سوراخهای ریز در سلولهای TOPCon: مسیر شگفتانگیز به بازده 26.55%
فهرست مطالب
بررسی اجمالی
در اینجا چیزی است که یک فرض دیرینه در فتوولتائیک سیلیکونی را زیر و رو میکند. محققان دریافتند که باقی گذاشتن عمدی برخی "حفرهها" در لایه SiOx یک سلول TOPCon میتواند بازده را به 26.55% برساند، به جای کاهش آن.
یافته کلیدی: حفرهها در اکسید تونل به دو خانواده تقسیم میشوند. یکی نوع بازترکیبی (فاقد اکسیژن، جایی که پلی-Si مستقیماً با c-Si تماس میگیرد، بد) و دیگری نوع غیرفعالکننده (اکسیژن باقیمانده پشت سر میماند، پیوندهای آویزان را غیرفعال میکند و در عین حال تونلزنی را امکانپذیر میکند، خوب). نوع غیرفعالکننده حدود 1.6 ± 0.2 نانومتر × 1.4 ± 0.3 نانومتر در مقطع عرضی با چگالی سطحی 2 × 10¹² cm⁻² اندازهگیری میشود. یک مدل فیشر نشان داد که عامل تعیینکننده عملکرد دستگاه، هندسه حفره نیست، بلکه غیرفعال بودن حفره است.
مرجع: غیرفعالسازی حفرهها برای سلولهای خورشیدی سیلیکونی با مساحت بزرگ و بازده بالا با تماس غیرفعال شده با اکسید تونل, Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2
پیشینه تحقیق و مشکل موجود
TOPCon اکنون فناوری اصلی برای سیلیکون نوع n است. Runergy به 26.55% در 335 cm² دست یافت، Jinko TOPCon را با پروسکایت به 33.24% رساند و n-TOPCon یک طرفه سقف نظری 27.79% دارد. اما هیچکس نقش دقیق حفرهها در لایه SiOx واسط را مشخص نکرده بود.
دیدگاه سنتی: حفره به معنای نفوذ مستقیم پلی-Si به c-Si است، غیرفعالسازی اکسیژن شکست میخورد، خبر بد.
واقعیت پیچیدهتر است. اکسید خیلی ضخیم (>1.7 نانومتر) به خوبی غیرفعال میکند اما تونلزنی ضعیفی دارد، بنابراین FF فرو میریزد. اکسید خیلی نازک (<1.3 نانومتر) به معنی حفرههای بیشتر است و اکنون نگران فروپاشی Voc هستید.
نویسندگان ضخامت اکسید به همراه توزیع اکسیژن را به سه حالت تقسیم کردند (بخش مقدمه):
حالت 1: اکسید ضخیم، غیرفعالسازی خوب، تونلزنی بهینه نیست
حالت 2: اکسید نازک به همراه کاهش اکسیژن، ایجاد حفرههای بازترکیبی (حفره بد کلاسیک)
حالت 3: اکسید نازک اما اکسیژن همچنان به داخل حفره نفوذ میکند و حفرههای غیرفعالساز ایجاد میکند (یافته جدید در اینجا)
پیش از این، وضوح HR-TEM برای دیدن ویژگیهای زیر 2 نانومتر کافی نبود. ادبیات علمی قطر حفرهها را 5 تا 200 نانومتر و چگالی 10⁶ تا 10⁸ cm⁻² گزارش کرده بود که همه فقط "حفرههای بزرگ" بودند. اچ انتخابی و c-AFM به تفاوت نرخ اچ بین Si و SiOx متکی هستند، بنابراین مناطقی با اکسیژن باقیمانده به سادگی اچ نمیشوند. حفرههای غیرفعالساز به طور طبیعی توسط این روشها فیلتر میشدند. به همین دلیل حالت 3 برای مدت طولانی نادیده گرفته شد.
