Por encima del 26,3% de eficiencia: ¿Qué queda en la parte trasera?
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Respuesta rápida: Por encima del 26,3% de eficiencia celular, la parte frontal de una célula TOPCon está cerca de estar optimizada y el margen restante se encuentra en la parte posterior. Eso es lo que impulsa el cambio hacia contactos posteriores de tipo p de área completa y dedos locales de poli-silicio, que cambian cómo la parte posterior recoge la corriente y cuánta área se destina a la pasivación frente al contacto. Las estructuras medidas implican una pila posterior con capas de aproximadamente 1 nm, 1,5 nm, 36 nm y 90 nm, un contacto de área completa y un paso de proceso posterior cerca de 650 °C, con voltajes de circuito abierto reportados de 1,961 V para los dispositivos analizados. Cada una de esas dimensiones equilibra la resistencia de contacto frente a la recombinación, y el óptimo se desplaza a medida que mejora la parte frontal. En una línea de producción, esto significa que la receta posterior se convierte en una variable activa en lugar de una parte fija del proceso.
Fabricación de módulos fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech
Por encima del 26,3% de eficiencia, ¿qué queda por optimizar en la parte posterior?
“Lao Zhang, la célula del 26,66% utilizó una estructura posterior de tipo p completa. En el artículo del 26,34%, la parte frontal se cambió a dedos n-TOPCon localizados, mientras que la parte posterior se convirtió en un contacto p-TOPCon de área completa. ¿Sigue siendo la misma la pila de doble capa de SiOx/poli-Si?” TOPCon Esa fue la pregunta de seguimiento de nuestro equipo de proceso después de que terminamos de analizar la célula del 26,66% ayer.
La arquitectura básica de doble capa posterior está casi copiada del diseño del 26,66%, pero el lado p-TOPCon introduce tres ajustes que la célula del 26,66% no tocó. La estrategia de la parte frontal también es completamente diferente. Se aleja del emisor de boro de alta resistencia de 430 Ω/□ y se orienta hacia dedos n-TOPCon localizados. Estos son dos enfoques muy diferentes para reducir la recombinación.
El artículo del 26,34% de Gao K. et al. puede considerarse el estudio hermano de unión posterior del trabajo del 26,66%. Leer ambos juntos ofrece una imagen más clara de lo que puede ser necesario para acercarse al 27% de eficiencia.
Gao, K. et al. “Bifacial tunnel oxide passivating contacts for silicon and perovskite/silicon tandem solar cells with improved efficiency.”
Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-02007-8 Tres números detrás de la célula del 26,34%
Gráfico que desglosa las pérdidas de potencia y energía libre para células TOPCon y TOPCon de dedos
en 335,5 cm², con un Voc de 743,2 mV, un FF del 85,0% y una Jsc de 41,69 mA/cm². Eficiencia en tándem: 32,73%
, utilizando una célula superior de perovskita de 1,68 eV. El Voc del tándem alcanzó 1,961 V, mientras que el 80% del rendimiento inicial se mantuvo después de 2.000 horas de seguimiento en el punto de máxima potencia (MPP).Definición estructural:
dedos n-TOPCon localizados en la parte frontal en un diseño de unión posterior, combinados con un contacto posterior p-TOPCon de doble capa de área completa . Esto es esencialmente una inversión especular del TOPCon convencional, que normalmente utiliza un emisor de boro frontal y un contacto n-TOPCon posterior.Contacto posterior de doble capa: el mismo esqueleto, pero tres ajustes de proceso diferentes
El contacto posterior del 26,66% utiliza
SiOx / poli-Si n+ ligeramente dopado / SiOx / poli-Si n+ fuertemente dopado , con fósforo como dopante.El contacto posterior del 26,34% utiliza
SiOx / poli-Si p+ de 36 nm / SiOx / poli-Si p+ de 90 nm , con dopaje de boro.Ambas estructuras siguen la misma secuencia básica: SiOx inferior, poli-Si interno, SiOx intermedio y poli-Si externo. Sin embargo, la versión p-TOPCon debe lidiar con un problema de larga data.
