فوق كفاءة 26.3%، ما الذي تبقى لتحسينه في الخلف؟ جهات الاتصال الخلفية من النوع n تسعى إلى التآزر ثنائي الوجه، بينما تتحرك جهات الاتصال الخلفية من النوع p نحو الخلف
جدول المحتويات
فوق كفاءة 26.3%، ما المتبقي لتحسينه على الجزء الخلفي؟
“يا لاو تشانغ، الخلية بكفاءة 26.66% استخدمت هيكلًا خلفيًا كاملًا من النوع p-TOPCon. في ورقة 26.34%، تم تغيير الجزء الأمامي إلى أصابع n-TOPCon موضعية، بينما أصبح الخلفي اتصالًا كامل المساحة من p-TOPCon. هل لا تزال طبقة SiOx/poly-Si المزدوجة كما هي؟”
كان هذا السؤال المتابع من فريق العمليات لدينا بعد أن انتهينا من مناقشة خلية 26.66% بالأمس.
الهيكل الخلفي المزدوج الأساسي منقول تقريبًا من تصميم 26.66%، لكن جانب p-TOPCon يقدم ثلاثة مقابض تعديل لم تلمسها خلية 26.66%. استراتيجية الجانب الأمامي مختلفة تمامًا أيضًا. إنها تبتعد عن باعث البورون عالي المقاومة 430 Ω/□ وتتجه نحو أصابع n-TOPCon الموضعية. هذان نهجان مختلفان جدًا لتقليل إعادة التركيب.
يمكن اعتبار ورقة Gao K. et al. بكفاءة 26.34% كدراسة شقيقة للوصلة الخلفية لعمل 26.66%. قراءتهما معًا تعطي صورة أوضح لما قد يكون مطلوبًا للوصول إلى كفاءة 27%.
Gao, K. et al. “نقاط اتصال عازلة نفقية ثنائية الوجه للخلايا الشمسية السيليكونية والترادفية البيروفسكايت/سيليكون مع كفاءة محسنة.” Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-02007-8
ثلاثة أرقام وراء خلية 26.34%
كفاءة الوصلة المفردة: 26.34% على مساحة 335.5 سم²، بجهد دائرة مفتوحة 743.2 مللي فولت، وعامل تعبئة 85.0%، وكثافة تيار قصير 41.69 مللي أمبير/سم².
كفاءة الترادف: 32.73%، باستخدام خلية علوية من البيروفسكايت بفجوة حزمة 1.68 إلكترون فولت. وصل جهد الترادف إلى 1.961 فولت، بينما بقي 80% من الأداء الأولي بعد 2000 ساعة من تتبع نقطة الطاقة القصوى.
التعريف الهيكلي: أصابع n-TOPCon موضعية أمامية في تصميم الوصلة الخلفية، مدمجة مع تلامس خلفي مزدوج الطبقة من p-TOPCon كامل المساحة. هذا هو في الأساس انعكاس مرآوي لـ TOPCon التقليدي، الذي يستخدم عادة باعث بورون أمامي وتلامس n-TOPCon خلفي.
التلامس الخلفي مزدوج الطبقة: نفس الهيكل، ولكن ثلاث مقابض معالجة مختلفة
التلامس الخلفي بنسبة 26.66% يستخدم SiOx / بولي-Si مخدر خفيف n+ / SiOx / بولي-Si مخدر كثيف n+، مع الفوسفور كمادة مخدرة.
التلامس الخلفي بنسبة 26.34% يستخدم SiOx / بولي-Si p+ بسماكة 36 نانومتر / SiOx / بولي-Si p+ بسماكة 90 نانومتر، مع تخدير البورون.
كلا الهيكلين يتبعان نفس التسلسل الأساسي: SiOx سفلي، بولي-Si داخلي، SiOx وسيط وبولي-Si خارجي. ومع ذلك، يجب على نسخة p-TOPCon التعامل مع مشكلة طويلة الأمد.
