26.3%超の効率、裏面で最適化すべき点は何か？n型裏面コンタクトは両面シナジーを追求、p型裏面コンタクトはBacへ向かう
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26.3% 超の効率、背面で最適化すべき点は何か？
「張さん、26.66% セルは全面 p型 TOPCon 背面構造を使用していました。26.34% の論文では、前面が局所化 n-TOPCon フィンガーに変更され、背面が全面 p-TOPCon コンタクトになりました。二重層 SiOx/poly-Si スタックは同じですか？」
これは、昨日 26.66% セルについて議論した後、プロセスチームから寄せられたフォローアップの質問でした。
基本的な背面二重層アーキテクチャは 26.66% 設計からほぼコピーされていますが、p-TOPCon 側には 26.66% セルでは触れられなかった 3 つの調整ノブが導入されています。前面戦略も完全に異なります。430 Ω/□ の高抵抗ホウ素エミッタから離れ、局所化 n-TOPCon フィンガーへと移行しています。これらは再結合を低減するための 2 つの非常に異なるアプローチです。
Gao K. らの 26.34% 論文は、26.66% 研究のバックジャンクション版と見なすことができます。両方を合わせて読むと、27% 効率に近づくために何が必要かがより明確になります。
Gao, K. et al. 「シリコンおよびペロブスカイト/シリコンタンデム太陽電池のための両面トンネル酸化膜パッシベーションコンタクトと効率向上」 Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-02007-8
26.34% セルの背後にある 3 つの数字
単接合効率: 26.34% 335.5 cm² 上で、Voc 743.2 mV、FF 85.0%、Jsc 41.69 mA/cm²。
タンデム効率: 32.73%、1.68 eV ペロブスカイトトップセルを使用。タンデム Voc は 1.961 V に達し、2000 時間の MPP 追跡後も初期性能の 80% を維持。
構造定義: バックジャンクション構造における前面局所 n-TOPCon フィンガーと全面二重層 p-TOPCon 裏面コンタクトの組み合わせ。これは従来の TOPCon（通常は前面ホウ素エミッターと裏面 n-TOPCon コンタクトを使用）の鏡像反転に相当する。
裏面二重層コンタクト: 同じ骨格、しかし異なる三つのプロセスノブ
26.66% の裏面コンタクトは SiOx / 軽ドープ n+ poly-Si / SiOx / 重ドープ n+ poly-Si、ドーパントはリン。
26.34% の裏面コンタクトは SiOx / 36 nm の p+ poly-Si / SiOx / 90 nm の p+ poly-Si、ドーパントはホウ素。
両構造とも同じ基本シーケンスに従う: 下部 SiOx、内側 poly-Si、中間 SiOx、外側 poly-Si。ただし p-TOPCon 版は長年の問題に対処する必要がある。
p-TOPCon は常にパッシベーションとコンタクトのトレードオフに直面してきた。 ホウ素はリンよりも Si/SiO₂ 界面で多くの欠陥を生成する可能性があり、また p+ poly-Si のメタライゼーションは正孔輸送の制限と従来の銀ペーストと p+ poly-Si との相互作用の弱さにより困難である。
| 比較項目 | 26.66% 裏面コンタクト: 全面 n-TOPCon | 26.34% 裏面コンタクト: 全面 p-TOPCon |
|---|---|---|
| ドーパント極性 | リン、n+ | ホウ素、p+ |
| 内側/外側 poly-Si 厚さ | 約 40 / 60 nm | 36 / 90 nm; より厚い外側層はホウ素拡散とメタライゼーションに余裕を与える |
| 中間 SiOx | 約 1.5 nm、620°C で熱酸化 | 約1 nm、650°Cでのin-situ熱酸化により形成。p+側ではホールトンネリングが既に困難なため、より薄い。 |