El p-TOPCon siempre ha enfrentado un compromiso entre pasivación y contacto.
El boro puede generar más defectos en la interfaz Si/SiO₂ que el fósforo, mientras que la metalización del poli-Si p+ es más difícil debido a las limitaciones en el transporte de huecos y a la interacción más débil entre la pasta de plata convencional y el poli-Si p+. Elemento de comparación
| Contacto posterior del 26,66%: n-TOPCon de área completa | Contacto posterior del 26,34%: p-TOPCon de área completa | Polaridad del dopante |
|---|---|---|
| Fósforo, n+ | Boro, p+ | Espesor del poli-Si interno / externo |
| Aproximadamente 40 / 60 nm | 36 / 90 nm; la capa externa más gruesa proporciona más margen para la difusión del boro y la metalización | SiOx intermedio |
| Aproximadamente 1,5 nm, oxidado térmicamente a 620 °C | Aproximadamente 1 nm, formado por oxidación térmica in situ a 650 °C; más delgado porque el túnel de huecos ya es más difícil en el lado p+ | Recocido |
| Rango estimado de 880–920 °C en el análisis anterior | Pre-recocido a 1050 °C durante más de 30 segundos, alcanzando un 98% de cristalinidad y elevando el Voc implícito a 747 mV | Pasta de plata |
| Pasta convencional, combinada con una capa amorfa externa para limitar la penetración de Ag | Pasta modificada con óxido de metal alcalino con 4% en peso de Na₂O/K₂O y polvo de plata rugoso, reduciendo la resistividad de contacto a 0,55 mΩ·cm² | Morfología posterior |
| Pulido posterior convencional | Pulido posterior planarizado porque el p-TOPCon es más sensible a la textura superficial y requiere un J₀ más bajo | Objetivo principal |
| Bloquear la penetración de Ag manteniendo la pasivación | Bloquear la penetración de Ag, suprimir los defectos de interfaz relacionados con el boro y mejorar la metalización del poli-Si p+ | Los datos de proceso reportados incluyen oxidación posterior in situ a 650 °C, una capa intermedia de SiOx de aproximadamente 1 nm, dopaje de boro de 1 × 10²⁰ cm⁻³, 98% de cristalinidad después del pre-recocido a 1050 °C, un Voc implícito de 747 mV y una resistividad de contacto de 0,55 mΩ·cm² utilizando una pasta modificada con metal alcalino y polvo de plata rugoso. |
Un detalle es fácil de pasar por alto.
La capa externa de poli-Si p+ tiene 90 nm de espesor, un 50% más gruesa que la capa externa de aproximadamente 60 nm utilizada en el lado n-TOPCon. The outer p+ poly-Si layer is 90 nm thick, 50% thicker than the roughly 60 nm outer layer used on the n-TOPCon side.
Esto no es un aumento arbitrario. El boro tiene una menor solubilidad sólida en el poli-Si que el fósforo, por lo que la sección fuertemente dopada necesita más espesor para reducir la resistividad de contacto. Al mismo tiempo, el paso de pre-recocido a 1050 °C impulsa el boro hacia el interior. Una capa exterior más gruesa ayuda a evitar que el boro penetre y dañe la capa inferior de SiOx.
Eso es lo opuesto a la estrategia n-TOPCon, donde la capa exterior puede permanecer más delgada y más amorfa.
Cara frontal: la estrategia de 430 Ω/□ se sustituye por localización
La pregunta que dejó el estudio anterior era si la estrategia de emisor de boro de alta resistencia de 430 Ω/□ seguiría aplicándose a un contacto frontal n-TOPCon con dedos.
La respuesta de la célula de 26,34 % es clara: no. El diseño pasa a una vía diferente.
La célula de 26,66 % utiliza un emisor frontal convencional difundido con boro con una resistencia de hoja de 430 Ω/□. Los dedos metálicos finos de alrededor de 10 μm compensan la menor conductividad lateral.
