Passiveren van pinholes voor grootschalige en hoogrendement siliciumzonnecellen met tunneloxide-gepassiveerde contact

Waarom kleine afwijkingen belangrijk zijn voor zonne-energie

Moderne siliciumzonnepanelen zijn al buitengewoon goed in het omzetten van zonlicht in elektriciteit, maar ze nog dichter bij hun fysieke limieten brengen vergt begrip van wat er op onvoorstelbaar kleine schaal gebeurt. Deze studie kijkt diep in een van de toonaangevende celontwerpen van vandaag, genaamd TOPCon, en ontdekt dat wat eerder werd gezien als schadelijke atomaire defecten in feite nuttige eigenschappen kunnen worden. Door te leren hoe je deze nanoschaal "pinholes" kunt beheersen, tonen de auteurs aan hoe je grote, fabrieksklare zonnecellen kunt bouwen met recordrendementen.

Een nieuw soort siliciumzonnecel

Siliciumzonnepanelen leveren nu energie aan alles van daken tot enorme woestijnparken, en TOPCon (tunneloxide-gepassiveerd contact) cellen komen naar voren als een basistechnologie. In deze apparaten is een dun isolerend laagje siliciumoxide ingebed tussen de hoofd-siliciumwafer en een sterk gedoteerde siliciumlaag die helpt elektrische ladingen af te voeren. Deze architectuur kan in theorie zeer hoge conversierendementen opleveren tegen lage kosten, waardoor ze aantrekkelijk is voor de enorme uitrol van zonne-energie die nodig is om klimaat- en koolstofneutraliteitsdoelen te halen. Bedrijven en onderzoeksinstituten hebben al TOPCon-cellen gerapporteerd met rendementen boven 26%, en de industriële stroomprijzen zijn in sommige regio's gedaald tot slechts fracties van een cent per kilowattuur.

Het raadsel van microscopische kloven

Ondanks deze successen blijven de microscopische details van hoe TOPCon-cellen werken onduidelijk. In het bijzonder debatteerden onderzoekers lang over de rol van "pinholes" — piepkleine plekjes waar de oxide laag verstoord is en de twee siliciumregio's directer kunnen interageren. De conventionele opvatting was dat deze pinholes meestal slecht waren: gebieden waar de beschermende oxide ontbreekt en defecten ontstaan die ladingsdragers laten recombineren en energie verspillen. Toch kwamen experimenten en computermodellen niet volledig overeen over hoe schadelijk pinholes werkelijk waren, of hoeveel ervan getolereerd konden worden voordat de prestaties verslechterden. Deze onzekerheid beperkte de mogelijkheid voor fabrikanten om hun processen fijn af te stemmen.

De interface atoom voor atoom zien

Om dit raadsel op te lossen gebruikte het team geavanceerde elektronenmicroscopen die individuele atomaire kolommen aan de interface tussen de siliciumwafer, de oxide en de polykrystallijne siliciumlaag konden afbeelden. Ze vergeleken industriële TOPCon-cellen die in efficiëntie ongeveer 1,3 procentpunt verschilden maar er onder conventionele microscopen vrijwel identiek uitzagen. Met hogere resolutie en chemische mapping ontdekten ze dat niet alle pinholes gelijk zijn. Sommige pinholes missen volledig zuurstof en creëren direct silicium-siliciumcontact vol defecten; deze gedragen zich als echte "recombinatiepinholes" die de apparaatprestaties schaden. Andere bevatten echter nog genoeg zuurstofatomen om chemisch de onafgemaakte bindingen te "kalmeren", terwijl ze dun genoeg blijven om tunneling van ladingen toe te staan. De auteurs noemen deze nieuw herkende structuren "passiverende pinholes."

Fouten veranderen in kenmerken

Door cellen zorgvuldig langs verschillende richtingen te snijden en deze kleine structuren te tellen, vonden de onderzoekers dat goed presterende apparaten eigenlijk een enorme hoeveelheid pinholes bevatten — in de orde van een biljoen per vierkante centimeter — veel meer dan eerdere schattingen. Cruciaal is dat de beste cellen gedomineerd worden door het passiverende type. Modellering toont aan dat wat het meest telt niet de exacte grootte of afstand tussen pinholes is, maar hoe goed hun oppervlakken chemisch verzacht zijn. Als de pinholes goed gepassiveerd zijn, bieden ze vele kleine elektrische paden met lage weerstand, die de ladingstroom verbeteren zonder buitensporige verliezen te introduceren. Procesmetingen ondersteunen dit beeld: cellen rijk aan passiverende pinholes tonen langere ladingsdragerlevensduur, hogere openklemspanningen, lagere contactweerstand en uniforme prestaties over grote industriële wafers. Met deze benadering demonstreert het team commerciële cellen met een gecertificeerd rendement van 25,40% en uitstekende spanningsprestaties.

De volgende generatie zonnecellen sturen

Het werk suggereert een verschuiving in hoe zonne-technologen moeten nadenken over imperfecties bij interfaces. In plaats van te streven naar het volledig elimineren van pinholes, wordt het doel om ze zo te ontwerpen dat ze zuurstofrijk en elektrisch vriendelijk blijven. De studie noemt praktische knoppen — zoals oxidatietemperatuur, zuurstoftoevoer en daaropvolgende warmtebehandelingen — die fabrikanten kunnen afstemmen om passiverende pinholes te bevoordelen boven schadelijke. Voor de niet-specialist is de kernboodschap dat door controle te krijgen over structuren van slechts een paar miljardsten van een meter breed, ingenieurs meer elektriciteit uit hetzelfde zonlicht kunnen persen, waardoor de kosten dalen en de verspreiding van schone energietechnologieën versnelt.

Bronvermelding: Zhang, W., Zhang, K., Bai, Y. et al. 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

Trefwoorden: siliciumzonnecellen, TOPCon, pinholes, interfacepassivering, fotovoltaïsch rendement