Aperçu

Voici quelque chose qui bouleverse une hypothèse de longue date dans le PV 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 baisser.

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 détermine la performance du dispositif n'est pas la géométrie des piqûres, mais si la piqûre est passivée.

Référence : 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

Contexte de la recherche et le problème persistant

Le TOPCon est désormais la technologie dominante 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 simple face a un plafond théorique de 27,79 %. Mais personne n'avait déterminé le rôle exact 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 par oxygène échoue, mauvaises nouvelles.

La réalité est plus complexe. Un oxyde trop épais (>1,7 nm) passive bien mais tunnel mal, donc le FF s'effondre. Un oxyde trop fin (<1,3 nm) signifie plus de trous d'épingle, et maintenant vous vous inquiétez de l'effondrement de 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 déplétion d'oxygène, donnant des trous d'épingle de type recombinaison (le « mauvais trou d'épingle » classique)

• Cas 3 : oxyde mince mais l'oxygène s'infiltre encore dans le trou d'épingle, donnant des trous d'épingle de type passivation (la nouvelle découverte ici)

Avant cela, la résolution HR-TEM n'était pas suffisante pour voir des caractéristiques en dessous de 2 nm. La littérature rapportait des diamètres de trous d'épingle de 5 nm à 200 nm et des densités de 10⁶ à 10⁸ cm⁻², qui n'étaient tous que des « gros 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 s'ouvrent tout simplement pas par gravure. Les trous d'épingle de passivation étaient naturellement filtrés par ces méthodes. C'est pourquoi le cas 3 est resté invisible si longtemps.

Mécanisme : deux types de trous d'épingle (Figure 2)

Le HAADF-STEM corrigé 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 trous d'épingle sur la plaquette à haute efficacité sont en fait plus petits, et retiennent mieux l'oxygène. Toutes les tailles sont d'un ordre de grandeur inférieur à celles rapportées précédemment dans la littérature.

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

• Fraction de surface de trou d'épingle f = πr²/P², mais J₀ est insensible à f. Ce qui domine vraiment, c'est la vitesse de recombinaison de surface S au niveau du trou d'épingle.

• Autour de f ≈ 0,1, une fois que S ≳ 10³ cm/s, J₀ monte en flèche, et il sature au-dessus de S > 10⁵ cm/s.

• Signification : la clé de la haute performance n'est pas « zéro trous d'épingle », mais « des trous d'épingle passivés ». C'est le point fort principal de l'article.

En termes de densité, c'est une petite révolution. Les statistiques issues d'un découpage orthogonal X-Y sur 40 plaquettes (haut et bas rendement) 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 auparavant exclus sont devenus visibles ; deuxièmement, les échantillons sont des plaquettes optimisées industriellement avec un rendement supérieur à 25 %, et non des structures de test ; troisièmement, la méthode est la HAADF à l'échelle 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 les chevauchements le long de la direction du faisceau dans 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 procédé : 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 (sans apport d'oxygène). 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 se situe 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 Fig. 4)

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

• τeff : 8,9 ms pour le haut rendement contre 2,96 ms pour le témoin (injection 5×10¹⁵ cm⁻³)

• J₀ : 2,6 contre 10,6 fA/cm²

• ΔVoc mesuré à 15,9 mV, mais la seule différence de J₀ 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 (citant les travaux de Krügener sur POLO à 25 %). 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 (haut rendement) 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 effectivement 4,6 < 5,4. Mais les auteurs ajoutent une nuance. 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 uniquement par la densité de trous d'épingle.

La PL était uniforme sur toute la plaquette, et la cartographie Corescan de la distribution de Voc était également homogène sur une grande surface.

Une ligne pour l'industrie

Cet article fait passer l'interface TOPCon d'une histoire binaire « oxyde intact vs fuite par trou d'épingle » à une histoire ternaire : « les trous d'épingle peuvent aussi être bons, tant que l'oxygène est toujours présent ». Ce que l'industrie doit faire ensuite n'est pas de s'obséder sur zéro trou d'épingle, mais d'ajuster la chaîne de polissage arrière, oxydation et dépôt de poly pour 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, et non 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. Du côté du module, nous observons le même schéma, où les tolérances de laminage et de stringage 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 véritable sol de production, nos visites d'usine sur YouTube (www.youtube.com/ooitech) valent un abonnement.