Pinholes em Células TOPCon: O Caminho Surpreendente para Eficiência de 26,55%

Visão Geral

Aqui está algo que inverte uma suposição de longa data em PV de silício. Pesquisadores descobriram que deixar deliberadamente certos "pinholes" na camada de SiOx de uma célula TOPCon pode aumentar a eficiência para 26,55%, em vez de reduzi-la.

A descoberta chave: pinholes no óxido de túnel se dividem em duas famílias. Um é o tipo recombinação (com depleção de oxigênio, onde o poli-Si contacta diretamente o c-Si, ruim), o outro é o tipo passivante (oxigênio residual permanece, passivando ligações pendentes enquanto ainda permite tunelamento, bom). O tipo passivante mede cerca de 1,6 ± 0,2 nm × 1,4 ± 0,3 nm em seção transversal, com uma densidade de área de 2 × 10¹² cm⁻². Um modelo de Fischer mostrou que o que decide o desempenho do dispositivo não é a geometria do pinhole, mas se o pinhole é passivado.

Referência: 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

Contexto da Pesquisa e o Problema Persistente

TOPCon é agora a tecnologia dominante para silício tipo n. Runergy atingiu 26,55% em 335 cm², Jinko empilhou TOPCon com perovskita para 33,24%, e o n-TOPCon de face única tem um teto teórico de 27,79%. Mas ninguém havia determinado o papel exato dos pinholes na camada interfacial de SiOx.

A visão tradicional: pinhole significa que o poli-Si penetra diretamente no c-Si, a passivação por oxigênio falha, más notícias.

A realidade é mais complexa. Óxido muito espesso (>1,7 nm) passiva bem, mas tunela mal, então o FF colapsa. Óxido muito fino (<1,3 nm) significa mais poros, e agora você se preocupa com o colapso do Voc.

Os autores dividiram a espessura do óxido mais a distribuição de oxigênio em três casos (seção Introdução):

• Caso 1: óxido espesso, passivação OK, tunelamento não ideal

• Caso 2: óxido fino mais depleção de oxigênio, gerando poros do tipo recombinação (o clássico "poro ruim")

• Caso 3: óxido fino, mas o oxigênio ainda penetra no poro, gerando poros do tipo passivante (a nova descoberta aqui)

Antes disso, a resolução de HR-TEM não era boa o suficiente para ver características abaixo de 2 nm. A literatura relatava diâmetros de poros de 5 nm a 200 nm e densidades de 10⁶ a 10⁸ cm⁻², que eram todos apenas "grandes buracos". A corrosão seletiva e o c-AFM dependem da diferença de taxa de corrosão entre Si e SiOx, então regiões com oxigênio residual simplesmente não se abrem por corrosão. Os poros passivantes foram naturalmente filtrados por esses métodos. É por isso que o Caso 3 ficou invisível por tanto tempo.

Mecanismo: Dois Tipos de Poro (Figura 2)

HAADF-STEM corrigido por aberração (JEM ARM200F mais Spectra 300, 200/300 kV) escaneou a interface poly-Si/SiOx/c-Si em uma wafer de alta eficiência (25,40%) e um controle de baixa eficiência (24,07%).

Ponto-chave: os poros na wafer de alta eficiência são na verdade menores, e retêm melhor o oxigênio. Todos os tamanhos são uma ordem de magnitude menores do que os relatados anteriormente na literatura.

Resultados do modelo de contato pontual de Fischer (Fig. 3d do original):

• Fração de área de poro f = πr²/P², mas J₀ é insensível a f. O que realmente domina é a velocidade de recombinação superficial S no poro.

• Em torno de f ≈ 0,1, uma vez que S ≳ 10³ cm/s, J₀ sobe abruptamente, e satura acima de S > 10⁵ cm/s.

• Significado: a chave para alto desempenho não é "zero pinholes", é "pinholes que são passivados". Este é o maior destaque de todo o artigo.

Em densidade, isso é uma pequena revolução. Estatísticas de corte ortogonal X-Y em 40 wafers (alta e baixa eficiência) deram 2 × 10¹² cm⁻² para pinholes passivantes e 3 × 10¹² cm⁻² para pinholes de recombinação, 4 a 6 ordens de grandeza maiores que os valores da literatura.

