Lubang Jarum pada Sel TOPCon: Jalur Mengejutkan Menuju Efisiensi 26,55%

Ikhtisar

Berikut adalah sesuatu yang membalikkan asumsi lama dalam PV silikon. Para peneliti menemukan bahwa dengan sengaja membiarkan "lubang jarum" tertentu pada lapisan SiOx sel TOPCon dapat mendorong efisiensi hingga 26,55%, bukannya menurunkannya.

Temuan kunci: lubang jarum pada oksida terowongan terbagi menjadi dua keluarga. Satu adalah tipe rekombinasi (kekurangan oksigen, di mana poli-Si bersentuhan langsung dengan c-Si, buruk), yang lainnya adalah tipe pasivasi (oksigen sisa tetap ada, mempasivasi ikatan menggantung sambil tetap memungkinkan tunneling, baik). Tipe pasivasi berukuran sekitar 1,6 ± 0,2 nm × 1,4 ± 0,3 nm pada penampang melintang, dengan kerapatan area 2 × 10¹² cm⁻². Model Fischer menunjukkan bahwa yang menentukan kinerja perangkat bukanlah geometri lubang jarum, tetapi apakah lubang jarum tersebut dipasivasi.

Referensi: Lubang jarum pasivasi untuk sel surya silikon area luas dan efisiensi tinggi dengan kontak pasivasi oksida terowongan, Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2

Latar Belakang Penelitian dan Masalah yang Mengganjal

TOPCon kini menjadi arus utama untuk silikon tipe-n. Runergy mencapai 26,55% pada 335 cm², Jinko menumpuk TOPCon plus perovskite hingga 33,24%, dan n-TOPCon satu sisi memiliki batas teoritis 27,79%. Namun belum ada yang memastikan peran lubang jarum pada lapisan SiOx antarmuka tersebut.

Pandangan tradisional: lubang jarum berarti poli-Si menusuk langsung ke c-Si, pasivasi oksigen gagal, berita buruk.

Kenyataannya lebih rumit. Oksida terlalu tebal (>1,7 nm) mempasivasi dengan baik tetapi tunneling buruk, sehingga FF runtuh. Oksida terlalu tipis (<1,3 nm) berarti lebih banyak lubang jarum, dan sekarang Anda khawatir tentang keruntuhan Voc.

Para penulis membagi ketebalan oksida plus distribusi oksigen menjadi tiga kasus (bagian Pendahuluan):

• Kasus 1: oksida tebal, pasivasi OK, tunneling tidak optimal

• Kasus 2: oksida tipis ditambah penipisan oksigen, menghasilkan lubang jarum tipe rekombinasi ("lubang jarum buruk" klasik)

• Kasus 3: oksida tipis tetapi oksigen masih merembes ke dalam lubang jarum, menghasilkan lubang jarum tipe pasivasi (temuan baru di sini)

Sebelum ini, resolusi HR-TEM tidak cukup baik untuk melihat fitur di bawah 2 nm. Literatur melaporkan diameter lubang jarum 5 nm hingga 200 nm dan densitas 10⁶ hingga 10⁸ cm⁻², yang semuanya hanya "lubang besar". Etching selektif dan c-AFM bergantung pada perbedaan laju etsa antara Si dan SiOx, sehingga daerah dengan sisa oksigen tidak terbuka. Lubang jarum pasivasi secara alami tersaring oleh metode ini. Itulah mengapa Kasus 3 tidak terlihat begitu lama.

Mekanisme: Dua Jenis Lubang Jarum (Gambar 2)

HAADF-STEM terkoreksi aberasi (JEM ARM200F plus Spectra 300, 200/300 kV) memindai antarmuka poly-Si/SiOx/c-Si pada wafer efisiensi tinggi (25,40%) dan kontrol efisiensi rendah (24,07%).

Poin kunci: lubang jarum pada wafer efisiensi tinggi sebenarnya lebih kecil, dan mempertahankan oksigen lebih baik. Semua ukuran satu urutan magnitudo lebih kecil dari yang dilaporkan literatur sebelumnya.

Hasil model kontak titik Fischer (Gbr. 3d dalam aslinya):

• Fraksi area lubang jarum f = πr²/P², tetapi J₀ tidak sensitif terhadap f. Yang benar-benar dominan adalah kecepatan rekombinasi permukaan S di lubang jarum.

• Sekitar f ≈ 0,1, begitu S ≳ 10³ cm/s, J₀ naik tajam, dan jenuh di atas S > 10⁵ cm/s.

• Makna: kunci performa tinggi bukanlah "nol lubang jarum", melainkan "lubang jarum yang dipasivasi". Ini adalah sorotan terbesar dari keseluruhan makalah.

Mengenai densitas, ini adalah sedikit revolusi. Statistik dari irisan ortogonal X-Y pada 40 wafer (efisiensi tinggi dan rendah) memberikan 2 × 10¹² cm⁻² untuk lubang jarum pasivasi dan 3 × 10¹² cm⁻² untuk lubang jarum rekombinasi, 4 hingga 6 orde magnitudo lebih tinggi dari nilai literatur.

