Lỗ kim trong tế bào TOPCon: Con đường bất ngờ đến hiệu suất 26,55%
Mục lục
Tổng quan
Đây là điều lật ngược một giả định lâu đời trong ngành PV silicon. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc cố tình để lại một số "lỗ kim" nhất định trong lớp SiOx của tế bào TOPCon có thể đẩy hiệu suất lên tới 26,55%, thay vì kéo nó xuống.
Phát hiện chính: các lỗ kim trong oxit đường hầm được chia thành hai loại. Một là loại tái hợp (thiếu oxy, nơi poly-Si tiếp xúc trực tiếp với c-Si, xấu), loại kia là loại thụ động hóa (oxy dư vẫn còn, thụ động hóa các liên kết lơ lửng trong khi vẫn cho phép đường hầm, tốt). Loại thụ động hóa có kích thước mặt cắt ngang khoảng 1,6 ± 0,2 nm × 1,4 ± 0,3 nm, với mật độ diện tích 2 × 10¹² cm⁻². Mô hình Fischer cho thấy yếu tố quyết định hiệu suất thiết bị không phải là hình dạng lỗ kim, mà là liệu lỗ kim có được thụ động hóa hay không.
Tài liệu tham khảo: Passivating pinholes for large-area and high-efficiency silicon solar cells with tunnel oxide passivated contact, Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2
Bối cảnh nghiên cứu và vấn đề tồn đọng
TOPCon hiện là công nghệ chủ đạo cho silicon loại n. Runergy đạt 26,55% trên diện tích 335 cm², Jinko xếp chồng TOPCon với perovskite lên 33,24%, và n-TOPCon một mặt có trần lý thuyết là 27,79%. Nhưng chưa ai xác định được vai trò thực sự của các lỗ kim trong lớp SiOx giao diện đó.
Quan điểm truyền thống: lỗ kim có nghĩa là poly-Si chọc thẳng vào c-Si, thụ động hóa oxy thất bại, tin xấu.
Thực tế phức tạp hơn. Oxit quá dày (>1,7 nm) thụ động hóa tốt nhưng đường hầm kém, do đó FF sụp đổ. Oxit quá mỏng (<1,3 nm) có nghĩa là nhiều lỗ kim hơn, và bây giờ bạn lo lắng về sự sụp đổ của Voc.
Các tác giả đã chia độ dày oxit cùng với sự phân bố oxy thành ba trường hợp (phần Giới thiệu):
Trường hợp 1: oxit dày, thụ động tốt, đường hầm không tối ưu
Trường hợp 2: oxit mỏng kèm cạn kiệt oxy, tạo ra lỗ kim kiểu tái hợp ("lỗ kim xấu" kinh điển)
Trường hợp 3: oxit mỏng nhưng oxy vẫn thấm vào lỗ kim, tạo ra lỗ kim kiểu thụ động (phát hiện mới ở đây)
Trước đây, độ phân giải HR-TEM không đủ tốt để thấy các đặc điểm dưới 2 nm. Tài liệu báo cáo đường kính lỗ kim từ 5 nm đến 200 nm và mật độ từ 10⁶ đến 10⁸ cm⁻², tất cả chỉ là "lỗ lớn". Khắc chọn lọc và c-AFM dựa vào sự khác biệt tốc độ ăn mòn giữa Si và SiOx, vì vậy các vùng còn oxy dư đơn giản không bị ăn mòn mở. Các lỗ kim thụ động tự nhiên bị sàng lọc bởi các phương pháp này. Đó là lý do Trường hợp 3 không được phát hiện trong thời gian dài.
Cơ chế: Hai loại lỗ kim (Hình 2)
HAADF-STEM hiệu chỉnh quang sai (JEM ARM200F cộng Spectra 300, 200/300 kV) đã quét giao diện poly-Si/SiOx/c-Si trên một tấm wafer hiệu suất cao (25,40%) và một tấm đối chứng hiệu suất thấp (24,07%).
| Loại | Trạng thái oxy | Kích thước (hiệu suất cao/thấp) | EELS O-K cạnh |
|---|---|---|---|
| Tái hợp | Cạn kiệt oxy, mạng tinh thể poly/c-Si nối trực tiếp | Wafer hiệu suất thấp ~1,37 × 1,35 nm | Thung lũng oxy sâu |
| Thụ động | Oxy dư hiện diện, các liên kết lơ lửng được thụ động | Wafer hiệu suất cao 1,55 × 1,25 nm | Tín hiệu oxy vẫn thấy, thung lũng oxy nông |
Điểm chính: các lỗ kim trên wafer hiệu suất cao thực sự nhỏ hơn, và giữ oxy tốt hơn. Tất cả kích thước đều nhỏ hơn một bậc so với báo cáo trước đây.
Kết quả mô hình tiếp điểm điểm Fischer (Hình 3d trong bản gốc):
Phần diện tích lỗ kim f = πr²/P², nhưng J₀ không nhạy với f. Điều thực sự chi phối là vận tốc tái hợp bề mặt S tại lỗ kim.
Khoảng f ≈ 0,1, một khi S ≳ 10³ cm/s, J₀ tăng mạnh, và nó bão hòa trên S > 10⁵ cm/s.
Ý nghĩa: chìa khóa cho hiệu suất cao không phải là "không có lỗ kim", mà là "lỗ kim được thụ động hóa". Đây là điểm nổi bật nhất của toàn bộ bài báo.
Về mật độ, đây là một cuộc cách mạng. Thống kê từ cắt lát trực giao X-Y trên 40 tấm wafer (hiệu suất cao và thấp) cho thấy 2 × 10¹² cm⁻² đối với lỗ kim thụ động và 3 × 10¹² cm⁻² đối với lỗ kim tái hợp, cao hơn 4 đến 6 bậc so với giá trị trong tài liệu.
