Au-dessus de 26,3 % d'efficacité : que reste-t-il à l'arrière ?
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Réponse rapide : Au-delà de 26,3 % de rendement de cellule, la face avant d'une cellule TOPCon est proche de l'optimum et la marge de progression restante se situe à l'arrière. C'est ce qui motive le passage à des contacts arrière de type p sur toute la surface et à des doigts en polysilicium locaux, qui modifient la manière dont l'arrière collecte le courant et la surface allouée à la passivation par rapport au contact. Les structures mesurées impliquent un empilement arrière avec des couches d'environ 1 nm, 1,5 nm, 36 nm et 90 nm, un contact sur toute la surface et une étape de procédé arrière proche de 650 °C, avec des tensions en circuit ouvert rapportées à 1,961 V pour les dispositifs discutés. Chacune de ces dimensions arbitre entre résistance de contact et recombinaison, et l'optimum évolue à mesure que l'avant s'améliore. En production, cela signifie que la recette arrière devient une variable active plutôt qu'une partie fixe du procédé.
Fabrication de modules PV · par Jerry, Ooitech
Au-delà de 26,3 % d'efficacité, que reste-t-il à optimiser à l'arrière ?
« Lao Zhang, la cellule à 26,66 % utilisait une structure arrière entièrement de type p. Dans l'article à 26,34 %, l'avant a été modifié en doigts n-TOPCon localisés, tandis que l'arrière est devenu un contact p-TOPCon sur toute la surface. La pile bicouche SiOx/poly-Si est-elle toujours la même ? » TOPCon structure arrière. Dans l'article à 26,34 %, l'avant a été remplacé par des doigts n-TOPCon localisés, tandis que l'arrière est devenu un contact p-TOPCon sur toute la surface. La pile bicouche SiOx/poly-Si est-elle toujours la même ? »
C'était la question de suivi de notre équipe de procédés après avoir terminé la discussion sur la cellule à 26,66 % hier.
L'architecture de base double couche arrière est presque copiée de la conception à 26,66 %, mais le côté p-TOPCon introduit trois leviers d'ajustement que la cellule à 26,66 % n'a pas touchés. La stratégie côté avant est également complètement différente. Elle s'éloigne de l'émetteur de bore à haute résistance de 430 Ω/□ et se dirige vers des doigts n-TOPCon localisés. Ce sont deux approches très différentes pour réduire la recombinaison.
L'article de Gao K. et al. sur 26,34 % peut être considéré comme l'étude sœur à jonction arrière du travail sur 26,66 %. Les lire ensemble donne une image plus claire de ce qui pourrait être nécessaire pour approcher une efficacité de 27 %.
Gao, K. et al. « Contacts passivants à oxyde tunnel bifaciaux pour cellules solaires en silicium et tandem pérovskite/silicium avec une efficacité améliorée. » Nature Energy (2026). DOI : 10.1038/s41560-026-02007-8
Trois chiffres derrière la cellule à 26,34 %
Efficacité à jonction unique : 26,34 % sur 335,5 cm², avec une Voc de 743,2 mV, un FF de 85,0 % et une Jsc de 41,69 mA/cm².
Efficacité tandem : 32,73 %, en utilisant une cellule supérieure en pérovskite de 1,68 eV. La Voc tandem a atteint 1,961 V, tandis que 80 % de la performance initiale est restée après 2 000 heures de suivi MPP.
Définition structurelle : doigts n-TOPCon localisés à l'avant dans une configuration à jonction arrière, combinés à un contact arrière p-TOPCon double couche pleine surface. C'est essentiellement une inversion miroir du TOPCon conventionnel, qui utilise normalement un émetteur bore avant et un contact n-TOPCon arrière.
Contact arrière double couche : le même squelette, mais trois boutons de réglage différents
Le contact arrière à 26,66 % utilise SiOx / n+ poly-Si faiblement dopé / SiOx / n+ poly-Si fortement dopé, avec le phosphore comme dopant.
