Über 26,3 % Wirkungsgrad: Was bleibt auf der Rückseite zu optimieren? n-Typ-Rückkontakte streben bifaziale Synergie an, während p-Typ-Rückkontakte sich in Richtung Bac bewegen
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Über 26,3% Wirkungsgrad: Was bleibt auf der Rückseite zu optimieren?
„Lao Zhang, die 26,66%-Zelle verwendete eine vollflächige p-Typ-TOPCon-Rückstruktur. In der 26,34%-Veröffentlichung wurde die Vorderseite auf lokalisierte n-TOPCon-Finger geändert, während die Rückseite zu einem vollflächigen p-TOPCon-Kontakt wurde. Ist der Doppelschicht-SiOx/poly-Si-Stapel immer noch derselbe?“
Das war die Folgefrage unseres Prozessteams, nachdem wir gestern die 26,66%-Zelle besprochen hatten.
Die grundlegende rückseitige Doppelschicht-Architektur ist fast eine Kopie des 26,66%-Designs, aber die p-TOPCon-Seite führt drei Einstellmöglichkeiten ein, die die 26,66%-Zelle nicht berührte. Die Frontseitenstrategie ist ebenfalls völlig anders. Sie entfernt sich vom 430 Ω/□ hochohmigen Bor-Emittenten und bewegt sich zu lokalisierten n-TOPCon-Fingern. Dies sind zwei sehr unterschiedliche Ansätze zur Reduzierung der Rekombination.
Die 26,34%-Veröffentlichung von Gao K. et al. kann als die Rückkontakt-Schwesterstudie der 26,66%-Arbeit betrachtet werden. Das gemeinsame Lesen beider ergibt ein klareres Bild davon, was erforderlich sein könnte, um sich 27% Wirkungsgrad zu nähern.
Gao, K. et al. „Bifaziale Tunneloxid-Passivierungskontakte für Silizium- und Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen mit verbesserter Effizienz.“ Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-02007-8
Drei Zahlen hinter der 26,34%-Zelle
Einzel-Junction-Effizienz: 26,34% auf 335,5 cm², mit einer Voc von 743,2 mV, FF von 85,0% und Jsc von 41,69 mA/cm².
Tandem-Effizienz: 32,73%, unter Verwendung einer 1,68 eV Perowskit-Oberzelle. Die Tandem-Voc erreichte 1,961 V, während 80% der anfänglichen Leistung nach 2.000 Stunden MPP-Tracking erhalten blieben.
Strukturelle Definition: vorderseitige lokalisierte n-TOPCon-Finger in einem Rückkontakt-Layout, kombiniert mit einem vollflächigen Doppelschicht-p-TOPCon-Rückkontakt. Dies ist im Wesentlichen eine Spiegelinversion des konventionellen TOPCon, das normalerweise einen vorderseitigen Bor-Emitter und einen rückseitigen n-TOPCon-Kontakt verwendet.
Rückseitiger Doppelschicht-Kontakt: Das gleiche Grundgerüst, aber drei verschiedene Prozessparameter
Der 26,66% Rückkontakt verwendet SiOx / schwach dotiertes n+ poly-Si / SiOx / stark dotiertes n+ poly-Si, mit Phosphor als Dotierstoff.
Der 26,34% Rückkontakt verwendet SiOx / p+ poly-Si bei 36 nm / SiOx / p+ poly-Si bei 90 nm, mit Bor-Dotierung.
Beide Strukturen folgen der gleichen grundlegenden Abfolge: unteres SiOx, inneres poly-Si, mittleres SiOx und äußeres poly-Si. Die p-TOPCon-Version muss jedoch ein langjähriges Problem bewältigen.
p-TOPCon hatte schon immer einen Zielkonflikt zwischen Passivierung und Kontakt. Bor kann an der Si/SiO₂-Grenzfläche mehr Defekte erzeugen als Phosphor, während die Metallisierung von p+ poly-Si aufgrund von Lochtransportbeschränkungen und der schwächeren Wechselwirkung zwischen konventioneller Silberpaste und p+ poly-Si schwieriger ist.
