TOPCon سیلز میں پن ہولز: حیران کن راستہ

مختصر جواب: TOPCon سیلز پر تحقیق سے پتہ چلا ہے کہ جان بوجھ کر کنٹرول شدہ مقدار میں پتلی آکسائیڈ چھوڑنا پاسیویشن کو بہتر بناتا ہے بجائے اس کے کہ اسے خراب کرے، جو ایک طویل عرصے سے قائم مفروضے کو الٹ دیتا ہے۔ اس مطالعے میں 0.2 nm اور 0.3 nm کی حد میں آکسائیڈ کی تہوں کو 1.7 nm کے حوالے کے خلاف ماپا گیا، اور پتہ چلا کہ پتلی، جان بوجھ کر برقرار رکھی گئی آکسائیڈ نے محض مزاحمت نہیں بڑھائی۔ TOPCon سیل میں ٹنل آکسائیڈ اتنی پتلی ہونی چاہیے کہ کیریئرز اس میں سے ٹنل کر سکیں اور اتنی موٹی ہونی چاہیے کہ سطح کو پاسیویٹ کر سکے، اور روایتی ہدف ایک یا دو نینو میٹر پر ہے۔ نتیجہ یہ بتاتا ہے کہ حد اتنی واضح نہیں جتنی فرض کی گئی تھی، اور یہ کہ انٹرفیس کی کیمیائی حالت کی اہمیت اتنی ہی ہے جتنی موٹائی کی۔ پروڈکشن لائن کے لیے، یہ توجہ صرف موٹائی کے بجائے انٹرفیس کنٹرول کی طرف مبذول کرتا ہے۔

PV ماڈیول مینوفیکچرنگ · از جیری، Ooitech

جائزہ

یہاں کچھ ایسی بات ہے جو سلیکون PV میں ایک طویل عرصے سے قائم مفروضے کو پلٹ دیتی ہے۔ محققین نے پایا کہ جان بوجھ کر کسی TOPCon سیل کی SiOx پرت میں مخصوص "پن ہولز" چھوڑنا کارکردگی کو کم کرنے کے بجائے 26.55% تک بڑھا سکتا ہے۔

اہم دریافت: ٹنل آکسائیڈ میں پن ہولز دو خاندانوں میں تقسیم ہوتے ہیں۔ ایک ری کمبینیشن ٹائپ ہے (آکسیجن سے محروم، جہاں پولی-Si براہ راست c-Si سے رابطہ کرتا ہے، برا)، دوسرا پیسیویٹنگ ٹائپ ہے (بقایا آکسیجن پیچھے رہ جاتی ہے، ڈینگلنگ بانڈز کو پیسیویٹ کرتی ہے جبکہ ٹنلنگ کی اجازت بھی دیتی ہے، اچھا)۔ پیسیویٹنگ ٹائپ کراس سیکشن میں تقریباً 1.6 ± 0.2 nm × 1.4 ± 0.3 nm ناپا گیا، جس کی رقبائی کثافت 2 × 10¹² cm⁻² ہے۔ ایک Fischer ماڈل نے ظاہر کیا کہ ڈیوائس کی کارکردگی کا فیصلہ پن ہول کی جیومیٹری نہیں، بلکہ یہ کرتی ہے کہ پن ہول پیسیویٹڈ ہے یا نہیں۔

حوالہ: 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

تحقیقی پس منظر اور وہ مسئلہ جو اٹکا رہا

TOPCon اب n-ٹائپ سلکان کا مین اسٹریم ہے۔ Runergy نے 335 cm² پر 26.55% حاصل کیا، Jinko نے TOPCon کے ساتھ پیرووسکائٹ ملا کر 33.24% تک پہنچا، اور سنگل سائیڈ n-TOPCon کی نظریاتی حد 27.79% ہے۔ لیکن کسی نے بھی یہ طے نہیں کیا تھا کہ انٹرفیشل SiOx پرت میں پن ہولز دراصل کیا کردار ادا کرتے ہیں۔