Le contact arrière à 26,34 % utilise SiOx / p+ poly-Si à 36 nm / SiOx / p+ poly-Si à 90 nm, avec dopage au bore.
Les deux structures suivent la même séquence de base : SiOx inférieur, poly-Si interne, SiOx intermédiaire et poly-Si externe. La version p-TOPCon, cependant, doit faire face à un problème de longue date.
Le p-TOPCon a toujours été confronté à un compromis entre passivation et contact. Le bore peut générer plus de défauts à l'interface Si/SiO₂ que le phosphore, tandis que la métallisation du p+ poly-Si est plus difficile en raison des limitations de transport des trous et de l'interaction plus faible entre la pâte d'argent conventionnelle et le p+ poly-Si.
| Élément de comparaison | Contact arrière à 26,66 % : n-TOPCon pleine surface | Contact arrière à 26,34 % : p-TOPCon pleine surface |
|---|---|---|
| Polarité du dopant | Phosphore, n+ | Bore, p+ |
| Épaisseur du poly-Si interne / externe | Environ 40 / 60 nm | 36 / 90 nm ; la couche externe plus épaisse offre plus de marge pour la diffusion du bore et la métallisation |
| SiOx intermédiaire | Environ 1,5 nm, oxydé thermiquement à 620 °C | Environ 1 nm, formé par oxydation thermique in situ à 650 °C ; plus mince car le tunnel de trous est déjà plus difficile côté p+ |
| Recuit | Plage estimée de 880 à 920 °C dans l'analyse précédente | Pré-recuit à 1050 °C pendant plus de 30 secondes, atteignant 98 % de cristallinité et poussant la Voc implicite à 747 mV |
| Pâte d'argent | Pâte conventionnelle, associée à une couche externe amorphe pour limiter la pénétration de l'argent | Pâte modifiée par oxydes de métaux alcalins avec 4 % en poids de Na₂O/K₂O et poudre d'argent rugueuse, réduisant la résistivité de contact à 0,55 mΩ·cm² |
| Morphologie arrière | Polissage arrière conventionnel | Polissage arrière planarisé car le p-TOPCon est plus sensible à la texture de surface et nécessite un J₀ plus faible |
| Objectif principal | Bloquer la pénétration de l'argent tout en maintenant la passivation | Bloquer la pénétration de l'argent, supprimer les défauts d'interface liés au bore et améliorer la métallisation du poly-Si p+ |
Les données de processus rapportées incluent une oxydation arrière in situ à 650°C, une couche intermédiaire de SiOx d'environ 1 nm, un dopage au bore de 1 × 10²⁰ cm⁻³, une cristallinité de 98 % après pré-recuit à 1050°C, une Voc implicite de 747 mV et une résistivité de contact de 0,55 mΩ·cm² en utilisant une pâte modifiée par métaux alcalins avec de la poudre d'argent rugueuse.
Un détail est facile à manquer. La couche externe de poly-Si p+ a une épaisseur de 90 nm, soit 50 % de plus que la couche externe d'environ 60 nm utilisée côté n-TOPCon.
Ce n'est pas une augmentation arbitraire. Le bore a une solubilité solide plus faible dans le poly-Si que le phosphore, donc la section fortement dopée nécessite plus d'épaisseur pour réduire la résistivité de contact. En même temps, l'étape de pré-recuit à 1050°C entraîne le bore vers l'intérieur. Une couche externe plus épaisse aide à empêcher le bore de pénétrer et d'endommager la couche de SiOx inférieure.
C'est l'opposé de la stratégie n-TOPCon, où la couche externe peut rester plus mince et plus amorphe.
Face avant : la stratégie de 430 Ω/□ est remplacée par la localisation
La question laissée par l'étude précédente était de savoir si la stratégie d'émetteur de bore à haute résistance de 430 Ω/□ s'appliquerait toujours à un contact avant n-TOPCon à doigts.
