TOPCon कोशिकाओं में पिनहोल: 26.55% दक्षता का आश्चर्यजनक मार्ग
विषय सूची
अवलोकन
यहाँ कुछ ऐसा है जो सिलिकॉन PV में एक लंबे समय से चली आ रही धारणा को पलट देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि TOPCon सेल की SiOx परत में जानबूझकर कुछ "पिनहोल" छोड़ने से दक्षता 26.55% तक बढ़ सकती है, बजाय इसके कि इसे कम किया जाए।
मुख्य निष्कर्ष: टनल ऑक्साइड में पिनहोल दो परिवारों में विभाजित होते हैं। एक पुनर्संयोजन प्रकार है (ऑक्सीजन-रहित, जहाँ पॉली-Si सीधे c-Si से संपर्क करता है, खराब), दूसरा पैसिवेटिंग प्रकार है (अवशिष्ट ऑक्सीजन बनी रहती है, डैंगलिंग बॉन्ड को पैसिवेट करती है जबकि टनलिंग की अनुमति देती है, अच्छा)। पैसिवेटिंग प्रकार का क्रॉस-सेक्शन लगभग 1.6 ± 0.2 nm × 1.4 ± 0.3 nm होता है, जिसका क्षेत्रीय घनत्व 2 × 10¹² cm⁻² है। एक Fischer मॉडल ने दिखाया कि डिवाइस के प्रदर्शन का निर्धारण पिनहोल ज्यामिति से नहीं, बल्कि इस बात से होता है कि पिनहोल पैसिवेटेड है या नहीं।
संदर्भ: बड़े क्षेत्र और उच्च दक्षता वाले सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के लिए टनल ऑक्साइड पैसिवेटेड कॉन्टैक्ट के साथ पिनहोल को पैसिवेट करना, Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2
शोध पृष्ठभूमि और अटकी हुई समस्या
TOPCon अब n-प्रकार सिलिकॉन के लिए मुख्यधारा है। Runergy ने 335 cm² पर 26.55% हासिल किया, Jinko ने TOPCon और पेरोव्स्काइट को मिलाकर 33.24% बनाया, और सिंगल-साइड n-TOPCon की सैद्धांतिक सीमा 27.79% है। लेकिन किसी ने यह निर्धारित नहीं किया था कि उस इंटरफ़ेसियल SiOx परत में पिनहोल वास्तव में क्या भूमिका निभाते हैं।
पारंपरिक दृष्टिकोण: पिनहोल का मतलब है कि पॉली-Si सीधे c-Si में घुस जाता है, ऑक्सीजन पैसिवेशन विफल हो जाता है, बुरी खबर।
वास्तविकता अधिक जटिल है। ऑक्साइड बहुत मोटा (>1.7 nm) अच्छी तरह से पैसिवेट करता है लेकिन खराब टनल करता है, इसलिए FF गिर जाता है। ऑक्साइड बहुत पतला (<1.3 nm) का मतलब अधिक पिनहोल है, और अब आप Voc के गिरने की चिंता करते हैं।
लेखकों ने ऑक्साइड मोटाई और ऑक्सीजन वितरण को तीन मामलों में विभाजित किया (परिचय अनुभाग):
मामला 1: मोटा ऑक्साइड, पैसिवेशन ठीक, टनलिंग इष्टतम नहीं
मामला 2: पतला ऑक्साइड और ऑक्सीजन की कमी, जिससे पुनर्संयोजन-प्रकार के पिनहोल (क्लासिक "खराब पिनहोल")
मामला 3: पतला ऑक्साइड लेकिन ऑक्सीजन अभी भी पिनहोल में रिसती है, जिससे पैसिवेटिंग-प्रकार के पिनहोल (यहाँ नई खोज)
इससे पहले, HR-TEM का रिज़ॉल्यूशन 2 nm से नीचे की विशेषताओं को देखने के लिए पर्याप्त नहीं था। साहित्य में 5 nm से 200 nm तक के पिनहोल व्यास और 10⁶ से 10⁸ cm⁻² के घनत्व की सूचना दी गई, जो सभी सिर्फ "बड़े छेद" थे। चयनात्मक नक़्क़ाशी और c-AFM Si और SiOx के बीच नक़्क़ाशी दर के अंतर पर निर्भर करते हैं, इसलिए अवशिष्ट ऑक्सीजन वाले क्षेत्र बस नहीं खुलते। पैसिवेटिंग पिनहोल स्वाभाविक रूप से इन विधियों द्वारा छांटे गए। यही कारण है कि मामला 3 इतने लंबे समय तक अनदेखा रहा।