واجه p-TOPCon دائمًا مفاضلة بين التخميل والتلامس. يمكن أن يولد البورون عيوبًا أكثر عند واجهة Si/SiO₂ مقارنة بالفوسفور، بينما تعد معالجة تلامس p+ poly-Si أكثر صعوبة بسبب قيود نقل الثقوب والتفاعل الأضعف بين معجون الفضة التقليدي و p+ poly-Si.
| عنصر المقارنة | التلامس الخلفي 26.66%: n-TOPCon كامل المساحة | التلامس الخلفي 26.34%: p-TOPCon كامل المساحة |
|---|---|---|
| قطبية المادة المخدرة | فوسفور، n+ | بورون، p+ |
| سماكة البولي-Si الداخلي/الخارجي | تقريبًا 40 / 60 نانومتر | 36 / 90 نانومتر؛ توفر الطبقة الخارجية السميكة هامشًا أكبر لانتشار البورون والمعالجة المعدنية |
| SiOx وسيط | تقريبًا 1.5 نانومتر، مؤكسد حراريًا عند 620 درجة مئوية | حوالي 1 نانومتر، يتكون عن طريق الأكسدة الحرارية الموضعية عند 650 درجة مئوية؛ أرق لأن حفر الثقوب أصبح أكثر صعوبة على الجانب p+ |
| التلدين | نطاق 880-920 درجة مئوية مقدر في التحليل السابق | التلدين المسبق عند 1050 درجة مئوية لأكثر من 30 ثانية، يحقق بلورة بنسبة 98% ويرفع Voc الضمني إلى 747 مللي فولت |
| معجون الفضة | معجون تقليدي، مقترن بطبقة خارجية غير متبلورة للحد من تغلغل الفضة | معجون معدل بأكسيد الفلز القلوي بنسبة 4% وزناً من Na₂O/K₂O ومسحوق فضة خشن، يقلل مقاومة التلامس إلى 0.55 مللي أوم·سم² |
| مورفولوجيا الخلف | تلميع خلفي تقليدي | تلميع خلفي مسطح لأن p-TOPCon أكثر حساسية لنسيج السطح ويتطلب J₀ أقل |
| الهدف الرئيسي | منع تغلغل الفضة مع الحفاظ على التخميل | منع تغلغل الفضة، وقمع عيوب الواجهة المرتبطة بالبورون وتحسين معدننة p+ poly-Si |
تشمل بيانات العملية المبلغ عنها الأكسدة الخلفية الموضعية عند 650 درجة مئوية، طبقة SiOx وسيطة بحوالي 1 نانومتر، تشويب البورون بتركيز 1 × 10²⁰ سم⁻³، بلورة بنسبة 98% بعد التلدين المسبق عند 1050 درجة مئوية، Voc ضمني 747 مللي فولت، ومقاومة تلامس 0.55 مللي أوم·سم² باستخدام معجون معدل بالفلز القلوي مع مسحوق فضة خشن.
من السهل تفويت تفصيل واحد. طبقة p+ poly-Si الخارجية بسمك 90 نانومتر، أي أكثر سمكاً بنسبة 50% من الطبقة الخارجية التي تبلغ حوالي 60 نانومتر المستخدمة على جانب n-TOPCon.
هذه ليست زيادة عشوائية. البورون لديه قابلية ذوبان صلبة أقل في poly-Si من الفوسفور، لذا يحتاج القسم المشوب بكثافة إلى سمك أكبر لتقليل مقاومة التلامس. في الوقت نفسه، تؤدي خطوة التلدين المسبق عند 1050 درجة مئوية إلى دفع البورون إلى الداخل. تساعد الطبقة الخارجية الأكثر سمكاً في منع البورون من الاختراق وإتلاف طبقة SiOx السفلية.
هذا هو عكس استراتيجية n-TOPCon، حيث يمكن أن تبقى الطبقة الخارجية أرق وأكثر غير متبلورة.
الجانب الأمامي: استراتيجية 430 Ω/□ يتم استبدالها بالتوطين
السؤال الذي تركته الدراسة السابقة هو ما إذا كانت استراتيجية باعث البورون عالي المقاومة 430 Ω/□ ستظل تنطبق على تلامس أمامي n-TOPCon ذي الأصابع.
الإجابة من خلية 26.34% واضحة: لا تنطبق. التصميم ينتقل إلى مسار مختلف.
تستخدم الخلية ذات الكفاءة 26.66% باعثًا أماميًا تقليديًا منتشرًا بالبورون بمقاومة صفائحية 430 Ω/□. تعوض الأصابع المعدنية الدقيقة التي يبلغ عرضها حوالي 10 ميكرومتر عن التوصيل الجانبي الأضعف.
تزيل الخلية ذات الكفاءة 26.34% باعث البورون الأمامي التقليدي وتستبدله بـ أصابع n-TOPCon منقوشة بعرض حوالي 210 ميكرومتر، تاركة البولي سيليكون فقط تحت مناطق التلامس المعدني.