La réponse de la cellule à 26,34 % est claire : ce n'est pas le cas. La conception emprunte une voie différente.
La cellule à 26,66 % utilise un émetteur avant conventionnel à diffusion de bore avec une résistance carrée de 430 Ω/□. Des doigts métalliques fins d'environ 10 μm compensent la conductivité latérale plus faible.
La cellule à 26,34 % supprime l'émetteur avant conventionnel au bore et le remplace par des doigts n-TOPCon à motifs d'environ 210 μm de large, laissant le poly-Si uniquement sous les zones de contact métallique.
Le mécanisme de réduction de recombinaison change donc de la dilution de la concentration de dopant par une résistance carrée élevée à la réduction de la surface couverte par le poly-Si.
La texture est modifiée en premier. L'ozone et le HF sont utilisés pour arrondir les pointes des pyramides. Cela réduit la mauvaise passivation et la corrosion de la pâte d'argent autour des pics de texture pointus.
Un champ thermique gradient, ou GTF, est introduit dans le LPCVD. La largeur à mi-hauteur du spectre Raman atteint 8,4 cm⁻¹. Une valeur plus basse indique une meilleure cristallinité. Le champ thermique gradient améliore l'uniformité de température tant latérale que verticale et augmente la cristallinité du n+ poly-Si.
Le dopage au phosphore atteint 3,3 × 10²⁰ cm⁻³. C'est environ un ordre de grandeur plus élevé que la concentration de phosphore utilisée dans le contact arrière à 26,66 %. Les doigts n+ avant sont conçus pour la conductivité plutôt que pour la passivation sur toute la surface. La majeure partie du travail de passivation est assurée par le contact arrière p-TOPCon sur toute la surface.
La largeur des doigts est d'environ 210 μm. Le poly-Si reste sous le métal, tandis que la zone texturée sans contact est laissée découverte. Cela réduit considérablement l'absorption parasite côté face avant par rapport à un contact poly-Si sur toute la surface.
L'approche de 430 Ω/□ appartient à l'ère de l'émetteur au bore. Dans une structure n-TOPCon à doigts, la recombinaison est contrôlée par une couverture localisée de poly-Si, une texture de surface arrondie et une cristallinité améliorée grâce au GTF-LPCVD, plutôt que par une simple augmentation de la résistance carrée.
Cela aide à expliquer comment la cellule à 26,34 % atteint une Voc de 743,2 mV, proche des 744,6 mV rapportés pour la cellule à 26,66 %, tout en obtenant également une Jsc plus élevée. Le contact avant localisé réduit l'absorption parasite qui subsisterait dans une structure poly-Si avant sur toute la surface.
Comparaison côte à côte des deux conceptions sœurs à 26 %
Contacts arrière à double couche SiOx/poly-Si
| Couche ou processus | 26,66 % n-TOPCon arrière | 26,34 % p-TOPCon arrière | Raison principale de la différence |
|---|---|---|---|
| SiOx inférieur | Environ 1,3–1,6 nm, formé dans O₂ à 620°C | Environ 1,8 nm, formé in situ à 650°C | Le côté p a besoin d'une barrière plus forte contre la pénétration du bore, même si le tunnel de trous est plus difficile |
| Poly-Si intérieur | Environ 40 nm, légèrement dopé au phosphore et hautement cristallin | 36 nm, légèrement dopé au bore | Le bore a une solubilité solide plus faible ; une couche interne plus mince peut encore supporter la passivation |
| SiOx intermédiaire | Environ 1,5 nm, formé dans O₂ à 620°C | Environ 1 nm, formé in situ | L'effet tunnel est plus exigeant côté p, donc la couche intermédiaire ne peut pas être trop épaisse |
| Poly-Si externe | Environ 60 nm, fortement dopé au phosphore et principalement amorphe | 90 nm, fortement dopé au bore | La métallisation du poly-Si p+ est plus difficile, nécessitant une couche plus épaisse et une pâte modifiée |