Três razões se acumulam: primeiro, o conceito mudou, então nanodefeitos passivantes anteriormente descartados se tornaram visíveis; segundo, as amostras são wafers industrialmente otimizados acima de 25%, não estruturas de teste; terceiro, o método é HAADF em nível atômico, e abordagens indiretas simplesmente não conseguem ver a região contendo oxigênio abaixo de 2 nm. Para evitar sobreposição ao longo da direção do feixe em amostras TEM de 50 a 150 nm de espessura, os autores reforçaram com pticografia 4D-STEM ao longo da direção da espessura, confirmando que as estatísticas de densidade não são distorcidas pela sobreposição de projeção.

Ponto de Aterrissagem do Processo: Oxidação em Duas Etapas mais Polimento Traseiro mais Acoplamento Triplo de Poli

As variáveis dos Métodos originais mais SI (Tabela Suplementar 1):

• Oxidação em duas etapas: primeiro oxidação com O₂ em SiO₂ fino, depois uma etapa com falta de oxigênio (sem alimentação de oxigênio). O tipo passivante precisa de maior tempo de fluxo de oxigênio, temperatura mais alta, fluxo maior e pressão mais alta, o que favorece um óxido uniforme e denso.

• Difusão de POCl₃: temperatura de deposição mais baixa e tempo mais curto melhoram a cristalização do poli e suprimem pinholes do tipo recombinação.

• A morfologia do polimento traseiro está a montante da uniformidade da espessura do óxido. Todos os três devem ser ajustados juntos para produzir de forma estável o Caso 3.

Comparação de Desempenho (Dados Duros da Fig. 4)

Amostras simétricas de poli-Si/SiOx em ambos os lados (n-Si 1–3 Ω·cm, polidas em ambos os lados):

• τeff: 8,9 ms alta eficiência vs 2,96 ms controle (injeção 5×10¹⁵ cm⁻³)

• J₀: 2,6 vs 10,6 fA/cm²

• ΔVoc medido em 15,9 mV, mas a diferença de J₀ sozinha explica apenas ~11 mV. Os ~5 mV restantes os autores atribuem à melhoria do tempo de vida SRH no bulk. O recozimento otimizado, ao criar pinholes passivantes, também gettera impurezas metálicas (citando o trabalho POLO de 25% de Krügener). Consertar tanto a interface quanto o bulk juntos é a receita para ultrapassar 25%.

Para FF, a diferença vem principalmente de Rs:

• Rs: 357 (alta eficiência) vs 619 mΩ·cm² (controle), medido por Suns-Voc

• ρc (TLM): 4,6 vs 5,4 mΩ·cm²

O ponto contraintuitivo: pela lógica de "pinholes mais densos reduzem ρc", mais pinholes passivantes na wafer de alta eficiência deveriam significar menor ρc, e de fato 4,6 < 5,4. Mas os autores adicionam uma reviravolta. Perto de pinholes do tipo recombinação, o fósforo difunde para dentro da wafer, enquanto os tipos passivantes são bloqueados pelo oxigênio (o perfil de dopagem EDS na Fig. Suplementar 10). Portanto, o perfil de dopagem e a resistência de contato seguem duas lógicas separadas, e você não pode explicá-los apenas pela densidade de pinholes.

A PL foi uniforme em toda a wafer, e o mapeamento Corescan da distribuição de Voc também se manteve para uniformidade em grande área.

Uma Linha para a Indústria

Este artigo empurra a interface TOPCon de uma história binária de "óxido intacto vs vazamento de pinhole" para uma ternária: "pinholes também podem ser bons, desde que o oxigênio ainda esteja lá". O que a indústria precisa fazer a seguir não é obsessão por zero pinholes, mas ajustar a cadeia de polimento traseiro para oxidação para deposição de poli, de modo que os pinholes carreguem oxigênio. A wafer da Daheng a 25,40% em 333,3 cm² já provou que o caminho funciona.

Visão da Ooitech

O que nos chama a atenção aqui é o quanto isso depende da cadeia de processo, não apenas do design da célula. Essa oxidação em duas etapas, ajuste de POCl₃ e polimento traseiro têm que se mover juntos é exatamente o tipo de acoplamento que se perde quando uma linha é montada de forma fragmentada. No lado do módulo, vemos o mesmo padrão, onde as tolerâncias de laminação e stringing decidem silenciosamente se uma boa célula mantém seu Voc. Se você quiser uma visão mais detalhada de como esses processos sensíveis à interface se traduzem em um chão de fábrica real, nossos walkthroughs de fábrica no YouTube (www.youtube.com/ooitech) valem uma inscrição.