| Vergleichsmerkmal | 26,66% Rückkontakt: vollflächiger n-TOPCon | 26,34% Rückkontakt: vollflächiger p-TOPCon |
|---|---|---|
| Dotierstoff-Polarität | Phosphor, n+ | Bor, p+ |
| Innere / äußere poly-Si-Dicke | Ca. 40 / 60 nm | 36 / 90 nm; die dickere äußere Schicht bietet mehr Spielraum für Bordiffusion und Metallisierung |
| Mittleres SiOx | Ca. 1,5 nm, thermisch oxidiert bei 620°C | Etwa 1 nm, gebildet durch in-situ thermische Oxidation bei 650°C; dünner, da das Loch-Tunneln auf der p+-Seite bereits schwieriger ist |
| Ausheizen | Geschätzter Bereich von 880–920°C in der vorherigen Analyse | Vor-Ausheizen bei 1050°C für mehr als 30 Sekunden, Erreichen von 98% Kristallinität und Steigerung der impliziten Voc auf 747 mV |
| Silberpaste | Konventionelle Paste, kombiniert mit einer äußeren amorphen Schicht, um Ag-Eindringen zu begrenzen | Alkalimetalloxid-modifizierte Paste mit 4 Gew.-% Na₂O/K₂O und rauem Silberpulver, Reduzierung des Kontaktwiderstands auf 0,55 mΩ·cm² |
| Rückseitenmorphologie | Konventionelles Rückseitenpolieren | Planarisiertes Rückseitenpolieren, da p-TOPCon empfindlicher auf Oberflächentextur reagiert und ein niedrigeres J₀ erfordert |
| Hauptziel | Ag-Eindringen blockieren und gleichzeitig die Passivierung aufrechterhalten | Ag-Eindringen blockieren, borbezogene Grenzflächendefekte unterdrücken und die p+ poly-Si Metallisierung verbessern |
Die berichteten Prozessdaten umfassen in-situ Rückseitenoxidation bei 650°C, eine etwa 1 nm dicke intermediate SiOx-Schicht, Bordotierung von 1 × 10²⁰ cm⁻³, 98% Kristallinität nach 1050°C Vor-Ausheizen, eine implizite Voc von 747 mV und einen Kontaktwiderstand von 0,55 mΩ·cm² unter Verwendung einer alkalimetallmodifizierten Paste mit rauem Silberpulver.
Ein Detail ist leicht zu übersehen. Die äußere p+ poly-Si Schicht ist 90 nm dick, 50% dicker als die etwa 60 nm dicke äußere Schicht auf der n-TOPCon-Seite.
Dies ist keine willkürliche Erhöhung. Bor hat eine geringere Löslichkeit in poly-Si als Phosphor, daher benötigt der stark dotierte Abschnitt mehr Dicke, um den Kontaktwiderstand zu reduzieren. Gleichzeitig treibt der 1050°C Vor-Ausheizschritt Bor nach innen. Eine dickere äußere Schicht hilft, das Eindringen von Bor und die Beschädigung der unteren SiOx-Schicht zu verhindern.
Das ist das Gegenteil der n-TOPCon-Strategie, bei der die äußere Schicht dünner und amorpher bleiben kann.
Vorderseite: Die 430 Ω/□-Strategie wird durch Lokalisierung ersetzt
Die Frage, die die vorherige Studie offen ließ, war, ob die 430 Ω/□-Hochwiderstands-Bor-Emittersstrategie auch für einen gefingerten n-TOPCon-Frontkontakt gelten würde.
Die Antwort der 26,34%-Zelle ist klar: sie tut es nicht. Das Design schlägt einen anderen Weg ein.
Die 26,66 % Zelle verwendet einen konventionellen bordiffundierten Frontemitter mit einem Schichtwiderstand von 430 Ω/□. Feine Metallfinger von etwa 10 μm kompensieren die schwächere laterale Leitfähigkeit.
Die 26,34 % Zelle entfernt den konventionellen Bor-Frontemitter und ersetzt ihn durch strukturierte n-TOPCon-Finger mit einer Breite von etwa 210 μm, wobei poly-Si nur unter den Metallkontaktbereichen verbleibt.
Der Mechanismus zur Rekombinationsreduktion ändert sich daher von der Verdünnung der Dotierstoffkonzentration durch einen hohen Schichtwiderstand hin zur Reduzierung der von poly-Si bedeckten Fläche.