| Recuit | Environ 880–920°C | Pré-recuit à 1050°C, atteignant 98% de cristallinité | Le bore nécessite une température d'activation plus élevée, tandis que le processus doit également contrôler les défauts d'interface liés au bore |
| Pâte d'argent | Pâte conventionnelle associée à une couche externe amorphe | 4 % en poids d'oxyde de métal alcalin plus poudre d'argent rugueuse | La métallisation du poly-Si p+ reste l'un des principaux goulots d'étranglement du processus |
Comparaison face avant
| Article | 26,66 % face avant | 26,34 % face avant |
|---|---|---|
| Structure | Émetteur diffusé au bore sur toute la surface | Doigts n-TOPCon localisés d'environ 210 μm de large |
| Stratégie de contrôle de la recombinaison | Résistance de feuille élevée de 430 Ω/□ pour diluer le dopage | Couverture réduite en poly-Si combinée à une texture arrondie |
| Texture de surface | Texture conventionnelle à pyramides inversées | Pyramides arrondies traitées à l'ozone et au HF |
| Dépôt de poly-Si | Non applicable | GTF-LPCVD avec FWHM Raman de 8,4 cm⁻¹ |
| Dopant | Bore | Phosphore à 3,3 × 10²⁰ cm⁻³ |
Ce que disent les deux articles sur le développement du contact arrière au-dessus de 26 %
Le message combiné est assez direct.
Au niveau de 25 %, l'accent était mis sur le comportement des trous d'épingle de la couche d'oxyde. Au niveau de 26 %, le développement s'est orienté vers les structures double couche SiOx/poly-Si et l'ingénierie de métallisation. Au-dessus de 26,3 %, les voies commencent à diverger : les contacts arrière n-TOPCon poursuivent une synergie électrique bifaciale, tandis que les contacts arrière p-TOPCon évoluent vers une configuration à jonction arrière avec des doigts frontaux localisés. Cette dernière est déjà proche d'une architecture partielle BC-TOPCon.
La couche intermédiaire SiOx utilisée pour bloquer la pénétration de l'argent est une caractéristique commune aux deux conceptions de contact arrière double couche. Cependant, le côté p-TOPCon doit résoudre trois problèmes supplémentaires :
Une étape de pré-recuit à 1050 °C est nécessaire pour activer le bore, augmenter la cristallinité et supprimer les problèmes liés à l'interface du bore.
Une pâte d'argent modifiée par un oxyde de métal alcalin est nécessaire pour traiter la métallisation difficile du poly-Si p+.
Le polissage et la planarisation du côté arrière deviennent plus critiques car le p-TOPCon est plus sensible à la texture de surface et à son effet sur J₀.
Ces problèmes n'étaient pas centraux dans la conception n-TOPCon à 26,66 %. En bref, le contact p-TOPCon double couche est plus difficile à fabriquer que son homologue n-TOPCon, mais il peut offrir un potentiel Voc plus élevé une fois le processus maîtrisé.
Le contact arrière p-TOPCon double couche dans la cellule à 26,34 % a atteint un Voc implicite de 747 mV, légèrement supérieur au niveau de Voc implicite global estimé pour la conception à 26,66 %.
Paramètres de ligne de production pouvant être appliqués directement
Améliorer le polissage et la planarisation du côté arrière. Une ligne de production p-TOPCon ne doit pas traiter le polissage arrière comme un processus qui doit seulement être « assez bon ». La planarisation a une influence plus forte sur le J₀ du contact p-TOPCon double couche que sur le n-TOPCon.
Former la couche intermédiaire SiOx in situ à environ 1 nm. Copier l'oxyde thermique de 1,5 nm utilisé dans la structure n-TOPCon à 26,66 % peut réduire l'effet tunnel et nuire au FF du côté p.
