Пассивация микропроходов для крупноформатных и высокоэффективных кремниевых солнечных элементов с контактами с туннельным оксидом

Почему крошечные дефекты имеют значение для солнечной энергии

Современные кремниевые солнечные панели уже чрезвычайно эффективны в преобразовании солнечного света в электричество, но чтобы приблизить их работу к физическим пределам, нужно понимать процессы на невероятно малых масштабах. В этом исследовании детально изучается одна из ведущих схем солнечных элементов, называемая TOPCon, и выявляется, что то, что считалось вредными атомарными дефектами, на самом деле можно превратить в полезные свойства. Научившись контролировать эти наносекционные «микропроходы», авторы показывают, как создавать крупноформатные промышленные элементы с рекордной эффективностью.

Новый тип кремниевого солнечного элемента

Кремниевые солнечные панели сейчас питают всё — от кровель до огромных пустынных электростанций, и элементы TOPCon (контакт с туннельным оксидом) становятся ключевой технологией. В этих устройствах тонкий изолирующий слой кремниевого оксида помещён между основным кремниевым пластом и сильно легированным кремниевым слоем, который помогает выводить электрические заряды. Такая архитектура теоретически способна обеспечить очень высокую эффективность преобразования при низкой стоимости, что делает её привлекательной для масштабного развёртывания энергии солнца, необходимого для достижения климатических и углеродно-нейтральных целей. Компании и НИИ уже сообщали о TOPCon-элементах с эффективностью выше 26%, а промышленные цены на электроэнергию в некоторых районах снизились до долей цента за киловатт-час.

Загадка микроскопических разрывов

Несмотря на эти успехи, микроскопические детали работы TOPCon-элементов оставались неясными. В частности, исследователи долго спорили о роли «микропроходов» — крошечных участков, где оксидный слой нарушен и две кремниевые области могут взаимодействовать более напрямую. Традиционно считали, что такие микропроходы в основном вредны: участки с отсутствующим защитным оксидом, где возникают дефекты, приводящие к рекомбинации носителей заряда и потерям энергии. Однако эксперименты и компьютерные модели не давали полного согласия в вопросе, насколько опасны микропроходы на самом деле и сколько их можно допускать до падения эффективности. Эта неопределённость ограничивала возможность производителей точно настраивать свои процессы.

Наблюдение за интерфейсом атом за атомом

Чтобы разрешить эту загадку, команда использовала современные электронные микроскопы, способные визуализировать отдельные атомные столбцы на границе между кремниевым пластом, оксидом и поликристаллическим кремниевым слоем. Они сравнили промышленные TOPCon-элементы, различающиеся по эффективности примерно на 1,3 процентных пункта, но выглядевшие почти одинаково в обычных микроскопах. С помощью более высокого разрешения и химического картирования было обнаружено, что микропроходы различаются. Некоторые микропроходы полностью лишены кислорода и образуют прямой кремний‑кремний контакт, изобилующий дефектами; такие ведут себя как истинные «рекомбинационные микропроходы», ухудшающие работу устройства. Другие же всё ещё содержат достаточное количество атомов кислорода, чтобы химически «успокаивать» незавершённые связи, оставаясь при этом достаточно тонкими для туннелирования зарядов. Авторы называют эти недавно признанные образования «пассивационными микропроходами».

Преобразование дефектов в функции

Тщательно разрезая элементы в разных направлениях и подсчитывая эти крошечные структуры, исследователи обнаружили, что в высокоэффективных устройствах на самом деле присутствует огромное число микропроходов — порядка триллиона на квадратный сантиметр — что значительно больше предыдущих оценок. Важно то, что лучшие элементы доминируют пассивационные типы. Моделирование показывает, что главное — не точный размер или расстояние между микропроходами, а насколько хорошо их поверхности химически стабилизированы. Если микропроходы хорошо пассивированы, они обеспечивают множество крошечных электрических путей с низким сопротивлением, улучшая отвод зарядов без избыточных потерь. Экспериментальные процессы подтверждают эту картину: элементы, богатые пассивационными микропроходами, демонстрируют более длительные времени жизни носителей, более высокие напряжения холостого хода, меньшее контактное сопротивление и равномерную производительность по крупным промышленным пластинам. Используя этот подход, команда демонстрирует коммерческие элементы с сертифицированной эффективностью 25,40% и отличными показателями напряжения.

Руководство по следующему поколению солнечных элементов

Работа предлагает изменить подход инженеров по солнечным элементам к дефектам на интерфейсах. Вместо стремления полностью уничтожить микропроходы, цель становится в их инжиниринге так, чтобы они оставались обогащёнными кислородом и электрически мягкими. Исследование описывает практические рычаги — такие как температура окисления, подача кислорода и последующие термообработки — которые производители могут настроить, чтобы предпочитать пассивационные микропроходы вредным. Для непосвящённого читателя ключевая мысль такова: освоив контроль над структурами размером всего в пару миллиардных долей метра, инженеры могут выжимать больше электричества из того же солнечного света, снижая затраты и ускоряя распространение технологий чистой энергии.

Цитирование: 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

Ключевые слова: кремниевые солнечные элементы, TOPCon, микропроходы, пассивация интерфейса, фотогальваническая эффективность