وبالتالي تتغير آلية تقليل إعادة التركيب من تخفيف تركيز المنشطات من خلال مقاومة صفائحية عالية إلى تقليل المساحة المغطاة بالبولي سيليكون.
يتم تعديل النسيج أولاً. يتم استخدام الأوزون و HF لتدوير أطراف الهرم. يقلل ذلك من ضعف التخميل وتآكل عجينة الفضة حول قمم النسيج الحادة.
يتم إدخال مجال حراري متدرج (GTF) في عملية الترسيب الكيميائي بالبخار عند ضغط منخفض (LPCVD). يصل عرض القمة عند نصف الارتفاع لرامان إلى 8.4 سم⁻¹. تشير القيمة المنخفضة إلى تبلور أفضل. يعمل المجال الحراري المتدرج على تحسين تجانس درجة الحرارة العرضي والطولي ويرفع تبلور البولي سيليكون من النوع n+.
يصل تشويب الفوسفور إلى 3.3 × 10²⁰ سم⁻³. هذا أعلى بحوالي مرتبة واحدة من تركيز الفوسفور المستخدم في التلامس الخلفي للخلية 26.66%. تم تصميم الأصابع الأمامية n+ من أجل التوصيل بدلاً من التخميل الكامل المساحة. يتم تنفيذ معظم أعمال التخميل بواسطة التلامس الخلفي p-TOPCon كامل المساحة.
عرض الإصبع حوالي 210 ميكرومتر. يبقى البولي سيليكون تحت المعدن، بينما تُترك المنطقة المنسوجة غير الملامسة مكشوفة. يقلل ذلك بشكل كبير من الامتصاص الطفيلي على الجانب الأمامي مقارنة بتلامس البولي سيليكون كامل المساحة.
ينتمي نهج 430 Ω/□ إلى عصر باعث البورون. في بنية n-TOPCon ذات الأصابع، يتم التحكم في إعادة التركيب من خلال تغطية البولي سيليكون الموضعية، ونسيج السطح المدور، والتبلور المحسن من GTF-LPCVD، بدلاً من مجرد زيادة المقاومة الصفائحية.
يساعد هذا في شرح كيف تصل الخلية ذات الكفاءة 26.34% إلى جهد دائرة مفتوحة 743.2 مللي فولت، بالقرب من 744.6 مللي فولت المبلغ عنها للخلية 26.66%، مع تحقيق تيار دائرة قصر أعلى أيضًا. يقلل التلامس الأمامي الموضعي من الامتصاص الطفيلي الذي قد يبقى في بنية البولي سيليكون الأمامية كاملة المساحة.
مقارنة جنبًا إلى جنب بين تصميمي الأختين بنسبة 26%
تلامسات خلفية مزدوجة الطبقة من SiOx/poly-Si
| الطبقة أو العملية | 26.66% n-TOPCon خلفي | 26.34% p-TOPCon خلفي | السبب الرئيسي للفرق |
|---|---|---|---|
| SiOx سفلي | حوالي 1.3–1.6 نانومتر، يتكون في O₂ عند 620°C | حوالي 1.8 نانومتر، يتكون في الموقع عند 650°C | الجانب من النوع p يحتاج إلى حاجز أقوى ضد اختراق البورون، على الرغم من أن النفق الثقبي أكثر صعوبة |
| بولي-Si داخلي | حوالي 40 نانومتر، مشوب بالفوسفور بشكل خفيف وبلوري عالي | 36 نانومتر، مشوب بالبورون بشكل خفيف | البورون له ذوبانية صلبة أقل؛ طبقة داخلية أرق يمكنها دعم التخميل |
| SiOx وسيط | حوالي 1.5 نانومتر، يتكون في O₂ عند 620°C | حوالي 1 نانومتر، يتكون في الموقع | النفق أكثر تطلبًا على الجانب من النوع p، لذا لا يمكن أن تكون الطبقة المتوسطة سميكة جدًا |
| بولي-Si خارجي | حوالي 60 نانومتر، مشوب بالفوسفور بشكل كثيف وغير بلوري بشكل رئيسي | 90 نانومتر، مشوب بالبورون بشكل كثيف | تعدين p+ بولي-Si أكثر صعوبة، يتطلب طبقة أكثر سمكًا ومعجونًا معدلاً |
| التلدين | حوالي 880–920°C | معالجة حرارية مسبقة عند 1050°C، تصل إلى 98% بلورية | يتطلب البورون درجة حرارة تنشيط أعلى، بينما يجب أن تتحكم العملية أيضًا في عيوب الواجهة المرتبطة بالبورون |
