Пассивирующие проходы в TOPCon солнечных элементах

Исследователи китайского производителя модулей DAS Solar, Хэбэйского университета и немецкой Forschungszentrum Jülich GmbH обнаружили, что в солнечных элементах TOPCon есть два различных типа точечных дырок (проходов), а именно рекомбинирующие pinholes и пассивирующие pinholes.

Первые pinholes относятся к известному типу, о котором сообщается в литературе, где прямой контакт между поликристаллическим кремнием и кристаллическим кремнием приводит к большому количеству дефектов болтающихся связей, в то время как вторые являются недавно обнаруженным типом проходов, в которызхсохраняется  достаточно кислорода в переходе между поликристаллическим и -кристаллическим кремнием (poly-Si/c-Si).

«Эта уникальная микроструктура отсутствует в кремниевых гетеро-переходных элементах (HJT) или PERC, что указывает на то, что солнечные элементы TOPCon способны достигать более высокой производительности, что согласуется с теоретическими прогнозами», — сказал ведущий автор исследования Денгюань Сонг.

В отличие от рекомбинационных точечных отверстий (pinholes), которые страдают от сильной рекомбинации носителей из-за высокой плотности оборванных связей, пассивирующие точечные дырки сохраняют достаточно кислорода, чтобы эффективно пассивировать эти связи, при этом обеспечивая эффективное туннелирование носителей. «Это означает, что точечные отверстия действительно способствуют переносу носителей, но они не обязательно вредны для пассивации», — продолжил Сонг. ‘Главное заключается не в самих точечных отверстиях, а в том, пассивированы ли они. Этот вывод дает четкое направление для последующего повышения эффективности ячеек TOPCon и еще больше повышает ценность инженерного применения теории пассивирующих точечных отверстий’.

В статье «Пассивирующие точечные отверстия для больших и высокоэффективных кремниевых солнечных элементов TOPCon», опубликованной в Nature Communications, исследователи объяснили, что при промышленном изготовлении солнечных элементов TOPCon задняя щелочная полировка часто производит неровные поверхности, что приводит к неравномерной толщине  оксидного слоя.

Это может привести к трем сценариям: толстый оксидный слой более 1,7 нм обеспечивает отличную пассивацию дефектов, но ограничивает туннелирование носителя; тонкий оксидный слой менее 1,3 нм вызывает недостаточную пастивацию кислорода, образуя вредные рекомбинированные отверстия; и промежуточный тонкий слой может удерживать кислород при контактах решетки, создавая полезные пассивирующие отверстия.

Первые два сценария были тщательно изучены с использованием просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HR-TEM), а также измерений травления и тока, индуцированного электронным лучом (EBIC). HR-TEM выявила толщину оксидов от 1,0 до 2,2 нм и субнанометровые особенности, называемые нанопитами, хотя истинные точечные отверстия все еще сложно идентифицировать. Третий сценарий, включающий пассивацию точечных отверстий, не наблюдался в фотоэлектрических элементах кристаллического кремния до этого нового исследования.

В своих экспериментах ученые использовали просвечивающий электронный микроскоп со сферической аберрацией высокого разрешения (AC-TEM) для проведения атомарно точных наблюдений границы раздела оксид кремния (SiOₓ)/PolySi и получили четкие физические доказательства существования двух типов точечных отверстий.

Используя оптимизированный процесс окисления при химическом осаждении паров низкого давления (LPCVD), в сочетании с индивидуальными методами полировки задней стороны и поли-Си-облачения, исследовательская группа построила солнечные элементы TOPCon 333,3 см² на квазикваровых кремниевых пластинах размером 182 мм × 183,75 мм.

Передняя сторона солнечного элемента имеет стандартную структуру селективного излучателя (SE), состоящую из бор-диффундированных и лазерных областей, пассивирующего слоя оксида алюминия и антиотражающего покрытия нитрида кремния (SiNx). Эта конфигурация обеспечивает отличный допинг-профиль, достигая сопротивления контакта до 1 мΩ·см² и параметром рекомбинации носителя излучателя ниже 5 fA/см².

На задней стороне переход из поликристаллического кремния формируется путем внедрения ультратонкого изолирующего слоя оксида кремния (SiOx) между пластиной кристаллического кремния и слоем сильнолегированного поли-Si. Микроотверстия в слое SiOx классифицируются как обедненные кислородом или обогащенные кислородом, что соответствует рекомбинационным и пассивирующим отверстиям соответственно..

Микроструктура отверстий определяется путем термического окисления при поликристаллическом осаждении кремния LPCVD. Содержание кислорода в пинхолах можно контролировать с помощью температуры окисления, продолжительности и давления. Был принят двухэтапный метод окисления: первоначальное богатое кислородом окисление для формирования тонкого слоя SiO₂, с последующей обработкой с дефицитом кислорода.

Ученые определили высококонтрастные регионы как места отверстий. Спектроскопия потерь энергии STEM-электрона (EELS) показало, что высокоэффективные отверстия поддерживают достаточное количество кислорода на границе poly-Si/c-Si, образуя пассивирующие отверстия с меньшими долинами, истощенными кислородом. Напротив, низкоэффективным солнечным элементам не хватало кислорода в отверстиях, что производило к более крупным долинам, истощенным кислородом, и к обычным рекомбинационным отверстиям. Анализ STEM-энергетической дисперсной спектроскопии (ЭДС) подтвердил эти результаты.

Испытанная в стандартных условиях освещения, чемпионская ячейка с пассивирующими отверстиями смогла достичь эффективности преобразования энергии 25,40% и напряжением холостого хода 738,7 мВ.

«Чтобы повысить эффективность элементов TOPCon, промышленная оптимизация должна быть сосредоточена на полировке задней поверхности, контроле оксидного слоя и обработке поликристаллических слоев для увеличения пассивирующих точечных отверстий, балансировки пассивации интерфейса с туннелированием носителей и достижения более высокого напряжения холостого хода и коэффициента заполнения», — заключил Сонг. «Будущая работа может изучить контролируемое образование пассивирующих точечных отверстий посредством оптимизированного окисления и отжига и применить эти идеи к тандемным ячейкам на основе TOPCon, включая архитектуры TOPCon-BC и перовскит/TOPCon».

Та же исследовательская группа представила в феврале новый метод идентификации горячих точек в обратно контактных солнечных модулях TOPCon. Ранее, в октябре 2025 года, он разработал кремниевый солнечный элемент с новым слоем переноса отверстий (HTL), предназначенным для упрощения производства и снижения затрат.

Источник