الثقوب الدقيقة في خلايا TOPCon: المسار المفاجئ لكفاءة 26.55%
جدول المحتويات
نظرة عامة
إليك ما يقلب افتراضًا طويل الأمد في الطاقة الشمسية السيليكونية. وجد الباحثون أن ترك بعض "الثقوب الدقيقة" عمدًا في طبقة SiOx في خلية TOPCon يمكن أن يرفع الكفاءة إلى 26.55%، بدلاً من خفضها.
النتيجة الرئيسية: تنقسم الثقوب الدقيقة في أكسيد النفق إلى عائلتين. الأولى هي نوع إعادة التركيب (مستنفد الأكسجين، حيث يتلامس البولي سيليكون مباشرة مع السيليكون البلوري، وهذا سيء)، والأخرى هي النوع الممرر (يبقى الأكسجين المتبقي، مما يمرر الروابط الحرة مع السماح بالنفق، وهذا 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: تمرير الثقوب الدقيقة لخلايا شمسية سيليكونية كبيرة المساحة وعالية الكفاءة مع تلامس ممرر بأكسيد النفق، نات كومون 17، 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2
خلفية البحث والمشكلة العالقة
أصبحت TOPCon الآن الاتجاه السائد للسيليكون من النوع n. حققت Runergy 26.55% على مساحة 335 سم²، ورفعت Jinko TOPCon مع البيروفسكايت إلى 33.24%، ولدى n-TOPCon أحادي الجانب سقف نظري يبلغ 27.79%. لكن لم يحدد أحد الدور الفعلي للثقوب الدقيقة في طبقة SiOx البينية.
الرأي التقليدي: الثقب الدقيق يعني أن البولي سيليكون يخترق مباشرة إلى السيليكون البلوري، ويفشل تمرير الأكسجين، وهذا خبر سيء.
الواقع أكثر تعقيدًا. الأكسيد السميك جدًا (>1.7 نانومتر) يمرر جيدًا لكنه ينقل بشكل سيء، لذا ينهار عامل التعبئة. الأكسيد الرقيق جدًا (<1.3 نانومتر) يعني المزيد من الثقوب الدقيقة، والآن تقلق بشأن انهيار جهد الدائرة المفتوحة.
قسم المؤلفون سمك الأكسيد وتوزيع الأكسجين إلى ثلاث حالات (قسم المقدمة):
الحالة 1: أكسيد سميك، التمرير جيد، النقل ليس مثاليًا
الحالة 2: أكسيد رقيق مع استنزاف الأكسجين، مما يعطي ثقوبًا دقيقة من نوع إعادة التركيب (ثقب "السيئ" الكلاسيكي)
الحالة 3: أكسيد رقيق لكن الأكسجين لا يزال يتسرب إلى الثقب الدقيق، مما يعطي ثقوبًا دقيقة من نوع التخميل (الاكتشاف الجديد هنا)
قبل هذا، لم تكن دقة HR-TEM كافية لرؤية الميزات الأصغر من 2 نانومتر. أبلغت الأدبيات عن أقطار ثقوب دقيقة من 5 نانومتر إلى 200 نانومتر وكثافات من 10⁶ إلى 10⁸ سم⁻²، وكلها كانت مجرد "ثقوب كبيرة". يعتمد النقش الانتقائي و c-AFM على فرق معدل النقش بين Si و SiOx، لذا فإن المناطق ذات الأكسجين المتبقي ببساطة لا تُنقش مفتوحة. تم استبعاد الثقوب الدقيقة المخملية بشكل طبيعي بواسطة هذه الطرق. لهذا السبب ظلت الحالة 3 غير مرئية لفترة طويلة.
الآلية: نوعان من الثقوب الدقيقة (الشكل 2)
فحص HAADF-STEM المصحح للانحراف (JEM ARM200F بالإضافة إلى Spectra 300، 200/300 كيلو فولت) 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 | أكسجين متبقٍ موجود، روابط معلقة مخملة | رقاقة عالية الكفاءة 1.55 × 1.25 نانومتر | إشارة الأكسجين لا تزال مرئية، وادي أكسجين ضحل |
النقطة الأساسية: الثقوب الدقيقة 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 نقطة الاتصال فيشر (الشكل 3d في الأصل):
جزء مساحة الثقب الدقيق f = πr²/P²، لكن J₀ غير حساس لـ f. ما يهيمن حقًا هو سرعة إعادة التركيب السطحية S عند الثقب الدقيق.
حول f ≈ 0.1، بمجرد أن S ≳ 10³ سم/ثانية، يرتفع J₀ بشكل حاد، ويشبع فوق S > 10⁵ سم/ثانية.
المعنى: مفتاح الأداء العالي ليس "صفر ثقوب دقيقة"، بل "ثقوب دقيقة مخملة". هذا هو أبرز ما في الورقة بأكملها.
فيما يتعلق بالكثافة، هذا يمثل ثورة إلى حد ما. الإحصائيات من القطع المتعامد X-Y عبر 40 رقاقة (كفاءة عالية ومنخفضة) أعطت 2 × 10¹² سم⁻² للثقوب الممررة المانعة و 3 × 10¹² سم⁻² لثقوب إعادة التركيب، وهي أعلى بأربع إلى ست مرات من القيم المنشورة في الأدبيات.
