Trous d'épingle dans les cellules TOPCon : le chemin surprenant vers une efficacité de 26,55 %

Aperçu

Voici quelque chose qui renverse une hypothèse de longue date dans le PV au silicium. Les chercheurs ont découvert que laisser délibérément certaines « piqûres » dans la couche SiOx d'une cellule TOPCon peut pousser l'efficacité jusqu'à 26,55 %, au lieu de la faire chuter.

Le résultat clé : les piqûres dans l'oxyde tunnel se divisent en deux familles. L'une est de type recombinaison (appauvrie en oxygène, où le poly-Si contacte directement le c-Si, mauvais), l'autre est de type passivant (l'oxygène résiduel reste, passivant les liaisons pendantes tout en permettant toujours le tunnel, bon). Le type passivant mesure environ 1,6 ± 0,2 nm × 1,4 ± 0,3 nm en section transversale, avec une densité surfacique de 2 × 10¹² cm⁻². Un modèle de Fischer a montré que ce qui décide de la performance du dispositif n'est pas la géométrie des piqûres, mais si la piqûre est passivée.

Référence : Piqûres passivantes pour cellules solaires en silicium de grande surface et à haute efficacité avec contact passivé par oxyde tunnel, Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2

Contexte de la recherche et le problème persistant

TOPCon est maintenant le courant dominant pour le silicium de type n. Runergy a atteint 26,55 % sur 335 cm², Jinko a empilé TOPCon plus pérovskite à 33,24 %, et le n-TOPCon unilatéral a un plafond théorique de 27,79 %. Mais personne n'avait déterminé le rôle réel des piqûres dans cette couche interfaciale SiOx.

La vision traditionnelle : une piqûre signifie que le poly-Si pénètre directement dans le c-Si, la passivation à l'oxygène échoue, mauvaise nouvelle.

La réalité est plus complexe. Un oxyde trop épais (>1,7 nm) se passive bien mais tunnel mal, donc le FF s'effondre. Un oxyde trop mince (<1,3 nm) signifie plus de piqûres, et maintenant vous vous inquiétez de l'effondrement du Voc.

Les auteurs ont divisé l'épaisseur de l'oxyde plus la distribution de l'oxygène en trois cas (section Introduction) :

• Cas 1 : oxyde épais, passivation OK, tunnel non optimal

• Cas 2 : oxyde mince plus appauvrissement en oxygène, donnant des piqûres de type recombinaison (la « mauvaise piqûre » classique)

• Cas 3 : oxyde mince mais l'oxygène s'infiltre encore dans la piqûre, donnant des piqûres de type passivation (la nouvelle découverte ici)

Avant cela, la résolution du HR-TEM n'était pas suffisante pour voir des caractéristiques inférieures à 2 nm. La littérature rapportait des diamètres de piqûres de 5 nm à 200 nm et des densités de 10⁶ à 10⁸ cm⁻², qui n'étaient tous que de « grands trous ». La gravure sélective et le c-AFM reposent sur la différence de vitesse de gravure entre Si et SiOx, donc les régions avec de l'oxygène résiduel ne se gravent tout simplement pas. Les piqûres de passivation étaient naturellement filtrées par ces méthodes. C'est pourquoi le cas 3 est resté invisible si longtemps.

Mécanisme : deux types de piqûres (figure 2)

La STEM-HAADF corrigée des aberrations (JEM ARM200F plus Spectra 300, 200/300 kV) a scanné l'interface poly-Si/SiOx/c-Si sur une plaquette à haute efficacité (25,40 %) et un témoin à faible efficacité (24,07 %).

Point clé : les piqûres sur la plaquette à haute efficacité sont en réalité plus petites, et retiennent mieux l'oxygène. Toutes les tailles sont d'un ordre de grandeur plus petites que celles rapportées dans la littérature antérieure.

Les résultats du modèle de contact ponctuel de Fischer (fig. 3d de l'original) :

• La fraction de surface des piqûres f = πr²/P², mais J₀ est insensible à f. Ce qui domine vraiment, c'est la vitesse de recombinaison en surface S à la piqûre.

• Autour de f ≈ 0,1, dès que S ≳ 10³ cm/s, J₀ grimpe fortement, et il sature au-dessus de S > 10⁵ cm/s.

• Signification : la clé de la haute performance n'est pas « zéro piqûre », c'est « des piqûres passivées ». C'est le point culminant de tout l'article.

En termes de densité, c'est un peu une révolution. Les statistiques de découpe orthogonale X-Y sur 40 plaquettes (efficacité élevée et faible) ont donné 2 × 10¹² cm⁻² pour les trous d'épingle passivants et 3 × 10¹² cm⁻² pour les trous d'épingle de recombinaison, soit 4 à 6 ordres de grandeur de plus que les valeurs de la littérature.