| アニーリング | 前回の分析では推定880–920°Cの範囲 | 1050°Cで30秒以上の予備アニーリングにより、98%の結晶化度を達成し、擬似Vocを747 mVに向上 |
| 銀ペースト | 従来のペースト。外部アモルファス層と組み合わせてAg浸透を制限 | アルカリ金属酸化物修飾ペースト（4 wt% Na₂O/K₂O、粗い銀粉）により、接触抵抗率を0.55 mΩ·cm²に低減 |
| 裏面形状 | 従来の裏面研磨 | 平坦化裏面研磨。p-TOPConは表面テクスチャに敏感で、より低いJ₀が必要なため |
| 主な目標 | Ag浸透をブロックしつつ、パッシベーションを維持 | Ag浸透をブロックし、ホウ素関連界面欠陥を抑制し、p+ poly-Siメタライゼーションを改善 |
報告されたプロセスデータには、650°Cでのin-situ裏面酸化、約1 nmの中間SiOx層、1 × 10²⁰ cm⁻³のホウ素ドーピング、1050°C予備アニーリング後の98%結晶化度、747 mVの擬似Voc、粗い銀粉を用いたアルカリ金属修飾ペーストによる0.55 mΩ·cm²の接触抵抗率が含まれる。
見落としがちな詳細が一つある。 外部p+ poly-Si層の厚さは90 nmで、n-TOPCon側で使用される約60 nmの外部層より50%厚い。
これは恣意的な増加ではない。ホウ素はリンよりもpoly-Siへの固溶度が低いため、接触抵抗率を低減するには高ドープ部分により厚みが必要となる。同時に、1050°Cの予備アニーリング工程によりホウ素が内部に拡散する。より厚い外部層は、ホウ素が浸透して底部のSiOx層を損傷するのを防ぐのに役立つ。
これはn-TOPCon戦略とは逆であり、n-TOPConでは外部層をより薄く、よりアモルファスに保つことができる。
前面：430 Ω/□戦略は局所化に置き換えられる
前回の研究で残された疑問は、430 Ω/□の高抵抗ホウ素エミッタ戦略がフィンガー状n-TOPCon前面コンタクトにも適用できるかどうかであった。
26.34%セルからの答えは明確である： 適用できない。設計は別の方向に進む。
26.66%セルは、シート抵抗430Ω/□の従来のホウ素拡散フロントエミッタを使用しています。約10μmの細い金属フィンガーが、弱い横方向導電性を補います。
26.34%セルは、従来のフロントホウ素エミッタを除去し、代わりに 約210μm幅のパターン化されたn-TOPConフィンガーを配置し、ポリSiは金属コンタクト領域の下のみに残します。.
したがって、再結合低減メカニズムは、高シート抵抗によるドーパント濃度の希釈から、ポリSiで覆われる面積の低減へと変化します。
まずテクスチャが変更されます。 オゾンとHFを使用してピラミッドの先端を丸めます。これにより、鋭いテクスチャのピーク周辺でのパッシベーション不良と銀ペースト腐食が低減されます。
LPCVDに勾配熱場（GTF）が導入されます。 ラマン半値全幅は8.4cm⁻¹に達します。値が低いほど結晶性が良好であることを示します。勾配熱場は、横方向および垂直方向の温度均一性を向上させ、n+ポリSiの結晶性を高めます。
リン doping は3.3×10²⁰cm⁻³に達します。 これは、26.66%リアコンタクトで使用されるリン濃度よりも約1桁高い値です。フロントn+フィンガーは、全面パッシベーションではなく導電性を目的として設計されています。パッシベーションの大部分は、全面リアp-TOPConコンタクトが担います。
フィンガー幅は約210μmです。 ポリSiは金属の下に残り、非コンタクトのテクスチャ領域は覆われません。これにより、全面ポリSiコンタクトと比較して、フロント側の寄生吸収が大幅に低減されます。
430Ω/□のアプローチはホウ素エミッタ時代のものです。フィンガー型n-TOPCon構造では、再結合は 局所的なポリSi被覆、丸みを帯びた表面テクスチャ、およびGTF-LPCVDによる結晶性の向上によって制御され、単にシート抵抗を上げるのではありません。
これは、26.34%セルが743.2mVのVocを達成し、26.66%セルの744.6mVに近い一方で、より高いJscも達成する理由を説明するのに役立ちます。局所的なフロントコンタクトにより、全面フロントポリSi構造に残る寄生吸収が低減されます。
