الثقوب الدقيقة في خلايا TOPCon: المسار المفاجئ نحو كفاءة 26.55%
جدول المحتويات
نظرة عامة
إليك ما يقلب افتراضًا طويل الأمد في الخلايا الكهروضوئية السيليكونية. وجد الباحثون أن ترك عمدًا بعض "الثقوب الدقيقة" في طبقة SiOx لخلية TOPCon يمكن أن يرفع الكفاءة إلى 26.55%، بدلاً من خفضها.
النتيجة الرئيسية: تنقسم الثقوب الدقيقة في الأكسيد النفقي إلى عائلتين. الأولى هي نوع إعادة التركيب (مستنفد الأكسجين، حيث يتلامس البولي سيليكون مع السيليكون البلوري مباشرة، سيء)، والثانية هي النوع الممرر (يبقى الأكسجين المتبقي، ممررًا للروابط المعلقة مع السماح بالنفق، جيد). يبلغ قياس النوع الممرر حوالي 1.6 ± 0.2 نانومتر × 1.4 ± 0.3 نانومتر في المقطع العرضي، بكثافة مساحية تبلغ 2 × 10¹² سم⁻². أظهر نموذج فيشر أن ما يحدد أداء الجهاز ليس هندسة الثقب الدقيق، بل ما إذا كان الثقب الدقيق ممررًا.
المرجع: 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
خلفية البحث والمشكلة العالقة
TOPCon هو الآن التيار الرئيسي للسيليكون من النوع n. حققت Runergy 26.55% على مساحة 335 سم²، ودمجت Jinko TOPCon مع البيروفسكايت لتصل إلى 33.24%، ولدى n-TOPCon أحادي الجانب سقف نظري يبلغ 27.79%. لكن لم يحدد أحد الدور الذي تلعبه الثقوب الدقيقة في طبقة SiOx البينية.
الرؤية التقليدية: الثقب الدقيق يعني أن البولي سيليكون يخترق مباشرة إلى السيليكون البلوري، فشل تلبيس الأكسجين، أخبار سيئة.
الواقع أكثر فوضوية. الأكسيد السميك جدًا (>1.7 نانومتر) يمرر جيدًا لكنه ينفق بشكل سيء، لذا ينهار عامل الملء. الأكسيد الرقيق جدًا (<1.3 نانومتر) يعني ثقوبًا أكثر، والآن تقلق من انهيار Voc.
قسم المؤلفون سمك الأكسيد وتوزيع الأكسجين إلى ثلاث حالات (قسم المقدمة):
الحالة 1: أكسيد سميك، تخميل جيد، النفق غير مثالي
الحالة 2: أكسيد رقيق مع استنزاف الأكسجين، مما يعطي ثقوبًا من نوع إعادة التركيب (الثقب السيئ الكلاسيكي)
الحالة 3: أكسيد رقيق لكن الأكسجين لا يزال يتسرب إلى الثقب، مما يعطي ثقوبًا من نوع التخميل (الاكتشاف الجديد هنا)
قبل ذلك، لم تكن دقة HR-TEM كافية لرؤية الميزات تحت 2 نانومتر. ذكرت الأدبيات أقطار ثقوب من 5 نانومتر إلى 200 نانومتر وكثافات من 10⁶ إلى 10⁸ سم⁻²، وكلها كانت مجرد "ثقوب كبيرة". يعتمد النقش الانتقائي وc-AFM على فرق معدل النقش بين Si وSiOx، لذا فإن المناطق التي تحتوي على أكسجين متبقي لا تُفتح بالنقش. تم استبعاد ثقوب التخميل طبيعيًا بهذه الطرق. لهذا السبب ظلت الحالة 3 غير مرئية لفترة طويلة.