روایتی نظریہ: پن ہول کا مطلب ہے پولی-Si سیدھا c-Si میں گھس جاتا ہے، آکسیجن پیسیویشن ناکام ہو جاتی ہے، بری خبر۔

حقیقت اس سے زیادہ پیچیدہ ہے۔ آکسائیڈ بہت موٹی (>1.7 nm) اچھی پیسیویٹ کرتی ہے لیکن ٹنلنگ خراب ہوتی ہے، اس لیے FF گر جاتا ہے۔ آکسائیڈ بہت پتلی (<1.3 nm) کا مطلب ہے زیادہ پن ہولز، اور اب آپ Voc گرنے کی فکر کرتے ہیں۔

مصنفین نے آکسائیڈ کی موٹائی کے ساتھ آکسیجن کی تقسیم کو تین صورتوں میں تقسیم کیا (تعارف کا حصہ):

• صورت 1: موٹی آکسائیڈ، پیسیویشن ٹھیک، ٹنلنگ بہترین نہیں

• صورت 2: پتلی آکسائیڈ کے ساتھ آکسیجن کی کمی، جس سے ری کمبینیشن ٹائپ پن ہولز بنتے ہیں (کلاسک "برا پن ہول")

• صورت 3: پتلی آکسائیڈ لیکن آکسیجن پھر بھی پن ہول میں سرایت کرتی ہے، جس سے پیسیویٹنگ ٹائپ پن ہولز بنتے ہیں (یہاں کی نئی دریافت)

اس سے پہلے، HR-TEM کی ریزولوشن 2 nm سے کم خصوصیات دیکھنے کے لیے کافی اچھی نہیں تھی۔ لٹریچر میں پن ہول کے قطر 5 nm سے 200 nm اور کثافت 10⁶ سے 10⁸ cm⁻² بتائی گئی تھی، جو سب صرف "بڑے سوراخ" تھے۔ سلیکٹو ایچنگ اور c-AFM Si اور SiOx کے درمیان ایچ ریٹ کے فرق پر انحصار کرتے ہیں، اس لیے بقایا آکسیجن والے علاقے ایچ ہو کر کھلتے ہی نہیں۔ پیسیویٹنگ پن ہولز قدرتی طور پر ان طریقوں سے فلٹر ہو جاتے تھے۔ اسی لیے صورت 3 اتنی دیر تک نظر نہ آئی۔

میکانزم: دو اقسام کے پن ہول (شکل 2)

ایبریشن-کریکٹڈ HAADF-STEM (JEM ARM200F کے ساتھ Spectra 300، 200/300 kV) نے ایک ہائی ایفیشنسی ویفر (25.40%) اور ایک لو ایفیشنسی کنٹرول (24.07%) پر پولی-Si/SiOx/c-Si انٹرفیس اسکین کیا۔

اہم نکتہ: ہائی ایفیشنسی ویفر پر پن ہولز دراصل چھوٹےہیں، اور آکسیجن بہتر طور پر برقرار رکھتے ہیں۔ تمام سائز پہلے کے لٹریچر میں بتائے گئے سائز سے ایک آرڈر آف میگنیٹیوڈ چھوٹے ہیں۔

Fischer پوائنٹ-کانٹیکٹ ماڈل کے نتائج (اصل میں Fig. 3d):

• پن ہول ایریا فریکشن f = πr²/P²، لیکن J₀ f کے لیے غیر حساس ہے۔ اصل غلبہ پن ہول پر سطحی ری کمبینیشن ویلیوسٹی S کا ہے۔

• f ≈ 0.1 کے قریب، ایک بار S ≳ 10³ cm/s ہو جائے تو J₀ تیزی سے بڑھتا ہے، اور S > 10⁵ cm/s سے اوپر سیر ہو جاتا ہے۔

• مطلب: اعلیٰ کارکردگی کی کلید "صفر پن ہولز" نہیں، بلکہ "ایسے پن ہولز جو پیسیویٹڈ ہوں" ہے۔ یہ پوری پیپر کی سب سے بڑی جھلک ہے۔