La célula de 26,34 % elimina el emisor frontal de boro convencional y lo sustituye por dedos n-TOPCon patronados de aproximadamente 210 μm de ancho, dejando poli-Si solo debajo de las regiones de contacto metálico.
El mecanismo de reducción de la recombinación cambia, por tanto, de diluir la concentración de dopante mediante una alta resistencia de hoja a reducir el área cubierta por poli-Si.
La textura se modifica primero. El ozono y el HF se utilizan para redondear las puntas de las pirámides. Esto reduce la mala pasivación y la corrosión por pasta de plata alrededor de los picos de textura afilados.
Se introduce un campo térmico de gradiente, o GTF, en el LPCVD. El ancho completo a mitad del máximo Raman alcanza 8,4 cm⁻¹. Un valor más bajo indica mejor cristalinidad. El campo térmico de gradiente mejora tanto la uniformidad de temperatura lateral como la vertical y eleva la cristalinidad del poli-Si n+.
El dopaje con fósforo alcanza 3,3 × 10²⁰ cm⁻³. Esto es aproximadamente un orden de magnitud superior a la concentración de fósforo utilizada en el contacto trasero de 26,66 %. Los dedos n+ frontales están diseñados para la conductividad en lugar de para la pasivación de área completa. La mayor parte del trabajo de pasivación lo realiza el contacto p-TOPCon trasero de área completa.
El ancho de los dedos es de aproximadamente 210 μm. El poli-Si permanece bajo el metal, mientras que el área texturizada sin contacto queda descubierta. Esto reduce sustancialmente la absorción parásita en la cara frontal en comparación con un contacto de poli-Si de área completa.
El enfoque de 430 Ω/□ pertenece a la era del emisor de boro. En una estructura n-TOPCon con dedos, la recombinación se controla mediante cobertura localizada de poli-Si, textura superficial redondeada y cristalinidad mejorada por GTF-LPCVD, en lugar de simplemente aumentar la resistencia de hoja.
Esto ayuda a explicar cómo la célula de 26,34 % alcanza un Voc de 743,2 mV, cercano a los 744,6 mV reportados para la célula de 26,66 %, mientras que también logra una Jsc mayor. El contacto frontal localizado reduce la absorción parásita que permanecería en una estructura de poli-Si frontal de área completa.
Comparación lado a lado de los dos diseños hermanos del 26 %
Contactos traseros de doble capa de SiOx/poli-Si
| Capa o proceso | Trasero n-TOPCon de 26,66 % | Trasero p-TOPCon de 26,34 % | Razón principal de la diferencia |
|---|---|---|---|
| SiOx inferior | Aproximadamente 1,3–1,6 nm, formado en O₂ a 620 °C | Aproximadamente 1,8 nm, formado in situ a 650 °C | El lado de tipo p necesita una barrera más fuerte contra la penetración de boro, aunque el túnel de huecos es más difícil |
| Poli-Si interno | Aproximadamente 40 nm, ligeramente dopado con fósforo y altamente cristalino | 36 nm, ligeramente dopado con boro | El boro tiene menor solubilidad sólida; una capa interna más delgada aún puede soportar la pasivación |
| Aproximadamente 1,5 nm, oxidado térmicamente a 620 °C | Aproximadamente 1,5 nm, formado en O₂ a 620 °C | Aproximadamente 1 nm, formado in situ | El túnel es más exigente en el lado de tipo p, por lo que la capa intermedia no puede ser demasiado gruesa |
| Poli-Si externo | Aproximadamente 60 nm, fuertemente dopado con fósforo y principalmente amorfo | 90 nm, fuertemente dopado con boro | La metalización del poli-Si p+ es más difícil, lo que requiere una capa más gruesa y una pasta modificada |
| Rango estimado de 880–920 °C en el análisis anterior | Aproximadamente 880–920 °C | Pre-recocido a 1050 °C, alcanzando 98 % de cristalinidad | El boro requiere una temperatura de activación más alta, mientras que el proceso también debe controlar los defectos de interfaz relacionados con el boro |