Die Textur wird zuerst modifiziert. Ozon und HF werden verwendet, um die Pyramidenspitzen abzurunden. Dies reduziert schlechte Passivierung und Silberpaste-Korrosion um scharfe Texturspitzen.
Ein Gradienten-Temperaturfeld (GTF) wird in LPCVD eingeführt. Die Raman-Halbwertsbreite erreicht 8,4 cm⁻¹. Ein niedrigerer Wert zeigt eine bessere Kristallinität an. Das Gradienten-Temperaturfeld verbessert sowohl die laterale als auch die vertikale Temperaturgleichmäßigkeit und erhöht die Kristallinität des n+ poly-Si.
Die Phosphordotierung erreicht 3,3 × 10²⁰ cm⁻³. Dies ist etwa eine Größenordnung höher als die Phosphorkonzentration, die im 26,66 % Rückkontakt verwendet wird. Die vorderen n+ Finger sind für Leitfähigkeit und nicht für vollflächige Passivierung ausgelegt. Der Großteil der Passivierungsarbeit wird vom vollflächigen rückseitigen p-TOPCon-Kontakt übernommen.
Die Fingerbreite beträgt etwa 210 μm. Poly-Si bleibt unter dem Metall, während der nicht kontaktierte texturierte Bereich unbedeckt bleibt. Dies reduziert die parasitäre Absorption auf der Vorderseite im Vergleich zu einem vollflächigen poly-Si-Kontakt erheblich.
Der 430 Ω/□-Ansatz gehört zur Ära der Bor-Emittoren. In einer gefingerten n-TOPCon-Struktur wird die Rekombination gesteuert durch lokalisierte poly-Si-Bedeckung, abgerundete Oberflächentextur und verbesserte Kristallinität durch GTF-LPCVD, anstatt einfach den Schichtwiderstand zu erhöhen.
Dies hilft zu erklären, wie die 26,34 % Zelle eine Voc von 743,2 mV erreicht, nahe an den 744,6 mV der 26,66 % Zelle, während sie gleichzeitig einen höheren Jsc erzielt. Der lokalisierte Frontkontakt reduziert die parasitäre Absorption, die in einer vollflächigen Front-poly-Si-Struktur verbleiben würde.
Seitenweise Vergleich der beiden 26 % Schwesterdesigns
Rückseitige Doppelschicht SiOx/poly-Si-Kontakte
| Schicht oder Prozess | 26,66 % n-TOPCon-Rückseite | 26,34 % p-TOPCon-Rückseite | Hauptgrund für den Unterschied |
|---|---|---|---|
| Untere SiOx-Schicht | Ca. 1,3–1,6 nm, gebildet in O₂ bei 620 °C | Ca. 1,8 nm, in situ gebildet bei 650 °C | Die p-Seite benötigt eine stärkere Barriere gegen Boreindringen, obwohl das Lochtunneln schwieriger ist |
| Inneres poly-Si | Ca. 40 nm, leicht phosphordotiert und hochkristallin | 36 nm, leicht bordotiert | Bor hat eine geringere feste Löslichkeit; eine dünnere innere Schicht kann die Passivierung dennoch unterstützen |
| Mittleres SiOx | Ca. 1,5 nm, gebildet in O₂ bei 620 °C | Ca. 1 nm, in situ gebildet | Das Tunneln ist auf der p-Seite anspruchsvoller, daher darf die Zwischenschicht nicht zu dick sein |
| Äußeres poly-Si | Ca. 60 nm, stark phosphordotiert und hauptsächlich amorph | 90 nm, stark bordotiert | Die Metallisierung von p+ poly-Si ist schwieriger und erfordert eine dickere Schicht sowie modifizierte Paste |
| Ausheizen | Ca. 880–920 °C | 1050 °C Vorglühen, erreicht 98 % Kristallinität | Bor benötigt eine höhere Aktivierungstemperatur, während der Prozess auch borbezogene Grenzflächendefekte kontrollieren muss |
| Silberpaste | Konventionelle Paste gepaart mit einer amorphen äußeren Schicht | 4 Gew.-% Alkalimetalloxid plus raues Silberpulver | Die Metallisierung von p+ poly-Si bleibt einer der Hauptprozessengpässe |
Vorderseitenvergleich
| Artikel | 26,66 % Vorderseite | 26,34 % Vorderseite |
|---|---|---|
| Struktur | Ganzflächiger bordiffundierter Emitter | Lokalisierte n-TOPCon-Finger ca. 210 μm breit |
| Rekombinationskontrollstrategie | Hoher Schichtwiderstand von 430 Ω/□ zur Verdünnung der Dotierung | Reduzierte poly-Si-Bedeckung kombiniert mit abgerundeter Textur |
| Oberflächentextur | Konventionelle invertierte Pyramidtextur | Mit Ozon und HF behandelte abgerundete Pyramiden |
| Poly-Si-Abscheidung | Nicht zutreffend | GTF-LPCVD mit Raman-FWHM von 8,4 cm⁻¹ |
| Dotierstoff | Bor | Phosphor bei 3,3 × 10²⁰ cm⁻³ |
Was die beiden Arbeiten über die Rückkontaktentwicklung über 26% sagen
Die gemeinsame Botschaft ist recht direkt.
