รูเข็มในเซลล์ TOPCon: เส้นทางที่น่าประหลาดใจสู่ประสิทธิภาพ 26.55%
สารบัญ
ภาพรวม
นี่คือสิ่งที่พลิกสมมติฐานที่มีมายาวนานในเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอน นักวิจัยพบว่าการจงใจทิ้ง "รูพรุน" บางส่วนในชั้น SiOx ของเซลล์ TOPCon สามารถเพิ่มประสิทธิภาพเป็น 26.55% แทนที่จะลดประสิทธิภาพลง
ข้อค้นพบสำคัญ: รูพรุนในออกไซด์อุโมงค์แบ่งออกเป็นสองประเภท ประเภทหนึ่งคือชนิด recombination (ขาดออกซิเจน ซึ่งโพลี-Si สัมผัสกับ c-Si โดยตรง ไม่ดี) อีกประเภทคือชนิดพาสซิเวชัน (ออกซิเจนที่เหลืออยู่ยังคงอยู่ ทำให้พันธะห้อยเป็นพาสซิเวชันในขณะที่ยังอนุญาตให้เกิดอุโมงค์ได้ ดี) ชนิดพาสซิเวชันมีขนาดหน้าตัดประมาณ 1.6 ± 0.2 nm × 1.4 ± 0.3 nm โดยมีความหนาแน่นเชิงพื้นที่ 2 × 10¹² cm⁻² แบบจำลอง Fischer แสดงให้เห็นว่าสิ่งที่กำหนดประสิทธิภาพของอุปกรณ์ไม่ใช่รูปทรงของรูพรุน แต่เป็นว่ารูพรุนถูกพาสซิเวชันหรือไม่
อ้างอิง: การทำให้รูพรุนเป็นพาสซิเวชันสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนพื้นที่ขนาดใหญ่และประสิทธิภาพสูงที่มีหน้าสัมผัสพาสซิเวชันด้วยออกไซด์อุโมงค์, Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2
พื้นหลังการวิจัยและปัญหาที่ติดขัด
TOPCon เป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับซิลิคอนชนิด n ในปัจจุบัน Runergy ทำสถิติ 26.55% บนพื้นที่ 335 cm², Jinko ซ้อน TOPCon กับ perovskite ได้ 33.24% และ n-TOPCon ด้านเดียวมีเพดานทางทฤษฎีที่ 27.79% แต่ไม่มีใครระบุได้แน่ชัดว่ารูพรุนในชั้น SiOx ที่เป็นอินเทอร์เฟซมีบทบาทอย่างไร
มุมมองดั้งเดิม: รูพรุนหมายถึงโพลี-Si เจาะเข้าไปใน c-Si โดยตรง การพาสซิเวชันด้วยออกซิเจนล้มเหลว ข่าวร้าย
ความเป็นจริงซับซ้อนกว่า ออกไซด์หนาเกินไป (>1.7 nm) พาสซิเวชันดีแต่อุโมงค์ไม่ดี ดังนั้น FF ลดลง ออกไซด์บางเกินไป (<1.3 nm) หมายถึงมีรูพรุนมากขึ้น และตอนนี้คุณกังวลว่า Voc จะลดลง
ผู้เขียนแบ่งความหนาของออกไซด์และการกระจายของออกซิเจนออกเป็นสามกรณี (ส่วนบทนำ):
กรณีที่ 1: ออกไซด์หนา, การพาสซิเวชันใช้ได้, การทันเนลลิงไม่เหมาะสม
กรณีที่ 2: ออกไซด์บางร่วมกับการขาดออกซิเจน ทำให้เกิดรูพรุนแบบรีคอมบิเนชัน ("รูพรุนที่ไม่ดี" แบบคลาสสิก)