2つの26%姉妹設計の比較
リア二重層SiOx/ポリSiコンタクト
| 層またはプロセス | 26.66% n-TOPCon 裏面 | 26.34% p-TOPCon 裏面 | 差異の主な理由 |
|---|---|---|---|
| 底部 SiOx | 約1.3～1.6 nm、620°CのO₂中で形成 | 約1.8 nm、650°Cでその場形成 | p型側はホールトンネリングがより困難であるにもかかわらず、ホウ素の浸透に対するより強力なバリアが必要 |
| 内部ポリSi | 約40 nm、軽度のリン添加、高結晶性 | 36 nm、軽度のホウ素添加 | ホウ素の固溶度は低いため、薄い内部層でもパッシベーションを維持可能 |
| 中間 SiOx | 約1.5 nm、620°CのO₂中で形成 | 約1 nm、その場形成 | p型側ではトンネリングにより厳しい条件が求められるため、中間層は厚すぎてはならない |
| 外部ポリSi | 約60 nm、高濃度リン添加、主にアモルファス | 90 nm、高濃度ホウ素添加 | p+ポリSiのメタライゼーションはより困難であり、より厚い層と改良されたペーストが必要 |
| アニーリング | 約880～920°C | 1050°Cの予備アニール、98%の結晶化度に到達 | ホウ素はより高い活性化温度を必要とし、プロセスはホウ素関連の界面欠陥も制御する必要がある |
| 銀ペースト | 従来のペーストとアモルファス外部層の組み合わせ | 4 wt%のアルカリ金属酸化物と粗い銀粉 | p+ポリSiのメタライゼーションは、依然として主要なプロセスボトルネックの一つ |
表面比較
| 項目 | 26.66% 表面 | 26.34% 表面 |
|---|---|---|
| 構造 | 全面ホウ素拡散エミッタ | 局所的なn-TOPConフィンガー、幅約210 μm |
| 再結合制御戦略 | 高シート抵抗430 Ω/□によるドーピングの希釈 | ポリSi被覆率の低減と丸みを帯びたテクスチャの組み合わせ |
| 表面テクスチャ | 従来の逆ピラミッドテクスチャ | オゾンおよびHF処理による丸みを帯びたピラミッド |
| Poly-Si堆積 | 該当なし | GTF-LPCVD、ラマンFWHM 8.4 cm⁻¹ |
| ドーパント | ホウ素 | リン、3.3 × 10²⁰ cm⁻³ |
二つの論文が26%超の裏面コンタクト開発について述べていること
総合的なメッセージはかなり直接的です。
25%レベルでは、酸化膜のピンホール挙動に焦点が当てられていました。26%レベルでは、開発は二層SiOx/poly-Si構造とメタライゼーションエンジニアリングへと移行しました。26.3%を超えると、経路は分岐し始めます。n-TOPCon裏面コンタクトは両面電気的相乗効果を追求し、一方p-TOPCon裏面コンタクトは局所的な前面フィンガーを備えた裏面接合レイアウトへと移行します。後者はすでに部分的なBC-TOPConアーキテクチャに近いものです。
銀の浸透を防ぐために使用される中間SiOx層は、両方の二層裏面コンタクト設計に共通の特徴です。しかし、p-TOPCon側ではさらに3つの問題を解決する必要があります。
ホウ素を活性化し、結晶性を高め、ホウ素関連の界面問題を抑制するために、1050°Cの予備アニール工程が必要です。
p+ poly-Siの困難なメタライゼーションに対処するために、アルカリ金属酸化物修飾銀ペーストが必要です。
p-TOPConは表面テクスチャとそのJ₀への影響により敏感であるため、裏面研磨と平坦化がより重要になります。
これらの問題は26.66% n-TOPCon設計では中心的なものではありませんでした。簡単に言えば、 二層p-TOPConコンタクトはn-TOPConのものよりも製造が困難ですが、プロセスが制御されればより高いVocの可能性を提供するかもしれません。
26.34%セルにおける二層裏面p-TOPConコンタクトは、747 mVの暗示Vocに達し、26.66%設計について議論された推定全体暗示Vocレベルよりもわずかに高い値でした。
直接適用可能な生産ラインのパラメータ
裏面研磨と平坦化を改善します。 p-TOPCon生産ラインでは、裏面研磨を「十分良い」だけで済むプロセスとして扱うべきではありません。平坦化は、n-TOPConよりも二層p-TOPConコンタクトのJ₀に強い影響を与えます。
中間SiOx層を約1 nmでin situ形成します。 26.66% n-TOPCon構造で使用された1.5 nm熱酸化膜をコピーすると、トンネリングが減少し、p型側のFFを損なう可能性があります。
1050°Cの予備アニール工程を導入する。 この処理がないと、ホウ素の活性化と98%の結晶化度を達成するのは難しく、747 mVの暗示的Vocは実現しそうにない。
アルカリ金属酸化物で修飾された銀ペーストを使用する。 報告されている配合では、4 wt%のNa₂O/K₂Oと粗い銀粉末を使用している。p-TOPCon側では、接触抵抗率0.55 mΩ·cm²は難しい目標である。従来のペーストでは、p+コンタクトで直列抵抗が急激に上昇する可能性がある。
前面フィンガー幅を約210 μmに制御する。 レーザーパターニング精度は、より狭いコンタクト形状に対応する必要がある。フィンガー幅をさらに狭くすると、寄生吸収をさらに低減できる可能性があるが、二重層スタックへのレーザー損傷を再評価する必要がある。
BC-TOPConの次の課題
26.34%の構造は、前面n-TOPConフィンガーと全面二重層p-TOPCon裏面コンタクトを備えており、実質的にBC-TOPConの部分的なバージョンである。
次の論理的なステップは、裏面p-TOPConコンタクトも局所化し、裏面p型フィンガーとn型フィンガーをインターデジタルパターンで配置することである。これにより、真のBC-TOPCon構造が実現する。
これにより新たな疑問が生じる。局所化された裏面p-TOPConコンタクトの中間SiOx層は、純粋なSiO₂のままであるべきか、それとも OGOタイプのルートに従った窒素ドープSiOx に置き換えて、電界パッシベーションを強化すべきか？別の選択肢としては、 AlOx/SiOxスタックがあり、酸化アルミニウムの電界効果を二重層SiOx/poly-Siコンタクトと組み合わせて使用する。
26.34%の研究では、裏面p-TOPConコンタクトが全面であり、局所的な電界効果パッシベーションに依存していなかったため、この問題は検討されなかった。しかし、裏面p型コンタクトがフィンガー状になると、AlOx電界効果パッシベーションと二重層SiOx/poly-Si構造の組み合わせが、重要な次のステップの選択肢となる可能性がある。
タンデム関連のプロセス上の疑問もある。32.73%のタンデムで使用されたボトムセルは、テクスチャ加工された前面を有する。図1のシミュレーションは、両面フィンガーTOPCon構成が、全面両面TOPCon構造よりも高いタンデムポテンシャルを持つ可能性があることを示している。
しかし、テクスチャ加工された前面表面に局所的なn-TOPConフィンガーがある場合、フォトルミネッセンスの均一性をどのように制御すべきでしょうか？過剰なレーザーエネルギーは、ピラミッドの先端を局所的に焼いたり平坦化したりする可能性があります。これにより、丸みを帯びたピラミッド処理によって作られたプロセスウィンドウの一部が消費される可能性があります。
3つの研究（25.4%のDas Solarセルから26.66%および26.34%のセルまで）を通じて、裏面コンタクトのロジックは3世代にわたって進化してきました： 酸化物ピンホール制御、銀の浸透に対する二重層保護、そして最後にアルカリ金属修飾メタライゼーションと組み合わせた二重層p-TOPConです。
Ooitechの見解
ここでの真のボトルネックはプロセスウィンドウです。p-TOPConが全面裏面コンタクトから局所的なBCフィンガーに移行すると、接触抵抗率、レーザー損傷、ホウ素活性化、電界効果パッシベーションを一つの結合システムとして最適化する必要があります。より薄い中間SiOx層はFFを保護する可能性がありますが、銀の浸透やホウ素駆動の界面損傷に対するマージンも減少させます。次の有用な結果は、ピーク効率値だけでなく、量産サイズのウェーハ上でこの完全な統合ウィンドウを実証するものになるでしょう。