کثافت کے بارے میں، یہ کسی حد تک انقلاب ہے۔ 40 ویفرز (ہائی پلس لو ایفیشنسی) میں X-Y آرتھوگونل سلائسنگ سے اعداد و شمار نے پیسیویٹنگ کے لیے 2 × 10¹² cm⁻² اور ری کمبینیشن پن ہولز کے لیے 3 × 10¹² cm⁻² دیا، جو لٹریچر کی قدروں سے 4 سے 6 آرڈرز آف میگنیٹیوڈ زیادہ ہے۔

تین وجوہات جمع ہوتی ہیں: پہلے، تصور بدلا، اس لیے پہلے فلٹر ہو جانے والے پیسیویٹنگ نینو ڈیفیکٹس نظر آنے لگے؛ دوسرے، نمونے 25% سے اوپر کے صنعتی طور پر بہتر ویفرز ہیں، ٹیسٹ اسٹرکچرز نہیں؛ تیسرے، طریقہ ایٹمی سطح کا HAADF ہے، اور بالواسطہ طریقے 2 nm سے کم آکسیجن والے علاقے کو دیکھ ہی نہیں سکتے۔ 50 سے 150 nm موٹے TEM نمونوں میں بیم کی سمت کے ساتھ اوورلیپ سے بچنے کے لیے، مصنفین نے موٹائی کی سمت کے ساتھ 4D-STEM ptychography سے بیک اسٹاپ کیا، جس نے تصدیق کی کہ کثافت کے اعداد و شمار پروجیکشن اوورلیپ سے مسخ نہیں ہوئے۔

پروسیس لینڈنگ پوائنٹ: دو مرحلوں والا آکسیڈیشن کے ساتھ بیک پالشنگ اور پولی ٹرپل کپلنگ

اصل Methods کے ساتھ SI سے متغیرات (Supplementary Table 1):

• دو مرحلوں والا آکسیڈیشن: پہلے O₂ آکسیڈیشن سے پتلی SiO₂، پھر آکسیجن سے محروم مرحلہ (آکسیجن نہیں دی جاتی)۔ پیسیویٹنگ ٹائپ کے لیے زیادہ آکسیجن فلو ٹائم، زیادہ درجہ حرارت، زیادہ فلو، اور زیادہ پریشر درکار ہے، جو یکساں، گھنی آکسائیڈ کے لیے سازگار ہے۔

• POCl₃ ڈفیوژن: کم ڈیپوزیشن درجہ حرارت کے ساتھ کم وقت پولی کرسٹلائزیشن کو بہتر بناتا ہے اور ری کمبینیشن ٹائپ پن ہولز کو دباتا ہے۔

• بیک پالشنگ مورفولوجی آکسائیڈ کی موٹائی کی یکسانی سے پہلے آتی ہے۔ صورت 3 کو مستحکم طور پر پیدا کرنے کے لیے تینوں کو مل کر ٹیون کرنا ہوتا ہے۔

کارکردگی کا موازنہ (Fig. 4 ہارڈ ڈیٹا)

سیمیٹرک ڈبل سائیڈ پولی-Si/SiOx نمونے (n-Si 1–3 Ω·cm، ڈبل سائیڈ پالشڈ):

• τeff: 8.9 ms ہائی ایفیشنسی بمقابلہ 2.96 ms کنٹرول (انجیکشن 5×10¹⁵ cm⁻³)

• J₀: 2.6 بمقابلہ 10.6 fA/cm²

• ΔVoc 15.9 mV پر ماپا گیا، لیکن صرف J₀ کا فرق تقریباً 11 mV کی وضاحت کرتا ہے۔ باقی تقریباً 5 mV مصنفین بہتر بلک SRH لائف ٹائم سے منسوب کرتے ہیں۔ بہتر شدہ اینیل، پاسیویٹنگ پن ہولز بناتے ہوئے، دھاتی نجاستوں کو بھی گیٹر کرتا ہے (Krügener کے 25% POLO کام کا حوالہ دیتے ہوئے)۔ انٹرفیس اور بلک دونوں کو ایک ساتھ ٹھیک کرنا 25% سے آگے بڑھنے کی ترکیب ہے۔