กรณีที่ 3: ออกไซด์บางแต่ออกซิเจนยังคงซึมเข้าไปในรูพรุน ทำให้เกิดรูพรุนแบบพาสซิเวต (การค้นพบใหม่ที่นี่)
ก่อนหน้านี้ ความละเอียดของ HR-TEM ไม่ดีพอที่จะเห็นคุณสมบัติที่ต่ำกว่า 2 nm วรรณกรรมรายงานเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุน 5 nm ถึง 200 nm และความหนาแน่น 10⁶ ถึง 10⁸ cm⁻² ซึ่งทั้งหมดเป็นเพียง "รูใหญ่" การกัดแบบเลือกและ c-AFM อาศัยความแตกต่างของอัตราการกัดระหว่าง Si และ SiOx ดังนั้นบริเวณที่มีออกซิเจนตกค้างจึงไม่ถูกกัดเปิด รูพรุนแบบพาสซิเวตถูกคัดออกโดยธรรมชาติด้วยวิธีการเหล่านี้ นั่นคือสาเหตุที่กรณีที่ 3 ไม่ถูกค้นพบเป็นเวลานาน
กลไก: รูพรุนสองประเภท (รูปที่ 2)
HAADF-STEM ที่แก้ไขความคลาดเคลื่อน (JEM ARM200F และ Spectra 300, 200/300 kV) สแกนรอยต่อ poly-Si/SiOx/c-Si บนเวเฟอร์ประสิทธิภาพสูง (25.40%) และเวเฟอร์ควบคุมประสิทธิภาพต่ำ (24.07%)
| ประเภท | สถานะออกซิเจน | ขนาด (ประสิทธิภาพสูง/ต่ำ) | EELS O-K edge |
|---|---|---|---|
| การรวมตัวใหม่ | ขาดออกซิเจน, โครงผลึก poly/c-Si เชื่อมต่อโดยตรง | เวเฟอร์ประสิทธิภาพต่ำ ~1.37 × 1.35 nm | หุบเขาออกซิเจนลึก |
| พาสซิเวต | มีออกซิเจนตกค้าง, พันธะห้อยถูกพาสซิเวต | เวเฟอร์ประสิทธิภาพสูง 1.55 × 1.25 nm | สัญญาณออกซิเจนยังคงมองเห็นได้, หุบเขาออกซิเจนตื้น |
ประเด็นสำคัญ: รูพรุนบนเวเฟอร์ประสิทธิภาพสูงนั้น เล็กกว่าและคงออกซิเจนไว้ได้ดีกว่า ขนาดทั้งหมดมีขนาดเล็กกว่าที่รายงานในวรรณกรรมก่อนหน้านี้หนึ่งลำดับความสำคัญ
ผลลัพธ์แบบจำลองจุดสัมผัสของ Fischer (รูปที่ 3d ในต้นฉบับ):
เศษส่วนพื้นที่รูพรุน f = πr²/P² แต่ J₀ ไม่ไวต่อ f สิ่งที่ครอบงำจริงๆ คือความเร็วการรวมตัวที่พื้นผิว S ที่รูพรุน
ประมาณ f ≈ 0.1, เมื่อ S ≳ 10³ cm/s, J₀ จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และจะอิ่มตัวเมื่อ S > 10⁵ cm/s
ความหมาย: กุญแจสู่ประสิทธิภาพสูงไม่ใช่ "ไม่มีรูเข็ม" แต่เป็น "รูเข็มที่ถูกพาสซิเวต" นี่คือจุดเด่นที่สุดของบทความทั้งหมด