तंत्र: दो प्रकार के पिनहोल (चित्र 2)
अपवर्तन-सुधारित HAADF-STEM (JEM ARM200F प्लस Spectra 300, 200/300 kV) ने उच्च दक्षता वाले वेफर (25.40%) और निम्न दक्षता नियंत्रण (24.07%) पर poly-Si/SiOx/c-Si इंटरफ़ेस को स्कैन किया।
| प्रकार | ऑक्सीजन स्थिति | आकार (उच्च/निम्न दक्षता) | EELS O-K किनारा |
|---|---|---|---|
| पुनर्संयोजन | ऑक्सीजन-रहित, poly/c-Si जाली सीधे जुड़ी | निम्न दक्षता वेफर ~1.37 × 1.35 nm | गहरी ऑक्सीजन घाटी |
| पैसिवेटिंग | अवशिष्ट ऑक्सीजन मौजूद, डैंगलिंग बॉन्ड पैसिवेटेड | उच्च दक्षता वेफर 1.55 × 1.25 nm | ऑक्सीजन संकेत अभी भी दिखाई देता है, उथली ऑक्सीजन घाटी |
मुख्य बिंदु: उच्च दक्षता वेफर पर पिनहोल वास्तव में छोटेहैं, और ऑक्सीजन को बेहतर बनाए रखते हैं। सभी आकार पहले के साहित्य में रिपोर्ट किए गए आकारों से एक परिमाण छोटे हैं।
Fischer बिंदु-संपर्क मॉडल परिणाम (मूल में चित्र 3d):
पिनहोल क्षेत्र अंश f = πr²/P², लेकिन J₀ f के प्रति असंवेदनशील है। वास्तव में जो हावी है वह पिनहोल पर सतह पुनर्संयोजन वेग S है।
लगभग f ≈ 0.1 पर, एक बार S ≳ 10³ cm/s होने पर, J₀ तेजी से बढ़ता है, और S > 10⁵ cm/s से ऊपर संतृप्त हो जाता है।
अर्थ: उच्च प्रदर्शन की कुंजी "शून्य पिनहोल" नहीं है, बल्कि "पैसिवेटेड पिनहोल" है। यह पूरे पेपर का सबसे बड़ा हाइलाइट है।
घनत्व के संदर्भ में, यह एक क्रांति है। 40 वेफर्स (उच्च और निम्न दक्षता) पर X-Y ऑर्थोगोनल स्लाइसिंग से प्राप्त आंकड़ों में पैसिवेटिंग पिनहोल के लिए 2 × 10¹² cm⁻² और पुनर्संयोजन पिनहोल के लिए 3 × 10¹² cm⁻² मिला, जो साहित्य मूल्यों से 4 से 6 गुना अधिक है।
तीन कारण जुड़ते हैं: पहला, अवधारणा बदल गई, इसलिए पहले से छांटे गए पैसिवेटिंग नैनोडिफेक्ट दिखाई देने लगे; दूसरा, नमूने 25% से ऊपर के औद्योगिक रूप से अनुकूलित वेफर्स हैं, परीक्षण संरचनाएं नहीं; तीसरा, विधि परमाणु-स्तरीय HAADF है, और अप्रत्यक्ष दृष्टिकोण 2 nm से छोटे ऑक्सीजन युक्त क्षेत्र को नहीं देख सकते। 50 से 150 nm मोटे TEM नमूनों में बीम दिशा के साथ ओवरलैप से बचने के लिए, लेखकों ने मोटाई दिशा में 4D-STEM ptychography के साथ समर्थन किया, यह पुष्टि करते हुए कि घनत्व आंकड़े प्रोजेक्शन ओवरलैप से विकृत नहीं हैं।
प्रक्रिया लैंडिंग पॉइंट: दो-चरणीय ऑक्सीकरण प्लस बैक पॉलिशिंग प्लस पॉली ट्रिपल कपलिंग
मूल विधियों और SI (अनुपूरक तालिका 1) से चर:
दो-चरणीय ऑक्सीकरण: पहले O₂ ऑक्सीकरण पतली SiO₂ में, फिर ऑक्सीजन-रहित चरण (कोई ऑक्सीजन नहीं डाला जाता)। पैसिवेटिंग प्रकार को लंबे ऑक्सीजन प्रवाह समय, उच्च तापमान, बड़ा प्रवाह और उच्च दबाव की आवश्यकता होती है, जो एकसमान, घने ऑक्साइड के पक्ष में है।
POCl₃ प्रसार: कम जमाव तापमान और कम समय पॉली क्रिस्टलीकरण में सुधार करता है और पुनर्संयोजन-प्रकार के पिनहोल को दबाता है।