الآلية: نوعان من الثقوب (الشكل 2)
قام HAADF-STEM المصحح للانحراف (JEM ARM200F بالإضافة إلى Spectra 300، 200/300 كيلوفولت) بمسح واجهة poly-Si/SiOx/c-Si على رقاقة عالية الكفاءة (25.40%) ورقاقة تحكم منخفضة الكفاءة (24.07%).
| النوع | حالة الأكسجين | الحجم (كفاءة عالية/منخفضة) | حافة O-K لـ EELS |
|---|---|---|---|
| إعادة التركيب | مستنزف الأكسجين، شبكة poly/c-Si متصلة مباشرة | رقاقة منخفضة الكفاءة ~1.37 × 1.35 نانومتر | وادي أكسجين عميق |
| تخميل | وجود أكسجين متبقي، روابط معلقة مخمدة | رقاقة عالية الكفاءة 1.55 × 1.25 نانومتر | إشارة الأكسجين لا تزال مرئية، وادي أكسجين ضحل |
النقطة الرئيسية: الثقوب الموجودة على الرقاقة عالية الكفاءة هي في الواقع أصغر، وتحتفظ بالأكسجين بشكل أفضل. جميع الأحجام أصغر بمرتبة من حيث الحجم مما ذكرته الأدبيات السابقة.
نتائج نموذج الاتصال النقطي لـ Fischer (الشكل 3d في الأصل):
كسر مساحة الثقب f = πr²/P²، لكن J₀ غير حساس لـ f. ما يهيمن حقًا هو سرعة إعادة التركيب السطحية S عند الثقب.
عند f ≈ 0.1، بمجرد أن S ≳ 10³ سم/ث، يرتفع J₀ بشكل حاد، ويشبع فوق S > 10⁵ سم/ث.
المعنى: مفتاح الأداء العالي ليس "عدم وجود ثقوب دقيقة"، بل "ثقوب دقيقة سلبية". هذا هو أبرز ما في الورقة بأكملها.
فيما يتعلق بالكثافة، هذا ثورة إلى حد ما. الإحصائيات من التقطيع المتعامد X-Y عبر 40 رقاقة (عالية الكفاءة ومنخفضة) أعطت 2 × 10¹² سم⁻² للثقوب السلبية و 3 × 10¹² سم⁻² للثقوب المعاد تجميعها، وهي أعلى بمقدار 4 إلى 6 مرات من القيم المنشورة.
ثلاثة أسباب تتراكم: أولاً، تغير المفهوم، لذا أصبحت العيوب النانوية السلبية التي تم استبعادها سابقًا مرئية؛ ثانيًا، العينات عبارة عن رقاقات محسنة صناعيًا بنسبة تزيد عن 25%، وليست هياكل اختبارية؛ ثالثًا، الطريقة هي HAADF على المستوى الذري، والطرق غير المباشرة ببساطة لا تستطيع رؤية المنطقة المحتوية على الأكسجين التي يقل حجمها عن 2 نانومتر. للحماية من التداخل على طول اتجاه الحزمة من عينات TEM بسمك 50 إلى 150 نانومتر، قام المؤلفون بدعم النتائج باستخدام 4D-STEM ptychography على طول اتجاه السمك، مما يؤكد أن إحصائيات الكثافة ليست مشوهة بسبب تداخل الإسقاط.
نقطة الهبوط العملية: أكسدة من خطوتين بالإضافة إلى تلميع خلفي بالإضافة إلى اقتران ثلاثي للبولي
المتغيرات من الطرق الأصلية بالإضافة إلى المعلومات التكميلية (الجدول التكميلي 1):
الأكسدة من خطوتين: أولاً أكسدة O₂ إلى SiO₂ رقيق، ثم خطوة خالية من الأكسجين (لا يتم إدخال أكسجين). النوع السلبي يحتاج إلى وقت تدفق أكسجين أطول، ودرجة حرارة أعلى، وتدفق أكبر، وضغط أعلى، مما يفضل أكسيدًا موحدًا وكثيفًا.
انتشار POCl₃: درجة حرارة ترسيب أقل بالإضافة إلى وقت أقصر يحسن تبلور البولي ويقمع الثقوب الدقيقة من نوع إعادة التجميع.