مکانیسم: دو نوع حفره (شکل 2)
HAADF-STEM تصحیحشده (JEM ARM200F به همراه Spectra 300، 200/300 kV) سطح مشترک poly-Si/SiOx/c-Si را بر روی یک ویفر با بازده بالا (25.40%) و یک شاهد با بازده پایین (24.07%) اسکن کرد.
| نوع | وضعیت اکسیژن | اندازه (بازده بالا/پایین) | لبه O-K EELS |
|---|---|---|---|
| بازترکیب | کاهش اکسیژن، اتصال مستقیم شبکه poly/c-Si | ویفر با بازده پایین ~1.37 × 1.35 نانومتر | دره عمیق اکسیژن |
| غیرفعالساز | اکسیژن باقیمانده وجود دارد، پیوندهای آزاد غیرفعال شدهاند | ویفر با بازده بالا 1.55 × 1.25 نانومتر | سیگنال اکسیژن هنوز قابل مشاهده است، دره کمعمق اکسیژن |
نکته کلیدی: حفرههای روی ویفر با بازده بالا در واقع کوچکترهستند و اکسیژن را بهتر حفظ میکنند. همه اندازهها یک مرتبه بزرگی کوچکتر از آنچه در ادبیات قبلی گزارش شده است.
نتایج مدل نقطه تماس فیشر (شکل 3d در اصل مقاله):
کسری مساحت حفره f = πr²/P²، اما J₀ به f حساس نیست. آنچه واقعاً غالب است سرعت بازترکیب سطحی S در حفره است.
در حدود f ≈ 0.1، هنگامی که S ≳ 10³ cm/s، J₀ به شدت افزایش مییابد و برای S > 10⁵ cm/s اشباع میشود.
معنی: کلید عملکرد بالا «حفرههای صفر» نیست، بلکه «حفرههایی است که غیرفعال شدهاند». این بزرگترین نکته برجسته کل مقاله است.
از نظر چگالی، این یک انقلاب است. آمار برشهای متعامد X-Y در 40 ویفر (با راندمان بالا و پایین) مقادیر ۲ × ۱۰¹² cm⁻² برای حفرههای غیرفعالکننده و ۳ × ۱۰¹² cm⁻² برای حفرههای بازترکیبی را نشان داد که ۴ تا ۶ مرتبه بزرگی بیشتر از مقادیر گزارششده در ادبیات است.
سه دلیل وجود دارد: اول، مفهوم تغییر کرد، بنابراین نانوعیوبهای غیرفعالکننده که قبلاً غربال میشدند قابل مشاهده شدند؛ دوم، نمونهها ویفرهای صنعتی بهینهشده با راندمان بالای ۲۵٪ هستند، نه ساختارهای آزمایشی؛ سوم، روش HAADF در سطح اتمی است و روشهای غیرمستقیم به سادگی نمیتوانند ناحیه حاوی اکسیژن زیر ۲ نانومتر را ببینند. برای جلوگیری از همپوشانی در جهت پرتو در نمونههای TEM با ضخامت ۵۰ تا ۱۵۰ نانومتر، نویسندگان با استفاده از 4D-STEM ptychography در جهت ضخامت، تأیید کردند که آمار چگالی توسط همپوشانی طرحریزی تحریف نشده است.
نقطه فرود فرآیند: اکسیداسیون دو مرحلهای به همراه پولیش پشتی و جفتسازی سهگانه پلی
متغیرهای روش اصلی به علاوه SI (جدول تکمیلی ۱):
اکسیداسیون دو مرحلهای: ابتدا اکسیداسیون O₂ به SiO₂ نازک، سپس یک مرحله کماکسیژن (بدون تغذیه اکسیژن). نوع غیرفعالکننده به زمان جریان اکسیژن طولانیتر، دمای بالاتر، جریان بیشتر و فشار بالاتر نیاز دارد که به اکسید یکنواخت و متراکم کمک میکند.
نفوذ POCl₃: دمای رسوبگذاری پایینتر به همراه زمان کوتاهتر، تبلور پلی را بهبود میبخشد و حفرههای نوع بازترکیبی را سرکوب میکند.
مورفولوژی پولیش پشتی در بالادست یکنواختی ضخامت اکسید قرار دارد. هر سه باید با هم تنظیم شوند تا به طور پایدار Case 3 تولید شود.
