La scoperta di microfori passivanti nelle celle solari TOPCon apre la strada a efficienze più elevate

I ricercatori del produttore cinese di moduli DAS Solar, della Hebei University e del centro di ricerca tedesco Forschungszentrum Jülich GmbH hanno scoperto che all’interfaccia delle celle solari TOPCon esistono due tipologie distinte di microfori (pinholes), ovvero i microfori ricombinativi e i microfori passivanti.

I primi corrispondono alla tipologia convenzionalmente riconosciuta e riportata in letteratura, in cui il contatto diretto tra silicio policristallino e silicio cristallino genera un elevato numero di difetti dovuti a legami pendenti; i secondi rappresentano invece una categoria di nuova scoperta, nella quale all’interfaccia tra silicio policristallino e silicio cristallino (poly-Si/c-Si) viene trattenuta una quantità sufficiente di ossigeno in grado di passivare i difetti da legami pendenti.

“Questa microstruttura unica non è presente nelle celle solari a eterogiunzione di silicio (HJT) né nelle celle con emettitore passivato e contatto posteriore (PERC), il che indica che le celle solari TOPCon sono in grado di raggiungere prestazioni superiori, in linea con le previsioni teoriche”, ha dichiarato a pv magazine Dengyuan Song, autore principale della ricerca.

A differenza dei microfori ricombinativi, che presentano una marcata ricombinazione dei portatori di carica a causa dell’elevata densità di legami pendenti, i microfori passivanti trattengono una quantità sufficiente di ossigeno per passivare efficacemente tali legami, consentendo al tempo stesso un efficiente tunneling dei portatori. “Ciò implica che i microfori contribuiscono effettivamente al trasporto dei portatori, ma non sono necessariamente dannosi per la passivazione”, ha aggiunto Song. “L’elemento chiave non risiede nei microfori in sé, ma nel fatto che siano o meno passivati. Questa conclusione fornisce una direzione chiara per il successivo miglioramento dell’efficienza delle celle TOPCon e rafforza ulteriormente il valore applicativo, in termini ingegneristici, della teoria dei microfori passivanti”.

Nell’articolo intitolato “Passivating pinholes for large-area and high-efficiency silicon solar cells with tunnel oxide passivated contact”, pubblicato su Nature Communications, i ricercatori spiegano che, nella fabbricazione industriale delle celle solari TOPCon, la lucidatura alcalina del lato posteriore produce spesso superfici non uniformi, causando uno spessore non omogeneo dello strato di ossido.

Questo può dar luogo a tre scenari: uno strato di ossido spesso, superiore a 1,7 nm, garantisce un’eccellente passivazione dei difetti ma limita il tunneling dei portatori; uno strato di ossido sottile, inferiore a 1,3 nm, provoca una passivazione insufficiente da parte dell’ossigeno, formando microfori ricombinativi dannosi; uno strato sottile intermedio, invece, può trattenere ossigeno nei punti di contatto del reticolo cristallino, creando microfori passivanti benefici.

I primi due scenari sono stati ampiamente studiati mediante microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HR-TEM), nonché tramite attacco chimico e misure di corrente indotta da fascio elettronico (EBIC). La HR-TEM ha evidenziato spessori dell’ossido compresi tra 1,0 e 2,2 nm e strutture subnanometriche denominate nanopits, mentre i veri e propri microfori restano difficili da identificare. Il terzo scenario, che coinvolge i microfori passivanti, non era mai stato osservato nel fotovoltaico al silicio cristallino prima di questa nuova ricerca.

Per i loro esperimenti, gli scienziati hanno utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione con correzione dell’aberrazione sferica (AC-TEM) per osservare con precisione atomica l’interfaccia tra ossido di silicio (SiOₓ) e silicio policristallino (PolySi), ottenendo prove fisiche chiare dell’esistenza di due tipi di microfori.

Utilizzando un processo di ossidazione ottimizzato in deposizione chimica da vapore a bassa pressione (LPCVD), combinato con tecniche mirate di lucidatura del lato posteriore e deposizione di policristallino, il team di ricerca ha realizzato celle solari TOPCon da 333,3 cm² su wafer di silicio quasi quadrati delle dimensioni di 182 mm × 183,75 mm.

La parte frontale della cella presenta una struttura selective emitter (SE) conforme agli standard industriali, composta da regioni drogate al boro e dopate al laser, uno strato di passivazione in ossido di alluminio e un rivestimento antiriflesso in nitruro di silicio (SiNₓ). Questa configurazione produce un eccellente profilo di drogaggio della giunzione, raggiungendo una resistività di contatto fino a 1 mΩ·cm² e un parametro di ricombinazione dei portatori dell’emettitore inferiore a 5 fA/cm².

Sul lato posteriore, una giunzione in silicio policristallino è formata inserendo un sottilissimo strato isolante di ossido di silicio (SiOₓ) tra il wafer di silicio cristallino e lo strato di policristallino fortemente drogato. I microfori nello strato di SiOₓ sono classificati come poveri di ossigeno o ricchi di ossigeno, corrispondenti rispettivamente a microfori ricombinativi e passivanti.

La microstruttura dei microfori è determinata dall’ossidazione termica durante la deposizione del silicio policristallino in LPCVD. Il contenuto di ossigeno nei microfori può essere controllato tramite la temperatura, la durata e l’atmosfera del processo di ossidazione. È stato adottato un metodo a due fasi: una prima ossidazione in ambiente ricco di ossigeno per formare un sottile strato di SiO₂, seguita da un trattamento in condizioni povere di ossigeno.

Gli accademici hanno identificato le regioni a contrasto elevato come posizioni dei microfori. La mappatura STEM-EELS (spettroscopia di perdita di energia degli elettroni) ha mostrato che i microfori delle celle ad alta efficienza mantenevano sufficiente ossigeno all’interfaccia poly-Si/c-Si, formando microfori passivanti con cavità povere di ossigeno più piccole. Al contrario, le celle a bassa efficienza mostravano microfori con carenza di ossigeno, generando cavità più grandi e i tradizionali pinholes ricombinativi. Un’analisi EDS-STEM (spettroscopia a dispersione di energia) in sezione trasversale ha confermato tali risultati.

Testata in condizioni standard di illuminazione, la cella “campione” dotata di microfori passivanti ha raggiunto un’efficienza di conversione di potenza del 25,40% e una tensione a circuito aperto di 38,7 mV.

“Per migliorare l’efficienza delle celle TOPCon — ha concluso Song — l’ottimizzazione industriale dovrebbe concentrarsi sulla lucidatura della superficie posteriore, sul controllo dello strato di ossido e sulla lavorazione dello strato policristallino, per aumentare i microfori passivanti, bilanciando la passivazione dell’interfaccia con il tunneling dei portatori, così da ottenere una tensione a circuito aperto e un fattore di riempimento più elevati”.

“I lavori futuri — ha aggiunto — potrebbero esplorare la formazione controllata di microfori passivanti attraverso processi di ossidazione e ricottura ottimizzati, applicando poi questi risultati alle celle tandem basate su TOPCon, incluse le architetture TOPCon-BC e perovskite/TOPCon”.

Lo stesso gruppo di ricerca aveva presentato a febbraio un nuovo metodo per identificare i punti caldi nei moduli solari TOPCon a contatto posteriore. In precedenza, nell’ottobre 2025, aveva sviluppato una cella solare al silicio con uno strato di trasporto delle lacune innovativo (HTL), progettato per semplificare la produzione e ridurre i costi.

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