| Pasta convencional, combinada con una capa amorfa externa para limitar la penetración de Ag | Pasta convencional combinada con una capa externa amorfa | 4 % en peso de óxido de metal alcalino más polvo de plata grueso | La metalización del poli-Si p+ sigue siendo uno de los principales cuellos de botella del proceso |
Comparación de la cara frontal
| Elemento | Cara frontal de 26,66 % | Cara frontal de 26,34 % |
|---|---|---|
| Estructura | Emisor difundido con boro de área completa | Dedos n-TOPCon localizados de aproximadamente 210 μm de ancho |
| Estrategia de control de recombinación | Alta resistencia de hoja de 430 Ω/□ para diluir el dopaje | Cobertura reducida de poli-Si combinada con textura redondeada |
| Textura superficial | Textura convencional de pirámide invertida | Pirámides redondeadas tratadas con ozono y HF |
| Deposición de poli-Si | No aplicable | GTF-LPCVD con FWHM Raman de 8,4 cm⁻¹ |
| Dopante | Boro | Fósforo a 3,3 × 10²⁰ cm⁻³ |
Lo que dicen los dos artículos sobre el desarrollo del contacto trasero por encima del 26 %
El mensaje combinado es bastante directo.
En el nivel del 25 %, el foco era el comportamiento de los pinholes de la capa de óxido. En el nivel del 26 %, el desarrollo avanzó hacia estructuras de doble capa de SiOx/poli-Si y la ingeniería de metalización. Por encima del 26,3 %, las rutas comienzan a dividirse: los contactos traseros n-TOPCon buscan sinergia eléctrica bifacial, mientras que los contactos traseros p-TOPCon avanzan hacia un diseño de unión trasera con dedos frontales localizados. Este último ya está cerca de una arquitectura parcial BC-TOPCon.
La capa intermedia de SiOx utilizada para bloquear la penetración de plata es una característica compartida por ambos diseños de contacto trasero de doble capa. El lado p-TOPCon, sin embargo, debe resolver tres problemas adicionales:
Se necesita un paso de pre-recocido a 1050 °C para activar el boro, aumentar la cristalinidad y suprimir los problemas de interfaz relacionados con el boro.
Se necesita una pasta de plata modificada con óxido de metal alcalino para abordar la difícil metalización del poli-Si p+.
El pulido y la planarización del lado trasero se vuelven más críticos porque el p-TOPCon es más sensible a la textura superficial y a su efecto sobre J₀.
Estos problemas no eran centrales en el diseño n-TOPCon del 26,66 %. En pocas palabras, el contacto p-TOPCon de doble capa es más difícil de fabricar que su contraparte n-TOPCon, pero puede ofrecer un mayor potencial de Voc una vez que se controle el proceso.
El contacto p-TOPCon trasero de doble capa en la célula del 26,34 % alcanzó un Voc implícito de 747 mV, ligeramente superior al nivel de Voc implícito global estimado que se analizó para el diseño del 26,66 %.
Parámetros de línea de producción que se pueden aplicar directamente
Mejorar el pulido y la planarización del lado trasero. Una línea de producción de p-TOPCon no debería tratar el pulido trasero como un proceso que solo necesita ser “suficientemente bueno”. La planarización tiene una influencia más fuerte sobre el J₀ del contacto p-TOPCon de doble capa que sobre el n-TOPCon.
Formar la capa intermedia de SiOx in situ a aproximadamente 1 nm. Copiar el óxido térmico de 1,5 nm utilizado en la estructura n-TOPCon del 26,66 % puede reducir el túnel y perjudicar el FF en el lado de tipo p.
Introducir un paso de pre-recocido a 1050 °C. Sin este tratamiento, la activación del boro y una cristalinidad del 98 % son difíciles de lograr, lo que hace poco probable un Voc implícito de 747 mV.