ในเรื่องความหนาแน่น นี่ถือเป็นการปฏิวัติ สถิติจากการตัดขวาง X-Y แบบตั้งฉากบนเวเฟอร์ 40 แผ่น (ประสิทธิภาพสูงและต่ำ) ให้ค่า 2 × 10¹² cm⁻² สำหรับรูเข็มแบบพาสซิเวต และ 3 × 10¹² cm⁻² สำหรับรูเข็มแบบรีคอมบิเนชัน ซึ่งสูงกว่าค่าใน文献 4 ถึง 6 อันดับ
สามเหตุผลที่ซ้อนกัน: ประการแรก แนวคิดเปลี่ยนไป ทำให้ nanodefects แบบพาสซิเวตที่เคยถูกคัดออกกลายเป็นสิ่งที่มองเห็นได้; ประการที่สอง ตัวอย่างเป็นเวเฟอร์ที่ผ่านการปรับให้เหมาะสมในอุตสาหกรรมที่มีประสิทธิภาพมากกว่า 25% ไม่ใช่โครงสร้างทดสอบ; ประการที่สาม วิธีที่ใช้คือ HAADF ระดับอะตอม และวิธีการทางอ้อมไม่สามารถมองเห็นบริเวณที่มีออกซิเจนขนาดต่ำกว่า 2 nm ได้ เพื่อป้องกันการซ้อนทับตามทิศทางลำแสงจากตัวอย่าง TEM ที่หนา 50 ถึง 150 nm ผู้เขียนใช้ 4D-STEM ptychography ตามแนวความหนาเพื่อยืนยันว่าสถิติความหนาแน่นไม่ถูกบิดเบือนจากการซ้อนทับของภาพฉาย
จุดลงจอดของกระบวนการ: ออกซิเดชันสองขั้นตอนบวกการขัดหลังบวกการ耦合โพลีสามชั้น
ตัวแปรจาก Methods ดั้งเดิมบวก SI (ตารางเสริม 1):
ออกซิเดชันสองขั้นตอน: ขั้นแรก O₂ ออกซิเดชันเป็น SiO₂ บาง จากนั้นขั้นตอนที่ขาดออกซิเจน (ไม่มีการป้อนออกซิเจน) ชนิดพาสซิเวตต้องการเวลาไหลของออกซิเจนนานกว่า อุณหภูมิสูงกว่า การไหลมากกว่า และความดันสูงกว่า ซึ่งส่งเสริมให้เกิดออกไซด์ที่สม่ำเสมอและหนาแน่น
การแพร่ POCl₃: อุณหภูมิการสะสมต่ำลงบวกเวลาสั้นลงช่วยปรับปรุงการตกผลึกของโพลีและยับยั้งรูเข็มแบบรีคอมบิเนชัน
ลักษณะการขัดหลังอยู่ต้นน้ำของความสม่ำเสมอของความหนาออกไซด์ ทั้งสามต้องปรับร่วมกันเพื่อให้ได้ Case 3 อย่างเสถียร
การเปรียบเทียบประสิทธิภาพ (ข้อมูลจริงจาก Fig. 4)
ตัวอย่างโพลี-Si/SiOx สองด้านสมมาตร (n-Si 1–3 Ω·cm, ขัดสองด้าน):
τeff: 8.9 ms สำหรับประสิทธิภาพสูง เทียบกับ 2.96 ms สำหรับกลุ่มควบคุม (การฉีด 5×10¹⁵ cm⁻³)
J₀: 2.6 เทียบกับ 10.6 fA/cm²
ΔVoc ที่วัดได้คือ 15.9 mV แต่ความแตกต่างของ J₀ เพียงอย่างเดียวอธิบายได้เพียง ~11 mV ส่วนที่เหลือ ~5 mV ผู้เขียนระบุว่าเกิดจากอายุการใช้งาน SRH ใน bulk ที่ดีขึ้น การอบชุบที่เหมาะสม แม้จะสร้างรูเข็มแบบพาสซิเวต แต่ยังช่วย getter สิ่งเจือปนโลหะ (อ้างอิงงาน POLO 25% ของ Krügener) การแก้ไขทั้งอินเทอร์เฟซและ bulk พร้อมกันคือสูตรสำเร็จในการข้าม 25%