Ba lý do chồng chất: thứ nhất, khái niệm thay đổi, do đó các khuyết tật nano thụ động trước đây bị loại bỏ trở nên hiện rõ; thứ hai, các mẫu là tấm wafer tối ưu hóa công nghiệp trên 25%, không phải cấu trúc thử nghiệm; thứ ba, phương pháp là HAADF cấp độ nguyên tử, và các phương pháp gián tiếp đơn giản không thể thấy vùng chứa oxy dưới 2 nm. Để tránh chồng lấn dọc theo hướng chùm tia từ các mẫu TEM dày 50 đến 150 nm, các tác giả đã hỗ trợ bằng kỹ thuật ptychography 4D-STEM dọc theo hướng độ dày, xác nhận thống kê mật độ không bị biến dạng do chồng lấn hình chiếu.
Điểm hạ cánh quy trình: Oxy hóa hai bước cộng với Đánh bóng mặt sau cộng với Ghép ba Poly
Các biến số từ Phương pháp gốc cộng với SI (Bảng bổ sung 1):
Oxy hóa hai bước: đầu tiên oxy hóa O₂ thành SiO₂ mỏng, sau đó bước thiếu oxy (không cấp oxy). Loại thụ động cần thời gian dòng oxy dài hơn, nhiệt độ cao hơn, lưu lượng lớn hơn và áp suất cao hơn, điều này có lợi cho oxit đồng nhất, đặc chắc.
Khuếch tán POCl₃: nhiệt độ lắng đọng thấp hơn cộng với thời gian ngắn hơn cải thiện kết tinh poly và ngăn chặn lỗ kim loại tái hợp.
Hình thái đánh bóng mặt sau nằm ở thượng nguồn của độ đồng đều độ dày oxit. Cả ba phải được điều chỉnh cùng nhau để ổn định tạo ra Trường hợp 3.
So sánh hiệu suất (Dữ liệu cứng Hình 4)
Mẫu poly-Si/SiOx đối xứng hai mặt (n-Si 1–3 Ω·cm, đánh bóng hai mặt):
τeff: 8,9 ms hiệu suất cao so với 2,96 ms đối chứng (tiêm 5×10¹⁵ cm⁻³)
J₀: 2,6 so với 10,6 fA/cm²
ΔVoc đo được ở 15,9 mV, nhưng chỉ riêng sự khác biệt J₀ giải thích được khoảng 11 mV. Khoảng 5 mV còn lại các tác giả cho là do cải thiện thời gian sống SRH khối. Quá trình ủ tối ưu, trong khi tạo ra lỗ kim thụ động, cũng loại bỏ tạp chất kim loại (trích dẫn công trình POLO 25% của Krügener). Sửa chữa cả giao diện và khối cùng nhau là công thức để vượt qua 25%.
Đối với FF, sự khác biệt chủ yếu đến từ Rs:
Rs: 357 (hiệu suất cao) so với 619 mΩ·cm² (đối chứng), đo bằng Suns-Voc
ρc (TLM): 4,6 so với 5,4 mΩ·cm²
Điểm phản trực giác: theo logic "lỗ kim dày đặc hơn làm giảm ρc", nhiều lỗ kim thụ động hơn trên tấm wafer hiệu suất cao có nghĩa là ρc thấp hơn, và thực tế 4,6 < 5,4. Nhưng các tác giả thêm một bước ngoặt. Gần các lỗ kim loại tái hợp, phốt pho khuếch tán vào wafer, trong khi các loại thụ động bị chặn bởi oxy (cấu hình pha tạp EDS trong Hình bổ sung 10). Vì vậy, cấu hình pha tạp và điện trở tiếp xúc tuân theo hai logic riêng biệt, và bạn không thể giải thích chúng chỉ bằng mật độ lỗ kim.
PL đồng nhất trên toàn bộ wafer, và bản đồ Corescan phân bố Voc cũng duy trì tính đồng nhất trên diện rộng.
Một Dòng cho Ngành Công nghiệp
Bài báo này đẩy giao diện TOPCon từ một câu chuyện nhị phân "oxit nguyên vẹn so với rò rỉ lỗ kim" thành một câu chuyện tam phân: "lỗ kim cũng có thể tốt, miễn là oxy vẫn còn đó". Điều ngành công nghiệp cần làm tiếp theo không phải là ám ảnh về việc không có lỗ kim, mà là điều chỉnh chuỗi đánh bóng mặt sau đến oxy hóa đến lắng đọng poly sao cho lỗ kim mang oxy. Wafer của Daheng ở 25,40% trên 333,3 cm² đã chứng minh con đường này khả thi.
Quan điểm của Ooitech
Điều khiến chúng tôi ấn tượng ở đây là mức độ phụ thuộc của vấn đề này vào chuỗi quy trình, không chỉ thiết kế tế bào. Việc oxy hóa hai bước, điều chỉnh POCl₃ và đánh bóng mặt sau phải phối hợp với nhau chính xác là loại tương tác thường bị mất khi một dây chuyền được lắp ráp rời rạc. Về phía module, chúng tôi thấy cùng một mô hình, nơi dung sai cán màng và đấu dây âm thầm quyết định liệu một tế bào tốt có giữ được Voc của nó hay không. Nếu bạn muốn xem xét kỹ hơn cách các quy trình nhạy cảm với giao diện này chuyển sang một sàn sản xuất thực tế, các video tham quan nhà máy của chúng tôi trên YouTube (www.youtube.com/ooitech) đáng để đăng ký.
