om overlap langs de bundelrichting van 50 tot 150 nm dikke TEM-monsters te voorkomen, hebben de auteurs backstop met 4D-STEM ptychografie langs de dikterichting, wat bevestigt dat de dichtheidsstatistieken niet worden verstoord door projectie-overlap.

Proces Landingspunt: Twee-staps Oxidatie plus Achterpolijsten plus Poly Triple Koppeling

De variabelen uit de originele Methoden plus SI (Supplementary Table 1):

• Twee-staps oxidatie: eerste O₂-oxidatie tot dun SiO₂, daarna een zuurstofarme stap (geen zuurstof toegevoerd). Het passiverende type heeft langere zuurstoftoevoertijd, hogere temperatuur, grotere stroom en hogere druk nodig, wat een uniforme, dichte oxide bevordert.

• POCl₃-diffusie: lagere depositietemperatuur plus kortere tijd verbetert polykristallisatie en onderdrukt recombinatie-type pinholes.

• Achterpolijstmorfologie ligt stroomopwaarts van de oxide-dikte-uniformiteit. Alle drie moeten samen worden afgestemd om stabiel Case 3 te produceren.

Prestatievergelijking (Fig. 4 Harde Data)

Symmetrische dubbelzijdige poly-Si/SiOx monsters (n-Si 1–3 Ω·cm, dubbelzijdig gepolijst):

• τeff: 8,9 ms hoog rendement vs 2,96 ms controle (injectie 5×10¹⁵ cm⁻³)

• J₀: 2,6 vs 10,6 fA/cm²

• ΔVoc gemeten op 15,9 mV, maar het J₀-verschil alleen verklaart slechts ~11 mV. De resterende ~5 mV schrijven de auteurs toe aan verbeterde bulk SRH-levensduur. De geoptimaliseerde anneal, terwijl passiverende pinholes worden gecreëerd, gettert ook metaalverontreinigingen (verwijzend naar Krügener's 25% POLO-werk). Het gelijktijdig repareren van zowel interface als bulk is het recept om 25% te overschrijden.

Voor FF komt het verschil voornamelijk van Rs:

• Rs: 357 (hoog rendement) vs 619 mΩ·cm² (controle), Suns-Voc gemeten

• ρc (TLM): 4,6 vs 5,4 mΩ·cm²

Het contra-intuïtieve punt: volgens de logica van "dichtere pinholes verlagen ρc" zouden meer passiverende pinholes op de hoogrendement wafer een lagere ρc moeten betekenen, en inderdaad 4,6 < 5,4. Maar de auteurs voegen een twist toe. Nabij recombinatie-type pinholes diffundeert fosfor in de wafer, terwijl passiverende types worden geblokkeerd door zuurstof (het EDS-doteringprofiel in Supplementary Fig. 10). Dus doteringprofiel en contactweerstand volgen twee aparte logica's, en je kunt ze niet alleen verklaren door pinhole-dichtheid.

PL was uniform over de volledige wafer, en Corescan-mapping van de Voc-verdeling hield ook stand voor grootschalige uniformiteit.

Eén lijn voor de industrie

Dit artikel verandert het TOPCon-grensvlak van een binair verhaal van "intact oxide versus pinhole-lekkage" naar een ternair verhaal: "pinholes kunnen ook goed zijn, zolang er nog zuurstof aanwezig is". Wat de industrie nu moet doen, is niet obsessief streven naar nul pinholes, maar de keten van back polishing naar oxidatie naar poly-depositie zo afstemmen dat pinholes zuurstof bevatten. Daheng's wafer met 25,40% op 333,3 cm² heeft al bewezen dat de weg werkt.

Ooitech's Visie

Wat ons hier opvalt, is hoeveel hiervan afhangt van de procesketen, niet alleen van het celontwerp. Dat die tweestaps-oxidatie, POCl₃-afstemming en back polishing allemaal samen moeten bewegen, is precies het soort koppeling dat verloren gaat wanneer een lijn stuksgewijs wordt samengesteld. Aan de modulekant zien we hetzelfde patroon, waar laminatie- en stringtoleranties stilletjes bepalen of een goede cel zijn Voc behoudt. Als u een beter beeld wilt krijgen van hoe deze grensvlakgevoelige processen worden vertaald naar een echte productievloer, zijn onze fabrieksrondleidingen op YouTube (www.youtube.com/ooitech) een abonnement waard.