Trois raisons s'accumulent : premièrement, le concept a changé, donc les nanodéfauts passivants précédemment éliminés sont devenus visibles ; deuxièmement, les échantillons sont des plaquettes optimisées industriellement à plus de 25 %, et non des structures de test ; troisièmement, la méthode est la HAADF au niveau atomique, et les approches indirectes ne peuvent tout simplement pas voir la région contenant de l'oxygène de moins de 2 nm. Pour se prémunir contre le chevauchement le long de la direction du faisceau pour des échantillons TEM de 50 à 150 nm d'épaisseur, les auteurs ont utilisé la ptychographie 4D-STEM le long de la direction de l'épaisseur, confirmant que les statistiques de densité ne sont pas faussées par le chevauchement de projection.

Point d'atterrissage du processus : oxydation en deux étapes plus polissage arrière plus triple couplage poly

Les variables des méthodes originales plus SI (tableau supplémentaire 1) :

• Oxydation en deux étapes : d'abord une oxydation O₂ en SiO₂ mince, puis une étape appauvrie en oxygène (aucun oxygène introduit). Le type passivant nécessite un temps de flux d'oxygène plus long, une température plus élevée, un débit plus important et une pression plus élevée, ce qui favorise un oxyde uniforme et dense.

• Diffusion POCl₃ : une température de dépôt plus basse et un temps plus court améliorent la cristallisation du poly et suppriment les trous d'épingle de type recombinaison.

• La morphologie du polissage arrière est en amont de l'uniformité de l'épaisseur de l'oxyde. Les trois doivent être réglés ensemble pour produire de manière stable le cas 3.

Comparaison des performances (données dures de la figure 4)

Échantillons symétriques poly-Si/SiOx double face (n-Si 1–3 Ω·cm, polis double face) :

• τeff : 8,9 ms haute efficacité contre 2,96 ms témoin (injection 5×10¹⁵ cm⁻³)

• J₀ : 2,6 contre 10,6 fA/cm²

• ΔVoc mesuré à 15,9 mV, mais la différence de J₀ seule n'explique qu'environ 11 mV. Les ~5 mV restants sont attribués par les auteurs à une amélioration de la durée de vie SRH en volume. Le recuit optimisé, tout en créant des trous d'épingle passivants, permet également de piéger les impuretés métalliques (en citant le travail POLO à 25 % de Krügener). Réparer à la fois l'interface et le volume est la recette pour franchir les 25 %.

Pour le FF, la différence provient principalement de Rs :

• Rs : 357 (haute efficacité) contre 619 mΩ·cm² (témoin), mesuré par Suns-Voc

• ρc (TLM) : 4,6 contre 5,4 mΩ·cm²

Le point contre-intuitif : selon la logique « des trous d'épingle plus denses réduisent ρc », davantage de trous d'épingle passivants sur la plaquette à haut rendement devraient signifier un ρc plus faible, et en effet 4,6 < 5,4. Mais les auteurs ajoutent une subtilité. Près des trous d'épingle de type recombinaison, le phosphore diffuse dans la plaquette, tandis que les types passivants sont bloqués par l'oxygène (le profil de dopage EDS dans la Fig. supplémentaire 10). Ainsi, le profil de dopage et la résistance de contact suivent deux logiques distinctes, et on ne peut pas les expliquer par la seule densité de trous d'épingle.

La PL était uniforme sur toute la plaquette, et la cartographie Corescan de la distribution de Voc a également confirmé l'uniformité sur grande surface.

Une ligne pour l'industrie

Cet article fait passer l'interface TOPCon d'une histoire binaire « oxyde intact vs fuite par trous d'épingle » à une histoire ternaire : « les trous d'épingle peuvent aussi être bons, tant que l'oxygène est toujours là ». Ce que l'industrie doit faire ensuite, ce n'est pas s'obséder sur zéro trou d'épingle, mais ajuster la chaîne polissage arrière → oxydation → dépôt de poly afin que les trous d'épingle transportent de l'oxygène. La plaquette de Daheng à 25,40 % sur 333,3 cm² a déjà prouvé que la voie fonctionne.

Point de vue d'Ooitech

Ce qui nous frappe ici, c'est à quel point cela dépend de la chaîne de processus, pas seulement de la conception de la cellule. Cette oxydation en deux étapes, le réglage du POCl₃ et le polissage arrière doivent tous évoluer ensemble, c'est exactement le type de couplage qui se perd lorsqu'une ligne est assemblée pièce par pièce. Côté module, nous voyons le même schéma, où les tolérances de laminage et de câblage décident silencieusement si une bonne cellule conserve son Voc. Si vous voulez un aperçu plus détaillé de la manière dont ces processus sensibles à l'interface se traduisent sur un vrai sol de production, nos visites d'usine sur YouTube (www.youtube.com/ooitech) valent un abonnement.