Auf dem 25%-Niveau lag der Fokus auf dem Pinhole-Verhalten der Oxidschicht. Auf dem 26%-Niveau verlagerte sich die Entwicklung hin zu Doppelschicht-SiOx/poly-Si-Strukturen und Metallisierungsoptimierung. Über 26,3% beginnen sich die Wege aufzuteilen: n-TOPCon-Rückkontakte verfolgen eine bifaziale elektrische Synergie, während p-TOPCon-Rückkontakte zu einem Rückkontakt-Layout mit lokalisierten Frontfingern übergehen. Letzteres kommt bereits einer partiellen BC-TOPCon-Architektur nahe.
Die Zwischen-SiOx-Schicht zur Blockierung des Silbereindringens ist ein gemeinsames Merkmal beider Doppelschicht-Rückkontakt-Designs. Die p-TOPCon-Seite muss jedoch drei zusätzliche Probleme lösen:
Ein Vorheizschritt bei 1050°C ist erforderlich, um Bor zu aktivieren, die Kristallinität zu erhöhen und borbezogene Grenzflächenprobleme zu unterdrücken.
Alkalimetalloxid-modifizierte Silberpaste wird benötigt, um die schwierige Metallisierung von p+-poly-Si zu bewältigen.
Rückseitenpolieren und Planarisierung werden kritischer, da p-TOPCon empfindlicher auf Oberflächentextur und deren Einfluss auf J₀ reagiert.
Diese Probleme waren für das 26,66% n-TOPCon-Design nicht zentral. Einfach ausgedrückt: Der Doppelschicht-p-TOPCon-Kontakt ist schwieriger herzustellen als sein n-TOPCon-Gegenstück, bietet aber möglicherweise ein höheres Voc-Potenzial, sobald der Prozess kontrolliert ist.
Der Doppelschicht-Rück-p-TOPCon-Kontakt in der 26,34%-Zelle erreichte ein implizites Voc von 747 mV, etwas höher als das geschätzte gesamte implizite Voc-Niveau, das für das 26,66%-Design diskutiert wurde.
Produktionsparameter, die direkt anwendbar sind
Verbessern Sie das Rückseitenpolieren und die Planarisierung. Eine p-TOPCon-Produktionslinie sollte das Rückseitenpolieren nicht als einen Prozess behandeln, der nur „gut genug“ sein muss. Die Planarisierung hat einen stärkeren Einfluss auf J₀ des Doppelschicht-p-TOPCon-Kontakts als bei n-TOPCon.
Bilden Sie die Zwischen-SiOx-Schicht in situ bei etwa 1 nm. Das Kopieren des 1,5 nm thermischen Oxids, das in der 26,66% n-TOPCon-Struktur verwendet wird, kann das Tunneln reduzieren und den FF auf der p-Seite verschlechtern.
Führen Sie einen Vorglühschritt bei 1050 °C ein. Ohne diese Behandlung sind Boraktivierung und 98 % Kristallinität schwer zu erreichen, was eine implizite Voc von 747 mV unwahrscheinlich macht.