| معجون الفضة | معجون تقليدي مقترن بطبقة خارجية غير بلورية | 4% وزني من أكسيد الفلز القلوي بالإضافة إلى مسحوق فضي خشن | تعدين p+ بولي-Si لا يزال أحد الاختناقات الرئيسية في العملية |
مقارنة الجانب الأمامي
| العنصر | الجانب الأمامي 26.66% | الجانب الأمامي 26.34% |
|---|---|---|
| البنية | باعث منتشر بالبورون على كامل المساحة | أصابع n-TOPCon موضعية بعرض حوالي 210 ميكرومتر |
| استراتيجية التحكم في إعادة التركيب | مقاومة صفائحية عالية 430 Ω/□ لتخفيف التشويب | تغطية بولي-Si مخفضة مع نسيج مدور |
| نسيج السطح | نسيج هرمي مقلوب تقليدي | أهرامات مدورة معالجة بالأوزون وHF |
| ترسيب البولي-سيليكون | غير قابل للتطبيق | GTF-LPCVD مع عرض نصف أقصى لرامان يبلغ 8.4 سم⁻¹ |
| مادة منشطة | بورون | فوسفور بتركيز 3.3 × 10²⁰ سم⁻³ |
ما تقوله الورقتان حول تطوير التلامس الخلفي فوق 26%
الرسالة المجمعة واضحة إلى حد ما.
عند مستوى 25%، كان التركيز على سلوك الثقوب الدقيقة لطبقة الأكسيد. عند مستوى 26%، انتقل التطوير نحو الهياكل المزدوجة SiOx/poly-Si وهندسة التمعدن. فوق 26.3%، تبدأ المسارات في التفرع: تلامسات خلفية n-TOPCon تسعى إلى التآزر الكهربائي ثنائي الوجه، بينما تتحرك تلامسات خلفية p-TOPCon نحو تصميم تقاطع خلفي مع أصابع أمامية موضعية. الأخير قريب بالفعل من بنية BC-TOPCon جزئية.
طبقة SiOx الوسيطة المستخدمة لمنع اختراق الفضة هي ميزة مشتركة لكلا التصميمين الخلفيين ذوي الطبقة المزدوجة. ومع ذلك، يجب على جانب p-TOPCon حل ثلاث مشاكل إضافية:
هناك حاجة إلى خطوة تسخين مسبق عند 1050 درجة مئوية لتنشيط البورون، وزيادة التبلور، وقمع المشاكل المرتبطة بالبورون في الواجهة.
هناك حاجة إلى معجون فضي معدل بأكسيد فلز قلوي لمعالجة التمعدن الصعب لـ p+ poly-Si.
تصبح عملية التلميع والتسوية للجانب الخلفي أكثر أهمية لأن p-TOPCon أكثر حساسية لنسيج السطح وتأثيره على J₀.
لم تكن هذه المشكلات محورية في تصميم n-TOPCon بنسبة 26.66%. ببساطة، التلامس الخلفي المزدوج الطبقة p-TOPCon أكثر صعوبة في التصنيع من نظيره n-TOPCon، لكنه قد يوفر إمكانية Voc أعلى بمجرد التحكم في العملية.
التلامس الخلفي المزدوج الطبقة p-TOPCon في الخلية بنسبة 26.34% وصل إلى Voc ضمني قدره 747 مللي فولت، وهو أعلى قليلاً من مستوى Voc الضمني الإجمالي المقدر الذي تمت مناقشته لتصميم 26.66%.
معلمات خط الإنتاج التي يمكن تطبيقها مباشرة
تحسين التلميع والتسوية للجانب الخلفي. يجب ألا يعالج خط إنتاج p-TOPCon التلميع الخلفي كعملية تحتاج فقط إلى أن تكون "جيدة بما فيه الكفاية". للتسوية تأثير أقوى على J₀ للتلامس الخلفي المزدوج الطبقة p-TOPCon مقارنة بـ n-TOPCon.
تشكيل طبقة SiOx الوسيطة في الموقع بسماكة حوالي 1 نانومتر. نسخ الأكسيد الحراري بسماكة 1.5 نانومتر المستخدم في بنية n-TOPCon بنسبة 26.66% قد يقلل من النفق ويضر بعامل التعبئة على الجانب p-type.
قم بإدخال خطوة التلدين المسبق عند 1050°C. بدون هذه المعالجة، يصعب تحقيق تنشيط البورون وبلورة بنسبة 98%، مما يجعل Voc ضمنيًا بقيمة 747 mV غير محتمل.