Usar una pasta de plata modificada con óxido de metal alcalino. La formulación reportada utiliza 4 % en peso de Na₂O/K₂O y polvo de plata grueso. Una resistividad de contacto de 0,55 mΩ·cm² es un objetivo difícil para el lado p-TOPCon. La pasta convencional puede provocar que la resistencia en serie aumente bruscamente en el contacto p+.
Controlar el ancho de los dedos frontales en aproximadamente 210 μm. La precisión del patrón láser debe mantenerse al ritmo de la geometría de contacto más estrecha. Reducir aún más el ancho de los dedos podría recortar de nuevo la absorción parásita, pero habría que reevaluar el daño del láser a la pila de doble capa.
La siguiente pregunta para BC-TOPCon
La estructura del 26,34 %, con dedos n-TOPCon frontales y un contacto trasero p-TOPCon de doble capa de área completa, es efectivamente una versión parcial de BC-TOPCon.
El siguiente paso lógico sería localizar también el contacto p-TOPCon trasero, disponiendo dedos de tipo p y dedos de tipo n traseros en un patrón interdigitado. Eso crearía una verdadera estructura BC-TOPCon.
Esto plantea una nueva pregunta. ¿Debería la capa intermedia de SiOx en el contacto p-TOPCon trasero localizado seguir siendo SiO₂ puro, o debería reemplazarse por SiOx dopado con nitrógeno siguiendo una ruta de tipo OGO para reforzar la pasivación de campo? Otra opción sería una pila de AlOx/SiOx, utilizando el efecto de campo del óxido de aluminio junto con el contacto de doble capa de SiOx/poli-Si.
El estudio del 26,34 % no exploró este tema porque su contacto p-TOPCon trasero permaneció de área completa y no dependía de la pasivación de campo localizada. Sin embargo, una vez que el contacto trasero de tipo p se convierte en dedos, la combinación de la pasivación de efecto de campo con AlOx y una estructura de doble capa de SiOx/poli-Si puede convertirse en una opción seria para el siguiente paso.
También hay una cuestión de proceso relacionada con el tándem. La célula inferior utilizada en el tándem del 32,73 % tiene una superficie frontal texturizada. Las simulaciones de la Figura 1 indican que una configuración de dedos-TOPCon de doble cara puede tener un mayor potencial en tándem que una estructura TOPCon de doble cara de área completa.
Pero, ¿cómo debería controlarse la uniformidad de la fotoluminiscencia en una superficie frontal texturizada con dedos n-TOPCon localizados? Un exceso de energía láser puede quemar o aplanar localmente las puntas de las pirámides. Eso puede consumir parte de la ventana de proceso creada por el tratamiento de pirámides redondeadas.
A lo largo de los tres estudios —desde la célula Das Solar del 25,4 % hasta las células del 26,66 % y del 26,34 %— la lógica del contacto trasero ha pasado por tres generaciones: control de los poros de óxido, protección de doble capa contra la penetración de plata y, finalmente, p-TOPCon de doble capa combinado con metalización modificada con metal alcalino.
Ooitech cree: las uniones de recombinación de nanocristales de In₂O₃ con ingeniería de superficie combinadas con la ingeniería de HSM en volumen/interfaz han llevado los módulos tándem totalmente de perovskita de gran área a una eficiencia certificada del 26,2 %, acercando decisivamente esta tecnología a la comercialización.
La ventana de proceso es el verdadero cuello de botella aquí. Una vez que el p-TOPCon pasa de un contacto trasero de área completa a dedos BC localizados, la resistividad de contacto, el daño del láser, la activación del boro y la pasivación de efecto de campo tendrán que optimizarse como un sistema acoplado. Una capa intermedia de SiOx más delgada puede proteger el FF, pero también deja menos margen frente a la penetración de plata y el daño de interfaz impulsado por el boro. El siguiente resultado útil será uno que demuestre esta ventana de integración completa en obleas de tamaño de producción, no solo un valor de eficiencia máxima.
Lecturas adicionales y datos de contexto
Material de referencia público sobre este tema, publicado por las organizaciones que mantienen la hoja de ruta tecnológica y los datos de mercado del sector:
