Passivering av pinholes för storskaliga och högpresterande kisel-solarceller med tunneloxid-passiverad kontakt

Varför små brister spelar roll för solenergi

Moderna kiselsolpaneler är redan anmärkningsvärt effektiva på att omvandla solljus till elektricitet, men för att pressa dem ännu närmare sina fysiska gränser krävs förståelse för vad som händer i nästintill omätbart små skalor. I den här studien undersöks ett av dagens ledande solcellsdesigner, kallat TOPCon, och visar att sådana atomskaliga defekter som tidigare antagits vara skadliga faktiskt kan göras till fördelaktiga egenskaper. Genom att lära sig kontrollera dessa nanoskaliga ”pinholes” visar författarna hur man bygger stora, fabriksanpassade solceller med rekordhöga verkningsgrader.

En ny typ av kiselsolcell

Kiselsolpaneler driver i dag allt från tak till stora kraftverk i öknen, och TOPCon (tunneloxid-passiverad kontakt) blir en framträdande arbetshästteknik. I dessa enheter ligger ett tunt isolerande skikt av kiseloxid mellan huvudkiselplattan och ett tungt dopat kisellager som hjälper till att föra ut laddningar. Denna arkitektur kan i teorin ge mycket hög energikonverteringsverkningsgrad till låg kostnad, vilket gör den attraktiv för den massiva utbyggnad av solenergi som krävs för att nå klimat- och koldioxidneutralitetsmål. Företag och forskningsinstitut har redan rapporterat TOPCon-celler med verkningsgrader över 26 %, och i vissa regioner har industrins elpriser sjunkit till bara bråkdelar av en cent per kilowattimme.

Gåtan om mikroskopiska glipor

Trots dessa framgångar har de mikroskopiska detaljerna kring hur TOPCon-celler fungerar varit oklara. Särskilt har forskare länge diskuterat rollen för så kallade ”pinholes” — små områden där oxidlagret är störd och de två kiselregionerna kan interagera mer direkt. Konventionell visdom menade att dessa pinholes mestadels var skadliga: områden där det skyddande oxidskiktet saknades och skapade defekter som lät laddningsbärare rekombinera och slösa energi. Men experiment och datorbaserade modeller var inte helt överens om hur skadliga pinholes verkligen var, eller hur många som kunde tolereras innan prestandan sjönk. Denna osäkerhet begränsade tillverkares möjligheter att finjustera sina processer.

Se gränssnittet atom för atom

För att lösa denna gåta använde teamet toppmoderna elektronenmikroskop som kan avbilda individuella atomkolumner i gränssnittet mellan kiselplattan, oxiden och det polykristallina kisellagret. De jämförde industriella TOPCon-celler som skilde sig med ungefär 1,3 procentenheter i verkningsgrad men som såg nästan identiska ut i konventionella mikroskop. Med högre upplösning och kemisk kartläggning upptäckte de att inte alla pinholes är likadana. Vissa saknar syre helt och ger upphov till direkt kisel–kisel-kontakt fylld av defekter; dessa beter sig som verkliga ”rekombinations-pinholes” som försämrar enhetens prestanda. Andra innehåller däremot fortfarande tillräckligt med syreatomer för att kemiskt ”lugna” hängande bindningar, samtidigt som de är tillräckligt tunna för att låta laddningar tunna genom. Författarna kallar dessa nyligen identifierade strukturer för ”passiverande pinholes”.

Göra brister till funktioner

Genom att noggrant skära celler i olika riktningar och räkna dessa små strukturer fann forskarna att högpresterande enheter faktiskt innehåller ett enormt antal pinholes — i storleksordningen en biljard per kvadratcentimeter — mycket mer än tidigare uppskattningar. Avgörande är att de bästa cellerna domineras av den passiverande typen. Modellering visar att det som egentligen spelar roll inte är den exakta storleken eller avståndet mellan pinholes, utan hur väl deras ytor är kemiskt tämjda. Om pinholes är väl passiverade ger de många små elektriska vägar med låg resistans, vilket förbättrar laddningsflödet utan att introducera stora förluster. Processmätningar stödjer denna bild: celler rika på passiverande pinholes visar längre bärare-livslängder, högre öppenkrets-spänningar, lägre kontaktresistans och enhetlig prestanda över stora industriella wafers. Med denna strategi demonstrerar teamet kommersiella celler med certifierad verkningsgrad på 25,40 % och utmärkt spänningsutbyte.

Vägledning för nästa generations solceller

Arbetet föreslår ett skifte i hur solteknologer bör tänka kring ofullkomligheter vid gränssnitt. I stället för att sträva efter att helt eliminera pinholes blir målet att konstruera dem så att de förblir syremättade och elektriskt skonsamma. Studien beskriver praktiska styrparametrar — såsom oxidationstemperatur, syretillförsel och efterföljande värmebehandlingar — som tillverkare kan justera för att gynna passiverande pinholes framför skadliga. För lekmannen är huvudbudskapet att genom att behärska kontrollen över strukturer som är bara ett par miljardermeter breda kan ingenjörer pressa ut mer elektricitet ur samma solljus, sänka kostnader och påskynda spridningen av ren energiteknik.

Citering: 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

Nyckelord: kisel-solarceller, TOPCon, pinholes, gränssnittspassivering, fotovoltaisk verkningsgrad