استخدم معجون فضي معدل بأكسيد فلز قلوي. تستخدم التركيبة المبلغ عنها 4% وزني من Na₂O/K₂O ومسحوق فضي خشن. مقاومة التلامس 0.55 mΩ·cm² هي هدف صعب لجانب p-TOPCon. يمكن أن يتسبب المعجون التقليدي في ارتفاع مقاومة السلسلة بشكل حاد عند تلامس p+.
تحكم في عرض الإصبع الأمامي عند حوالي 210 μm. يجب أن تواكب دقة النقش بالليزر هندسة التلامس الأضيق. تقليل عرض الإصبع أكثر يمكن أن يقلل الامتصاص الطفيلي مرة أخرى، ولكن يجب إعادة تقييم الضرر الناتج عن الليزر للطبقة المزدوجة.
السؤال التالي لـ BC-TOPCon
هيكل 26.34%، مع أصابع n-TOPCon الأمامية وتلامس خلفي مزدوج الطبقة p-TOPCon كامل المساحة، هو في الأساس نسخة جزئية من BC-TOPCon.
الخطوة المنطقية التالية ستكون توطين تلامس p-TOPCon الخلفي أيضًا، وترتيب أصابع p-type خلفية وأصابع n-type بنمط متشابك. سيخلق ذلك هيكل BC-TOPCon حقيقي.
هذا يثير سؤالًا جديدًا. هل يجب أن تبقى طبقة SiOx الوسيطة في تلامس p-TOPCon الخلفي الموضعي SiO₂ نقيًا، أم يجب استبدالها بـ SiOx المطعمة بالنيتروجين باتباع مسار من نوع OGO لتعزيز التخميل الحقلي؟ خيار آخر هو مكدس AlOx/SiOx، باستخدام التأثير الحقلي لأكسيد الألومنيوم مع تلامس SiOx/poly-Si المزدوج الطبقة.
دراسة 26.34% لم تستكشف هذه المسألة لأن تلامس p-TOPCon الخلفي بقي كامل المساحة ولم يعتمد على تخميل حقلي موضعي. بمجرد أن يصبح التلامس الخلفي p-type على شكل أصابع، قد يصبح الجمع بين تخميل حقلي AlOx وهيكل SiOx/poly-Si مزدوج الطبقة خيارًا جادًا للخطوة التالية.
هناك أيضًا سؤال متعلق بعملية الترادف. الخلية السفلية المستخدمة في الترادف بنسبة 32.73% لها سطح أمامي محكم. تشير المحاكاة في الشكل 1 إلى أن تكوين TOPCon مزدوج الجوانب بأصابع قد يكون له إمكانات ترادفية أعلى من هيكل TOPCon مزدوج الجوانب كامل المساحة.
ولكن كيف يجب التحكم في تجانس التلألؤ الضوئي عبر سطح أمامي محكم مع أصابع n-TOPCon الموضعية؟ يمكن للطاقة الزائدة من الليزر أن تحرق أو تسوي أطراف الهرم محليًا. قد يستهلك ذلك جزءًا من نافذة العملية التي تم إنشاؤها بواسطة معالجة الهرم المدور.
عبر الدراسات الثلاث - من خلية Das Solar بنسبة 25.4% إلى الخلايا بنسبة 26.66% و 26.34% - تطور منطق التلامس الخلفي عبر ثلاثة أجيال: التحكم في الثقوب الصغيرة للأكسيد، الحماية المزدوجة ضد اختراق الفضة، وأخيرًا p-TOPCon مزدوج الطبقة مع معالجة معدنية معدلة بالفلزات القلوية.
رأي Ooitech
نافذة العملية هي عنق الزجاجة الحقيقي هنا. بمجرد أن ينتقل p-TOPCon من تلامس خلفي كامل المساحة إلى أصابع BC موضعية، يجب تحسين مقاومة التلامس، تلف الليزر، تنشيط البورون، وتأثير المجال السلبي كمنظومة واحدة مقترنة. قد تحمي طبقة SiOx الوسيطة الأرق عامل التعبئة، ولكنها تترك أيضًا هامشًا أقل ضد اختراق الفضة وتلف الواجهة الناتج عن البورون. ستكون النتيجة المفيدة التالية هي تلك التي تظهر نافذة التكامل الكاملة هذه على رقاقات بحجم الإنتاج، وليس فقط قيمة كفاءة ذروة.
