Picaduras en células TOPCon: el camino sorprendente

Respuesta rápida: La investigación sobre células TOPCon ha descubierto que dejar deliberadamente una cantidad controlada de óxido delgado puede mejorar la pasivación en lugar de degradarla, lo que invierte una suposición mantenida durante mucho tiempo. El estudio midió capas de óxido en el rango de 0,2 nm y 0,3 nm frente a una referencia de 1,7 nm, y encontró que el óxido más delgado, retenido deliberadamente, no simplemente añadía resistencia. El óxido túnel en una célula TOPCon tiene que ser lo suficientemente delgado para que los portadores puedan tunelar a través de él y lo suficientemente grueso para pasivar la superficie, y el objetivo convencional se sitúa en uno o dos nanómetros. Lo que sugiere el resultado es que el límite es menos nítido de lo que se suponía, y que el estado químico de la interfaz importa tanto como el espesor. Para una línea de producción, eso desplaza la atención hacia el control de la interfaz en lugar de solo el espesor.

Fabricación de módulos fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech

Descripción general

Aquí hay algo que invierte una suposición mantenida durante mucho tiempo en la fotovoltaica de silicio. Los investigadores descubrieron que dejar deliberadamente ciertos "microporos" en la capa de SiOx de una célula TOPCon puede elevar la eficiencia hasta el 26,55%, en lugar de reducirla.

El hallazgo clave: los microporos en el óxido túnel se dividen en dos familias. Una es el tipo de recombinación (empobrecido en oxígeno, donde el poli-Si contacta directamente con el c-Si, malo), la otra es el tipo pasivante (el oxígeno residual permanece, pasivando los enlaces libres mientras aún permite el tunelamiento, bueno). El tipo pasivante mide aproximadamente 1,6 ± 0,2 nm × 1,4 ± 0,3 nm en sección transversal, con una densidad superficial de 2 × 10¹² cm⁻². Un modelo de Fischer mostró que lo que decide el rendimiento del dispositivo no es la geometría del microporo, sino si el microporo está pasivado.

Referencia: 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

Antecedentes de la investigación y el problema que persistía

TOPCon es ahora el corriente principal para el silicio tipo n. Runergy alcanzó el 26,55% en 335 cm², Jinko apiló TOPCon más perovskita hasta el 33,24%, y el n-TOPCon de una sola cara tiene un techo teórico del 27,79%. Pero nadie había determinado qué papel desempeñan realmente los microporos en esa capa interfacial de SiOx.

La visión tradicional: microporo significa que el poli-Si penetra directamente en el c-Si, la pasivación por oxígeno falla, malas noticias.

La realidad es más desordenada. Óxido demasiado grueso (>1,7 nm) pasiva bien pero tunela mal, por lo que el FF se derrumba. Óxido demasiado delgado (<1,3 nm) significa más microporos, y ahora te preocupas por el colapso del Voc.

Los autores dividieron el espesor del óxido más la distribución de oxígeno en tres casos (la sección de Introducción):

• Caso 1: óxido grueso, pasivación correcta, tunelamiento no óptimo

• Caso 2: óxido delgado más empobrecimiento de oxígeno, dando microporos de tipo recombinación (el clásico "microporo malo")

• Caso 3: óxido delgado pero el oxígeno aún se filtra en el microporo, dando microporos de tipo pasivante (el nuevo hallazgo aquí)

Antes de esto, la resolución del HR-TEM no era lo suficientemente buena para ver características por debajo de 2 nm. La literatura reportaba diámetros de microporos de 5 nm a 200 nm y densidades de 10⁶ a 10⁸ cm⁻², que eran todos simplemente "agujeros grandes". El grabado selectivo y el c-AFM dependen de la diferencia de velocidad de grabado entre el Si y el SiOx, por lo que las regiones con oxígeno residual simplemente no se graban. Los microporos pasivantes fueron naturalmente descartados por estos métodos. Por eso el Caso 3 pasó desapercibido durante tanto tiempo.

Mecanismo: dos tipos de microporo (Figura 2)

El HAADF-STEM corregido por aberración (JEM ARM200F más Spectra 300, 200/300 kV) escaneó la interfaz poli-Si/SiOx/c-Si en una oblea de alta eficiencia (25,40%) y un control de baja eficiencia (24,07%).

Punto clave: los microporos en la oblea de alta eficiencia son en realidad más pequeños, y retienen mejor el oxígeno. Todos los tamaños son un orden de magnitud más pequeños de lo que reportaba la literatura anterior.

Los resultados del modelo de contacto puntual de Fischer (Fig. 3d en el original):

• Fracción de área de microporos f = πr²/P², pero J₀ es insensible a f. Lo que realmente domina es la velocidad de recombinación superficial S en el microporo.

• Alrededor de f ≈ 0,1, una vez que S ≳ 10³ cm/s, J₀ sube abruptamente, y se satura por encima de S > 10⁵ cm/s.

• Significado: la clave para un alto rendimiento no es "cero microporos", sino "microporos que estén pasivados". Este es el mayor destacado de todo el artículo.