สำหรับ FF ความแตกต่างหลักมาจาก Rs:
Rs: 357 (ประสิทธิภาพสูง) เทียบกับ 619 mΩ·cm² (กลุ่มควบคุม), วัดด้วย Suns-Voc
ρc (TLM): 4.6 เทียบกับ 5.4 mΩ·cm²
ประเด็นที่ขัดกับสัญชาตญาณ: ตามตรรกะที่ว่า "รูเข็มที่หนาแน่นกว่าทำให้ ρc ต่ำลง" รูเข็มที่ทำให้เกิดการพาสซิเวชันมากขึ้นบนเวเฟอร์ประสิทธิภาพสูงควรหมายถึง ρc ที่ต่ำกว่า และแน่นอน 4.6 < 5.4 แต่ผู้เขียนเพิ่มความซับซ้อน ใกล้รูเข็มประเภทที่เกิดการรวมตัวกันใหม่ ฟอสฟอรัสจะแพร่เข้าไปในเวเฟอร์ ในขณะที่ประเภทที่ทำให้เกิดการพาสซิเวชันจะถูกบล็อกโดยออกซิเจน (โปรไฟล์การโด๊ปจาก EDS ในรูปที่ 10 เสริม) ดังนั้นโปรไฟล์การโด๊ปและความต้านทานสัมผัสจึงเป็นไปตามตรรกะสองแบบที่แยกจากกัน และคุณไม่สามารถอธิบายได้ด้วยความหนาแน่นของรูเข็มเพียงอย่างเดียว
PL มีความสม่ำเสมอทั่วทั้งเวเฟอร์ และการทำแผนที่ Corescan ของการกระจาย Voc ก็คงความสม่ำเสมอในพื้นที่ขนาดใหญ่เช่นกัน
หนึ่งบรรทัดสำหรับอุตสาหกรรม
บทความนี้ผลักดันอินเทอร์เฟซ TOPCon จากเรื่องราวแบบสองทางเลือก "ออกไซด์ที่สมบูรณ์เทียบกับการรั่วไหลของรูเข็ม" ไปเป็นแบบสามทางเลือก: "รูเข็มก็ดีได้เช่นกัน ตราบใดที่ยังมีออกซิเจนอยู่" สิ่งที่อุตสาหกรรมต้องทำต่อไปไม่ใช่การหมกมุ่นกับรูเข็มเป็นศูนย์ แต่เป็นการปรับแต่งกระบวนการขัดหลัง การออกซิเดชัน และการสะสมโพลี เพื่อให้รูเข็มมีออกซิเจน เวเฟอร์ของ Daheng ที่ประสิทธิภาพ 25.40% บนพื้นที่ 333.3 ซม.² ได้พิสูจน์แล้วว่าเส้นทางนี้ใช้ได้ผล
มุมมองของ Ooitech
สิ่งที่โดดเด่นสำหรับเราที่นี่คือว่าสิ่งนี้ขึ้นอยู่กับห่วงโซ่กระบวนการเป็นอย่างมาก ไม่ใช่แค่การออกแบบเซลล์เท่านั้น การออกซิเดชันสองขั้นตอน การปรับแต่ง POCl₃ และการขัดหลังต้องทำงานร่วมกัน ซึ่งเป็นการเชื่อมโยงที่มักจะสูญหายไปเมื่อสายการผลิตถูกประกอบขึ้นเป็นชิ้นส่วน ในด้านโมดูลเราเห็นรูปแบบเดียวกัน โดยที่ค่าความคลาดเคลื่อนของการเคลือบและการทำสตริงจะกำหนดอย่างเงียบๆ ว่าเซลล์ที่ดีจะคง Voc ไว้ได้หรือไม่ หากคุณต้องการดูรายละเอียดเพิ่มเติมว่ากระบวนการที่ไวต่ออินเทอร์เฟซเหล่านี้ถูกนำไปใช้ในโรงงานผลิตจริงได้อย่างไร การเดินชมโรงงานของเราบน YouTube (www.youtube.com/ooitech) ก็คุ้มค่าที่จะกดติดตาม