Tiga alasan bertumpuk: pertama, konsep berubah, sehingga nanodefek pasivasi yang sebelumnya tersaring menjadi terlihat; kedua, sampelnya adalah wafer yang dioptimalkan secara industri di atas 25%, bukan struktur uji; ketiga, metodenya adalah HAADF tingkat atom, dan pendekatan tidak langsung tidak dapat melihat daerah yang mengandung oksigen di bawah 2 nm. Untuk menjaga terhadap tumpang tindih sepanjang arah berkas dari sampel TEM setebal 50 hingga 150 nm, penulis mendukungnya dengan ptychography 4D-STEM sepanjang arah ketebalan, mengonfirmasi bahwa statistik densitas tidak terdistorsi oleh tumpang tindih proyeksi.

Titik Pendaratan Proses: Oksidasi Dua Langkah ditambah Pemolesan Belakang ditambah Kopling Tiga Poli

Variabel dari Metode asli ditambah SI (Tabel Tambahan 1):

• Oksidasi dua langkah: pertama oksidasi O₂ menjadi SiO₂ tipis, kemudian langkah kekurangan oksigen (tanpa oksigen yang dimasukkan). Tipe pasivasi membutuhkan waktu aliran oksigen yang lebih lama, suhu yang lebih tinggi, aliran yang lebih besar, dan tekanan yang lebih tinggi, yang mendukung oksida yang seragam dan padat.

• Difusi POCl₃: suhu deposisi yang lebih rendah ditambah waktu yang lebih singkat meningkatkan kristalisasi poli dan menekan lubang jarum tipe rekombinasi.

• Morfologi pemolesan belakang berada di hulu keseragaman ketebalan oksida. Ketiganya harus disetel bersama untuk secara stabil menghasilkan Kasus 3.

Perbandingan Performa (Data Keras Gambar 4)

Sampel poli-Si/SiOx simetris dua sisi (n-Si 1–3 Ω·cm, poles dua sisi):

• τeff: 8,9 ms efisiensi tinggi vs 2,96 ms kontrol (injeksi 5×10¹⁵ cm⁻³)

• J₀: 2,6 vs 10,6 fA/cm²

• ΔVoc terukur pada 15,9 mV, tetapi perbedaan J₀ saja hanya menjelaskan ~11 mV. Sisa ~5 mV dikaitkan oleh penulis dengan peningkatan masa pakai SRH bulk. Anil yang dioptimalkan, sambil menciptakan lubang jarum pasivasi, juga getter pengotor logam (mengutip karya POLO 25% Krügener). Memperbaiki antarmuka dan bulk bersama-sama adalah resep untuk melewati 25%.

Untuk FF, perbedaan terutama berasal dari Rs:

• Rs: 357 (efisiensi tinggi) vs 619 mΩ·cm² (kontrol), diukur dengan Suns-Voc

• ρc (TLM): 4,6 vs 5,4 mΩ·cm²

Poin yang kontraintuitif: dengan logika "lubang jarum yang lebih rapat menurunkan ρc", lebih banyak lubang jarum pasivasi pada wafer efisiensi tinggi seharusnya berarti ρc lebih rendah, dan memang 4,6 < 5,4. Namun penulis menambahkan kejutan. Di dekat lubang jarum tipe rekombinasi, fosfor berdifusi ke dalam wafer, sementara tipe pasivasi terhalang oleh oksigen (profil doping EDS pada Gambar Tambahan 10). Jadi profil doping dan resistansi kontak mengikuti dua logika terpisah, dan Anda tidak dapat menjelaskannya hanya dengan kerapatan lubang jarum.

PL seragam di seluruh wafer, dan pemetaan Corescan distribusi Voc juga menunjukkan keseragaman area yang luas.

Satu Baris untuk Industri

Makalah ini mendorong antarmuka TOPCon dari cerita biner "oksida utuh vs kebocoran lubang jarum" menjadi terner: "lubang jarum juga bisa baik, selama oksigen masih ada". Yang perlu dilakukan industri selanjutnya bukanlah terobsesi dengan nol lubang jarum, tetapi menyesuaikan rantai pemolesan belakang ke oksidasi ke deposisi poli sehingga lubang jarum membawa oksigen. Wafer Daheng pada 25,40% di 333,3 cm² telah membuktikan bahwa jalan tersebut berhasil.

Pandangan Ooitech

Yang mencolok di sini adalah seberapa besar hal ini bergantung pada rantai proses, bukan hanya desain sel. Bahwa oksidasi dua langkah, penyesuaian POCl₃, dan pemolesan belakang harus bergerak bersama adalah jenis kopling yang hilang ketika jalur produksi dirakit secara terpisah. Di sisi modul, kami melihat pola yang sama, di mana toleransi laminasi dan stringing secara diam-diam menentukan apakah sel yang baik mempertahankan Voc-nya. Jika Anda ingin melihat lebih dekat bagaimana proses yang sensitif terhadap antarmuka ini diterjemahkan ke lantai produksi nyata, tur pabrik kami di YouTube (www.youtube.com/ooitech) layak untuk di-subscribe.