En cuanto a la densidad, esto es un poco revolucionario. Las estadísticas de cortes ortogonales X-Y en 40 obleas (alta más baja eficiencia) dieron 2 × 10¹² cm⁻² para microporos pasivantes y 3 × 10¹² cm⁻² para microporos de recombinación, de 4 a 6 órdenes de magnitud más altos que los valores de la literatura.

Se acumulan tres razones: primero, el concepto cambió, por lo que los nanodefectos pasivantes previamente descartados se volvieron visibles; segundo, las muestras son obleas optimizadas industrialmente por encima del 25%, no estructuras de prueba; tercero, el método es HAADF a nivel atómico, y los enfoques indirectos simplemente no pueden ver la región que contiene oxígeno por debajo de 2 nm. Para protegerse contra la superposición a lo largo de la dirección del haz en muestras TEM de 50 a 150 nm de espesor, los autores respaldaron con pticografía 4D-STEM a lo largo de la dirección del espesor, confirmando que las estadísticas de densidad no están distorsionadas por la superposición de proyección.

Punto de aplicación en el proceso: oxidación en dos pasos más pulido posterior más triple acoplamiento de poli

Las variables de los Métodos originales más la SI (Tabla complementaria 1):

• Oxidación en dos pasos: primero oxidación con O₂ para formar SiO₂ delgado, luego un paso con escasez de oxígeno (sin suministro de oxígeno). El tipo pasivante necesita un tiempo de flujo de oxígeno más largo, mayor temperatura, mayor flujo y mayor presión, lo que favorece un óxido uniforme y denso.

• Difusión de POCl₃: una temperatura de deposición más baja y un tiempo más corto mejoran la cristalización del poli y suprimen los pinholes de tipo recombinación.

• La morfología del pulido posterior está aguas arriba de la uniformidad del espesor del óxido. Los tres deben ajustarse juntos para producir de forma estable el Caso 3.

Comparación de rendimiento (datos sólidos de la Fig. 4)

Muestras simétricas de poli-Si/SiOx de doble cara (n-Si 1–3 Ω·cm, pulido por ambas caras):

• τeff: 8,9 ms de alta eficiencia frente a 2,96 ms del control (inyección 5×10¹⁵ cm⁻³)

• J₀: 2,6 frente a 10,6 fA/cm²

• ΔVoc medido en 15,9 mV, pero la diferencia de J₀ por sí sola explica solo ~11 mV. Los ~5 mV restantes los atribuyen los autores a una mejor vida útil volumétrica SRH. El recocido optimizado, además de crear pinholes pasivantes, también getteriza impurezas metálicas (citando el trabajo POLO del 25% de Krügener). Arreglar tanto la interfaz como el volumen a la vez es la receta para superar el 25%.

En cuanto al FF, la diferencia proviene principalmente de Rs:

• Rs: 357 (alta eficiencia) frente a 619 mΩ·cm² (control), medido con Suns-Voc

• ρc (TLM): 4,6 frente a 5,4 mΩ·cm²

El punto contraintuitivo: según la lógica de "más pinholes densos reducen ρc", más pinholes pasivantes en la oblea de alta eficiencia deberían implicar un ρc menor, y de hecho 4,6 < 5,4. Pero los autores añaden un matiz. Cerca de los pinholes de tipo recombinación, el fósforo difunde hacia la oblea, mientras que los de tipo pasivante quedan bloqueados por el oxígeno (el perfil de dopaje EDS en la Fig. 10 suplementaria). Así, el perfil de dopaje y la resistencia de contacto siguen dos lógicas separadas, y no se pueden explicar solo por la densidad de pinholes.

La PL fue uniforme en toda la oblea, y el mapeo Corescan de la distribución de Voc también se mantuvo para la uniformidad en gran área.

Una frase para la industria

Este artículo lleva la interfaz de TOPCon de una historia binaria de "óxido intacto frente a fuga por pinholes" a una ternaria: "los pinholes también pueden ser buenos, siempre que el oxígeno siga ahí". Lo que la industria necesita hacer a continuación no es obsesionarse con cero pinholes, sino ajustar la cadena de pulido posterior a oxidación a deposición de poli para que los pinholes lleven oxígeno. La oblea de Daheng al 25,40% en 333,3 cm² ya ha demostrado que el camino funciona.

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.

Lo que nos llama la atención aquí es cuánto de esto depende de la cadena de proceso, no solo del diseño de la célula. Que la oxidación en dos pasos, el ajuste del POCl₃ y el pulido posterior tengan que moverse juntos es exactamente el tipo de acoplamiento que se pierde cuando una línea se ensambla de forma fragmentada. En el lado del módulo vemos el mismo patrón, donde las tolerancias de laminación y stringing deciden silenciosamente si una buena célula conserva su Voc. Si quieres ver más de cerca cómo estos procesos sensibles a la interfaz se trasladan a una planta de producción real, nuestros recorridos por fábricas en YouTube (www.youtube.com/ooitech) merecen una suscripción.