تتراكم ثلاثة أسباب: أولاً، تغير المفهوم، لذا أصبحت العيوب النانوية المانعة التي تم استبعادها سابقًا مرئية؛ ثانيًا، العينات عبارة عن رقاقات محسّنة صناعيًا بنسبة تزيد عن 25٪، وليست هياكل اختبار؛ ثالثًا، الطريقة هي HAADF على المستوى الذري، والطرق غير المباشرة ببساطة لا يمكنها رؤية المنطقة المحتوية على الأكسجين الأصغر من 2 نانومتر. للحماية من التداخل على طول اتجاه الحزمة من عينات TEM بسمك 50 إلى 150 نانومتر، قام المؤلفون بدعم النتائج باستخدام التصوير المقطعي 4D-STEM على طول اتجاه السماكة، مما يؤكد أن إحصائيات الكثافة ليست مشوهة بسبب تداخل الإسقاط.
نقطة الهبوط في العملية: الأكسدة على خطوتين بالإضافة إلى التلميع الخلفي بالإضافة إلى الاقتران الثلاثي للبولي
المتغيرات من الطرق الأصلية بالإضافة إلى المعلومات الإضافية (الجدول التكميلي 1):
الأكسدة على خطوتين: أولاً أكسدة O₂ إلى SiO₂ رقيق، ثم خطوة محرومة من الأكسجين (بدون تغذية بالأكسجين). النوع المانع يحتاج إلى وقت تدفق أكسجين أطول، ودرجة حرارة أعلى، وتدفق أكبر، وضغط أعلى، مما يفضل أكسيدًا موحدًا وكثيفًا.
انتشار POCl₃: درجة حرارة ترسيب أقل مع وقت أقصر يحسن تبلور البولي ويقمع ثقوب إعادة التركيب.
شكل التلميع الخلفي يقع في مرحلة مبكرة من توحيد سمك الأكسيد. يجب ضبط الثلاثة معًا لإنتاج الحالة 3 بشكل مستقر.
مقارنة الأداء (الشكل 4 بيانات صلبة)
عينات متماثلة من البولي/SiO₂ على الوجهين (n-Si 1-3 أوم·سم، 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/سم²
ΔVoc المقاس عند 15.9 مللي فولت، لكن فرق J₀ وحده يفسر فقط ~11 مللي فولت. أما الـ ~5 مللي فولت المتبقية فيعزوها المؤلفون إلى تحسين عمر SRH في الكتلة. التلدين المحسّن، بينما يخلق ثقوبًا مانعة، يعمل أيضًا على إزالة الشوائب المعدنية (بالاستشهاد بعمل Krügener بنسبة 25٪ POLO). إصلاح الواجهة والكتلة معًا هو الوصفة لعبور 25٪.
بالنسبة لعامل التعبئة، يأتي الفرق بشكل أساسي من Rs:
Rs: 357 (كفاءة عالية) مقابل 619 مللي أوم·سم² (تحكم)، مقاس بـ Suns-Voc
ρc (TLM): 4.6 مقابل 5.4 مللي أوم·سم²
النقطة غير البديهية: وفقًا لمنطق "الثقوب الأكثر كثافة تخفض ρc"، فإن وجود ثقوب تخميل أكثر على الرقاقة عالية الكفاءة يجب أن يعني انخفاض ρc، وبالفعل 4.6 < 5.4. لكن المؤلفين يضيفون تطورًا. بالقرب من الثقوب من نوع إعادة التركيب، ينتشر الفوسفور داخل الرقاقة، بينما تُحجب الأنواع المخمِّلة بواسطة الأكسجين (ملف التطعيم EDS في الشكل التكميلي 10). لذا فإن ملف التطعيم ومقاومة التلامس يتبعان منطقين منفصلين، ولا يمكن تفسيرهما بكثافة الثقوب وحدها.
كان التلألؤ الضوئي موحدًا عبر الرقاقة بأكملها، كما أن مسح Corescan لتوزيع Voc صمد أيضًا من حيث التوحيد على المساحات الكبيرة.
سطر واحد للصناعة
تأخذ هذه الورقة واجهة TOPCon من قصة ثنائية "أكسيد سليم مقابل تسرب الثقوب" إلى قصة ثلاثية: "الثقوب يمكن أن تكون 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. رقاقة Daheng بكفاءة 25.40% على مساحة 333.3 سم² أثبتت بالفعل أن الطريق يعمل.
رؤية Ooitech
ما يلفت انتباهنا هنا هو مدى اعتماد هذا على سلسلة العمليات، وليس فقط تصميم الخلية. تلك الأكسدة على مرحلتين، وضبط POCl₃، والتلميع الخلفي كلها يجب أن تتحرك معًا هو بالضبط نوع الترابط الذي يضيع عندما يتم تجميع خط الإنتاج بشكل مجزأ. على جانب الوحدات نرى نفس النمط، حيث تتحمل تفاوتات التصفيح واللحام بصمت ما إذا كانت الخلية الجيدة تحافظ على Voc. إذا كنت تريد نظرة أقرب على كيفية ترجمة هذه العمليات الحساسة للواجهة إلى أرضية إنتاج حقيقية، فإن جولاتنا في المصانع على YouTube (www.youtube.com/ooitech) تستحق الاشتراك.