مقایسه عملکرد (دادههای سخت شکل ۴)
نمونههای متقارن دو طرفه پلی-Si/SiOx (n-Si ۱–۳ Ω·cm، پولیش دو طرفه):
τeff: ۸.۹ میلیثانیه برای راندمان بالا در مقابل ۲.۹۶ میلیثانیه برای کنترل (تزریق ۵×۱۰¹⁵ cm⁻³)
J₀: ۲.۶ در مقابل ۱۰.۶ fA/cm²
ΔVoc اندازهگیریشده ۱۵.۹ میلیولت است، اما تفاوت J₀ به تنهایی فقط حدود ۱۱ میلیولت را توضیح میدهد. حدود ۵ میلیولت باقیمانده توسط نویسندگان به بهبود عمر SRH توده نسبت داده میشود. بازپخت بهینه، ضمن ایجاد حفرههای غیرفعالکننده، ناخالصیهای فلزی را نیز جذب میکند (با استناد به کار POLO ۲۵٪ Krügener). رفع همزمان سطح و توده، دستور عبور از ۲۵٪ است.
برای FF، تفاوت عمدتاً از Rs ناشی میشود:
Rs: ۳۵۷ (راندمان بالا) در مقابل ۶۱۹ mΩ·cm² (کنترل)، اندازهگیری Suns-Voc
ρc (TLM): ۴.۶ در مقابل ۵.۴ mΩ·cm²
نکته ضدشهودی: با منطق «سوراخهای متراکمتر ρc را کاهش میدهند»، وجود سوراخهای غیرفعالساز بیشتر روی ویفر با راندمان بالا باید به معنای ρc کمتر باشد، و در واقع 4.6 < 5.4 است. اما نویسندگان یک پیچیدگی اضافه میکنند. در نزدیکی سوراخهای نوع بازترکیبی، فسفر به داخل ویفر نفوذ میکند، در حالی که سوراخهای نوع غیرفعالساز توسط اکسیژن مسدود میشوند (پروفایل دوپینگ EDS در شکل تکمیلی 10). بنابراین پروفایل دوپینگ و مقاومت تماس از دو منطق جداگانه پیروی میکنند و نمیتوان آنها را تنها با تراکم سوراخ توضیح داد.
PL در سراسر ویفر یکنواخت بود و نقشهبرداری Corescan از توزیع Voc نیز یکنواختی در سطح بزرگ را تأیید کرد.
یک خط برای صنعت
این مقاله رابط TOPCon را از یک داستان دوتایی «اکسید سالم در مقابل نشت سوراخ» به یک داستان سهتایی تبدیل میکند: «سوراخها نیز میتوانند خوب باشند، تا زمانی که اکسیژن هنوز وجود دارد». کاری که صنعت باید در مرحله بعد انجام دهد، وسواس بر روی صفر سوراخ نیست، بلکه تنظیم زنجیره پولیش پشتی به اکسیداسیون تا رسوب پلی است تا سوراخها حامل اکسیژن باشند. ویفر Daheng با 25.40% در 333.3 سانتیمتر مربع قبلاً اثبات کرده است که این مسیر کار میکند.
دیدگاه Ooitech
آنچه در اینجا ما را تحت تأثیر قرار میدهد این است که چقدر از این به زنجیره فرآیند بستگی دارد، نه فقط طراحی سلول. این که اکسیداسیون دو مرحلهای، تنظیم POCl₃ و پولیش پشتی باید با هم حرکت کنند، دقیقاً همان نوع وابستگی متقابلی است که وقتی یک خط به صورت تکهتکه مونتاژ میشود، از دست میرود. در سمت ماژول نیز همان الگو را میبینیم، جایی که تلورانسهای لمینیشن و استرینگینگ بیصدا تعیین میکنند که آیا یک سلول خوب Voc خود را حفظ میکند یا خیر. اگر میخواهید نگاهی دقیقتر به نحوه ترجمه این فرآیندهای حساس به رابط به یک طبقه تولید واقعی بیندازید، تورهای کارخانه ما در یوتیوب (www.youtube.com/ooitech) ارزش اشتراکگذاری دارند.