Introduire une étape de pré-recuit à 1050 °C. Sans ce traitement, l'activation du bore et une cristallinité de 98 % sont difficiles à atteindre, ce qui rend un Voc implicite de 747 mV peu probable.
Utiliser une pâte d'argent modifiée par un oxyde de métal alcalin. La formulation rapportée utilise 4 % en poids de Na₂O/K₂O et de la poudre d'argent grossière. Une résistivité de contact de 0,55 mΩ·cm² est un objectif difficile pour le côté p-TOPCon. La pâte conventionnelle peut faire augmenter fortement la résistance série au contact p+.
Contrôlez la largeur des doigts avant à environ 210 μm. La précision de la structuration laser doit suivre le rythme de la géométrie de contact plus étroite. Réduire davantage la largeur des doigts pourrait diminuer à nouveau l'absorption parasite, mais les dommages laser à l'empilement double couche devraient être réévalués.
La prochaine question pour BC-TOPCon
La structure à 26,34 %, avec des doigts n-TOPCon avant et un contact arrière p-TOPCon double couche pleine surface, est effectivement une version partielle de BC-TOPCon.
L'étape logique suivante serait de localiser également le contact arrière p-TOPCon, en disposant des doigts p et n arrière dans un motif entrelacé. Cela créerait une véritable structure BC-TOPCon.
Cela soulève une nouvelle question. La couche intermédiaire SiOx dans le contact arrière p-TOPCon localisé doit-elle rester du SiO₂ pur, ou doit-elle être remplacée par du SiOx dopé à l'azote suivant une voie de type OGO pour renforcer la passivation de champ ? Une autre option serait un empilement AlOx/SiOx, utilisant l'effet de champ de l'oxyde d'aluminium avec le contact double couche SiOx/poly-Si.
L'étude à 26,34 % n'a pas exploré cette question car son contact arrière p-TOPCon restait pleine surface et ne dépendait pas de la passivation par effet de champ localisée. Cependant, une fois que le contact p arrière devient en doigts, la combinaison de la passivation par effet de champ AlOx et d'une structure double couche SiOx/poly-Si pourrait devenir une option sérieuse pour la prochaine étape.
Il y a aussi une question de processus liée au tandem. La cellule inférieure utilisée dans le tandem à 32,73 % a une surface avant texturée. Les simulations de la figure 1 indiquent qu'une configuration TOPCon à doigts double face pourrait avoir un potentiel tandem plus élevé qu'une structure TOPCon double face pleine surface.
Mais comment contrôler l'uniformité de la photoluminescence sur une surface avant texturée avec des doigts n-TOPCon localisés ? Une énergie laser excessive peut brûler ou aplatir localement les pointes de pyramides. Cela pourrait consommer une partie de la fenêtre de processus créée par le traitement de pyramides arrondies.
À travers les trois études—de la cellule Das Solar à 25,4 % aux cellules à 26,66 % et 26,34 %—la logique du contact arrière a évolué à travers trois générations : contrôle des piqûres d'oxyde, protection double couche contre la pénétration de l'argent, et enfin double couche p-TOPCon combinée à une métallisation modifiée par métaux alcalins.
Point de vue d'Ooitech
La fenêtre de procédé est le véritable goulot d'étranglement ici. Une fois que le p-TOPCon passe d'un contact arrière pleine surface vers des doigts BC localisés, la résistivité de contact, les dommages laser, l'activation du bore et la passivation par effet de champ devront être optimisés comme un système couplé. Une couche intermédiaire de SiOx plus fine peut protéger le FF, mais elle laisse aussi moins de marge contre la pénétration de l'argent et les dommages d'interface induits par le bore. Le prochain résultat utile sera celui qui démontre cette fenêtre d'intégration complète sur des wafers de taille production, pas seulement une valeur de rendement de pointe.
Lectures complémentaires et données contextuelles
Documents de référence publics sur ce sujet, publiés par les organisations qui maintiennent la feuille de route technologique et les données de marché du secteur :