شكل التلميع الخلفي يقع في المنبع من تجانس سمك الأكسيد. يجب ضبط الثلاثة معًا لإنتاج الحالة 3 بشكل مستقر.
مقارنة الأداء (بيانات صلبة من الشكل 4)
عينات متماثلة من poly-Si/SiOx على الوجهين (n-Si 1–3 Ω·cm، مصقولة على الوجهين):
τeff: 8.9 مللي ثانية للكفاءة العالية مقابل 2.96 مللي ثانية للتحكم (حقن 5×10¹⁵ سم⁻³)
J₀: 2.6 مقابل 10.6 fA/cm²
ΔVoc المقاسة عند 15.9 مللي فولت، لكن فرق J₀ وحده يفسر فقط ~11 مللي فولت. الـ ~5 مللي فولت المتبقية يعزوها المؤلفون إلى تحسين عمر SRH في الكتلة. التلدين المحسن، أثناء إنشاء ثقوب دقيقة سلبية، يعمل أيضًا على إزالة الشوائب المعدنية (بالإشارة إلى عمل Krügener بنسبة 25% POLO). إصلاح كل من الواجهة والكتلة معًا هو الوصفة لعبور 25%.
بالنسبة لـ FF، يأتي الفرق بشكل أساسي من Rs:
Rs: 357 (كفاءة عالية) مقابل 619 mΩ·cm² (تحكم)، مقاسة بـ Suns-Voc
ρc (TLM): 4.6 مقابل 5.4 mΩ·cm²
النقطة غير البديهية: وفقًا لمنطق "الثقوب الأكثر كثافة تقلل ρc"، فإن وجود ثقوب سلبية أكثر على الرقاقة عالية الكفاءة يعني انخفاض ρc، وبالفعل 4.6 < 5.4. لكن المؤلفين يضيفون تطورًا. بالقرب من الثقوب من نوع إعادة التركيب، ينتشر الفوسفور داخل الرقاقة، بينما يتم حظر الأنواع السلبية بواسطة الأكسجين (ملف تعريف التنشيط EDS في الشكل التكميلي 10). لذا فإن ملف تعريف التنشيط ومقاومة التلامس يتبعان منطقين منفصلين، ولا يمكن تفسيرهما بكثافة الثقوب وحدها.
كانت الإضاءة الضوئية (PL) موحدة عبر الرقاقة بأكملها، كما أن مسح Corescan لتوزيع Voc كان متسقًا مع التوحيد على المساحة الكبيرة.
سطر واحد للصناعة
تغير هذه الورقة واجهة TOPCon من قصة ثنائية "أكسيد سليم مقابل تسرب الثقوب" إلى قصة ثلاثية: "يمكن أن تكون الثقوب جيدة أيضًا، طالما أن الأكسجين لا يزال موجودًا". ما تحتاج الصناعة إلى فعله بعد ذلك ليس الهوس بعدم وجود ثقوب، بل ضبط سلسلة التلميع الخلفي إلى الأكسدة إلى ترسيب البولي بحيث تحمل الثقوب الأكسجين. لقد أثبتت رقاقة Daheng بنسبة 25.40% على مساحة 333.3 سم² أن الطريق يعمل.
رؤية Ooitech
ما يلفت انتباهنا هنا هو مدى اعتماد هذا على سلسلة العملية، وليس فقط تصميم الخلية. أن خطوتي الأكسدة، وضبط POCl₃، والتلميع الخلفي يجب أن تتحرك معًا هو بالضبط نوع الاقتران الذي يضيع عندما يتم تجميع الخط بشكل مجزأ. على جانب الوحدة، نرى نفس النمط، حيث تحدد تفاوتات التصفيح والتوصيل بهدوء ما إذا كانت الخلية الجيدة تحتفظ بـ Voc الخاص بها. إذا كنت ترغب في نظرة أقرب على كيفية ترجمة هذه العمليات الحساسة للواجهة إلى أرض الإنتاج الفعلية، فإن جولاتنا في المصنع على YouTube (www.youtube.com/ooitech) تستحق الاشتراك.