Verwenden Sie eine mit Alkalimetalloxid modifizierte Silberpaste. Die berichtete Formulierung verwendet 4 Gew.-% Na₂O/K₂O und grobes Silberpulver. Ein Kontaktwiderstand von 0,55 mΩ·cm² ist ein schwieriges Ziel für die p-TOPCon-Seite. Herkömmliche Paste kann den Serienwiderstand am p+-Kontakt stark ansteigen lassen.
Kontrollieren Sie die Frontfingerbreite auf etwa 210 μm. Die Lasermusterungsgenauigkeit muss mit der schmaleren Kontaktgeometrie Schritt halten. Eine weitere Reduzierung der Fingerbreite könnte die parasitäre Absorption verringern, aber der Laserschaden am Doppelschichtstapel müsste neu bewertet werden.
Die nächste Frage für BC-TOPCon
Die 26,34 %-Struktur mit vorderen n-TOPCon-Fingern und einem vollflächigen doppelschichtigen p-TOPCon-Rückkontakt ist effektiv eine Teilversion von BC-TOPCon.
Der nächste logische Schritt wäre, auch den rückseitigen p-TOPCon-Kontakt zu lokalisieren und rückseitige p-Typ-Finger und n-Typ-Finger in einem interdigitalen Muster anzuordnen. Das würde eine echte BC-TOPCon-Struktur erzeugen.
Dies wirft eine neue Frage auf. Sollte die Zwischen-SiOx-Schicht im lokalisierten rückseitigen p-TOPCon-Kontakt reines SiO₂ bleiben oder durch stickstoffdotiertes SiOx nach einem OGO-ähnlichen Verfahren ersetzt werden, um die Feldpassivierung zu verstärken? Eine weitere Option wäre ein AlOx/SiOx-Stapel, der den Feldeffekt von Aluminiumoxid zusammen mit dem Doppelschicht-SiOx/poly-Si-Kontakt nutzt.
Die 26,34 %-Studie hat dieses Problem nicht untersucht, da ihr rückseitiger p-TOPCon-Kontakt vollflächig blieb und nicht von lokalisierter Feldpassivierung abhing. Sobald der rückseitige p-Typ-Kontakt jedoch fingerartig wird, könnte die Kombination aus AlOx-Feldpassivierung und einer Doppelschicht-SiOx/poly-Si-Struktur eine ernsthafte Option für den nächsten Schritt werden.
Es gibt auch eine prozessbezogene Frage für Tandems. Die in dem 32,73 %-Tandem verwendete Boden-Zelle hat eine texturierte Vorderseite. Simulationen in Abbildung 1 deuten darauf hin, dass eine doppelseitige Finger-TOPCon-Konfiguration ein höheres Tandem-Potenzial haben könnte als eine vollflächige doppelseitige TOPCon-Struktur.
Aber wie sollte die Photolumineszenz-Gleichmäßigkeit über eine texturierte Vorderseite mit lokalisierten n-TOPCon-Fingern kontrolliert werden? Überschüssige Laserenergie kann die Pyramidenspitzen lokal verbrennen oder abflachen. Das könnte einen Teil des Prozessfensters verbrauchen, das durch die Behandlung mit abgerundeten Pyramiden geschaffen wurde.
In den drei Studien – von der 25,4 % Das Solar-Zelle bis zu den 26,66 % und 26,34 % Zellen – hat sich die Rückkontaktlogik über drei Generationen entwickelt: Oxid-Pinhole-Kontrolle, Doppelschichtschutz gegen Silberpenetration und schließlich doppellagiges p-TOPCon kombiniert mit alkalimetallmodifizierter Metallisierung.
Ooitechs Ansicht
Das Prozessfenster ist hier der eigentliche Engpass. Sobald p-TOPCon von einem vollflächigen Rückkontakt zu lokalisierten BC-Fingern übergeht, müssen Kontaktwiderstand, Laserschäden, Boraktivierung und Feld-Effekt-Passivierung als ein gekoppeltes System optimiert werden. Eine dünnere intermediate SiOx-Schicht kann den FF schützen, lässt aber auch weniger Spielraum gegen Silberpenetration und bordinduzierte Grenzflächenschäden. Das nächste nützliche Ergebnis wird eines sein, das dieses vollständige Integrationsfenster auf produktionsgroßen Wafern demonstriert, nicht nur einen Spitzenwirkungsgradwert.