बैक पॉलिशिंग आकृति ऑक्साइड मोटाई एकरूपता के ऊपर की ओर स्थित है। तीनों को एक साथ ट्यून करना होगा ताकि केस 3 स्थिर रूप से उत्पन्न हो।
प्रदर्शन तुलना (चित्र 4 हार्ड डेटा)
सममित डबल-साइड पॉली-Si/SiOx नमूने (n-Si 1–3 Ω·cm, डबल-साइड पॉलिश्ड):
τeff: 8.9 ms उच्च दक्षता बनाम 2.96 ms नियंत्रण (इंजेक्शन 5×10¹⁵ cm⁻³)
J₀: 2.6 बनाम 10.6 fA/cm²
ΔVoc 15.9 mV मापा गया, लेकिन J₀ अंतर अकेले केवल ~11 mV की व्याख्या करता है। शेष ~5 mV का श्रेय लेखक बेहतर बल्क SRH जीवनकाल को देते हैं। अनुकूलित एनील, पैसिवेटिंग पिनहोल बनाते हुए, धातु अशुद्धियों को भी गेटर करता है (Krügener के 25% POLO कार्य का हवाला देते हुए)। इंटरफ़ेस और बल्क दोनों को एक साथ ठीक करना 25% पार करने का नुस्खा है।
FF के लिए, अंतर मुख्य रूप से Rs से आता है:
Rs: 357 (उच्च दक्षता) बनाम 619 mΩ·cm² (नियंत्रण), Suns-Voc मापा गया
ρc (TLM): 4.6 बनाम 5.4 mΩ·cm²
प्रतिज्ञापूर्ण बिंदु: "सघन पिनहोल ρc कम करते हैं" तर्क के अनुसार, उच्च दक्षता वाले वेफर पर अधिक पैसिवेटिंग पिनहोल का मतलब कम ρc होना चाहिए, और वास्तव में 4.6 < 5.4 है। लेकिन लेखक एक मोड़ जोड़ते हैं। पुनर्संयोजन-प्रकार के पिनहोल के पास, फॉस्फोरस वेफर में फैलता है, जबकि पैसिवेटिंग प्रकार ऑक्सीजन द्वारा अवरुद्ध होते हैं (पूरक चित्र 10 में EDS डोपिंग प्रोफ़ाइल)। इसलिए डोपिंग प्रोफ़ाइल और संपर्क प्रतिरोध दो अलग-अलग तर्कों का पालन करते हैं, और आप उन्हें केवल पिनहोल घनत्व से नहीं समझा सकते।
PL पूरे वेफर में एकसमान था, और Voc वितरण का Corescan मैपिंग भी बड़े क्षेत्र की एकरूपता के लिए सही रहा।
उद्योग के लिए एक पंक्ति
यह पेपर TOPCon इंटरफ़ेस को "अक्षुण्ण ऑक्साइड बनाम पिनहोल रिसाव" की द्विआधारी कहानी से त्रिआधारी में बदल देता है: "पिनहोल अच्छे भी हो सकते हैं, जब तक ऑक्सीजन अभी भी मौजूद है"। उद्योग को आगे जो करने की आवश्यकता है, वह शून्य पिनहोल पर ध्यान केंद्रित करना नहीं है, बल्कि बैक पॉलिशिंग से ऑक्सीकरण से पॉली डिपोजिशन श्रृंखला को ट्यून करना है ताकि पिनहोल ऑक्सीजन ले जाएं। Daheng का 333.3 cm² पर 25.40% वाला वेफर पहले ही साबित कर चुका है कि यह रास्ता काम करता है।
Ooitech का दृष्टिकोण
यहाँ हमें जो प्रभावित करता है वह यह है कि यह कितना प्रक्रिया श्रृंखला पर निर्भर करता है, न कि केवल सेल डिज़ाइन पर। वह दो-चरणीय ऑक्सीकरण, POCl₃ ट्यूनिंग, और बैक पॉलिशिंग सभी को एक साथ चलना होता है, ठीक उसी तरह का युग्मन जो तब खो जाता है जब एक लाइन को टुकड़ों में इकट्ठा किया जाता है। मॉड्यूल पक्ष पर हम वही पैटर्न देखते हैं, जहाँ लेमिनेशन और स्ट्रिंगिंग सहनशीलता चुपचाप तय करती हैं कि एक अच्छा सेल अपना Voc बनाए रखता है या नहीं। यदि आप इस बात पर करीब से नज़र डालना चाहते हैं कि ये इंटरफ़ेस-संवेदनशील प्रक्रियाएँ वास्तविक उत्पादन फर्श पर कैसे अनुवादित होती हैं, तो YouTube पर हमारे फ़ैक्टरी वॉकथ्रू (www.youtube.com/ooitech) सब्सक्राइब करने लायक हैं।