FF کے لیے، فرق بنیادی طور پر Rs سے آتا ہے:

• Rs: 357 (ہائی ایفیشنسی) بمقابلہ 619 mΩ·cm² (کنٹرول)، Suns-Voc سے ماپا گیا

• ρc (TLM): 4.6 بمقابلہ 5.4 mΩ·cm²

غیر متوقع نکتہ: "زیادہ گھنے پن ہولز کم ρc" کی منطق سے، ہائی ایفیشنسی ویفر پر زیادہ پاسیویٹنگ پن ہولز کا مطلب کم ρc ہونا چاہیے، اور واقعی 4.6 < 5.4۔ لیکن مصنفین ایک نیا موڑ شامل کرتے ہیں۔ ری کمبینیشن قسم کے پن ہولز کے قریب، فاسفورس ویفر میں پھیلتا ہے، جبکہ پاسیویٹنگ اقسام آکسیجن سے روک دی جاتی ہیں (ضمنی شکل 10 میں EDS ڈوپنگ پروفائل)۔ لہٰذا ڈوپنگ پروفائل اور کنٹیکٹ ریزسٹنس دو الگ منطقیں رکھتے ہیں، اور آپ انہیں صرف پن ہول کثافت سے نہیں سمجھا سکتے۔

PL پورے ویفر میں یکساں تھا، اور Voc کی تقسیم کی Corescan میپنگ بھی بڑے رقبے کی یکسانیت کے لیے برقرار رہی۔

صنعت کے لیے ایک سطر

یہ مقالہ TOPCon انٹرفیس کو "برقرار آکسائیڈ بمقابلہ پن ہول لیکیج" کی دو رخی کہانی سے ایک سہ رخی کہانی کی طرف لے جاتا ہے: "پن ہولز بھی اچھے ہو سکتے ہیں، جب تک آکسیجن موجود ہو"۔ صنعت کو آگے کیا کرنے کی ضرورت ہے وہ صفر پن ہولز کا جنون نہیں، بلکہ بیک پالشنگ سے آکسیڈیشن سے پولی ڈیپوزیشن چین کو ایسے ٹیون کرنا ہے کہ پن ہولز آکسیجن لے کر چلیں۔ Daheng کا ویفر 333.3 cm² پر 25.40% کے ساتھ پہلے ہی ثابت کر چکا ہے کہ راستہ کام کرتا ہے۔

Ooitech کا نقطہ نظر

یہاں ہمیں جو چیز حیران کن لگتی ہے وہ یہ ہے کہ اس کا کتنا حصہ پروسیس چین پر منحصر ہے، نہ کہ صرف سیل ڈیزائن پر۔ وہ دو مرحلوں والی آکسیڈیشن، POCl₃ ٹیوننگ، اور بیک پالشنگ سب کو ایک ساتھ چلنا ہوتا ہے، یہ بالکل وہی جوڑ ہے جو کھو جاتا ہے جب لائن ٹکڑوں میں جمع کی جاتی ہے۔ ماڈیول کی طرف ہم وہی نمونہ دیکھتے ہیں، جہاں لیمینیشن اور سٹرنگنگ ٹالرنس خاموشی سے فیصلہ کرتی ہیں کہ اچھا سیل اپنا Voc برقرار رکھتا ہے یا نہیں۔ اگر آپ قریب سے دیکھنا چاہتے ہیں کہ یہ انٹرفیس کے لیے حساس عمل حقیقی پروڈکشن فلور پر کیسے منتقل ہوتے ہیں، تو YouTube پر ہماری فیکٹری واک تھرو (www.youtube.com/ooitech) سبسکرائب کرنے کے قابل ہیں۔