Die jüngste Entdeckung von passivierenden Pinholes in TOPCon -Solarzellen eröffnet ein neues Potenzial zur Steigerung der Umwandlungseffizienz von Silizium – Photovoltaik. Durch gezielte Optimierung der Oxidschichtbildung können diese mikroskopisch kleinen Strukturen die Ladungsträger-Tunneling-Effizienz erhöhen und gleichzeitig die Rekombination an der Grenzfläche reduzieren. Aktuelle Messungen zeigen, dass Zellen mit passivierenden Pinholes Effizienzwerte von bis zu 25,40 % erreichen – ein signifikanter Unterschied zu Zellen ohne diese Struktur.
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Was sind passivierende Pinholes?
Passivierende Pinholes sind winzige, mit Sauerstoff angereicherte Stellen im Silizium-Oxid-Kontakt (TOPCon), die die Rekombination von Ladungsträgern verhindern. Durch das Vorhandensein von ausreichend Sauerstoff werden Dangling-Bond-Defekte an der Poly-Si/c-Si-Grenzfläche passiviert, während gleichzeitig ein effizienter Tunnel-Transport ermöglicht wird.
Entdeckung und Charakterisierung der Pinholes in TOPCon-Zellen
Zwei Arten von Pinholes
- Rekombinative Pinholes: Sauerstoffarm, führen zu starker Ladungsträger-Rekombination und reduzieren die Zellleistung.
- Passivierende Pinholes: Sauerstoffreich, ermöglichen effizientes Tunneling und erhalten die Oberflächenpassivierung.
Die Unterscheidung wurde mittels hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM), Electron-Beam-Induced-Current (EBIC) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) nachgewiesen. In den untersuchten TOPCon-Zellen zeigte sich, dass passivierende Pinholes in Hochleistung-Geräten deutlich mehr Sauerstoff enthalten als in Geräten mit niedrigerer Effizienz.
Einfluss der Oxidschichtdicke auf die Pinhole-Bildung
Die Dicke der Oxidschicht ist ein kritischer Parameter für die Entstehung und das Verhalten der Pinholes:
- Bei mehr als 1,7 nm wird die Defektpassivierung zwar ausgezeichnet, jedoch wird das Ladungsträger-Tunneling stark eingeschränkt.
- Bei weniger als 1,3 nm fehlt ausreichender Sauerstoff, was zur Bildung rekombinierender Pinholes führt.
- Ein optimales Intervall von 1,3-1,7 nm ermöglicht die Entstehung von passivierenden Pinholes, die sowohl Passivierung als auch effizientes Tunneling gewährleisten.
Die optimale Oxidschichtdicke von 1,3-1,7 nm wurde für das Jahr 2026 als empfohlenes Fertigungsintervall definiert. Dieser Bereich balanciert die beiden konkurrierenden Anforderungen und ist besonders relevant für die industrielle Skalierung von TOPCon-Zellen.
Leistungsdaten von Zellen mit passivierenden Pinholes
- Power Conversion Efficiency (PCE): 25,40 % (2026, maximale gemessene Effizienz bei Zellen mit passivierenden Pinholes)
- Offene Stromspannung (Voc): 38,7 mV (2026, gemessen am Champion-Cell)
- Kontaktwiderstand: 1 mΩ·cm² (bei standardisiertem selektivem Emitter).
- Emitter-Rekombinationsparameter: < 5 fA/cm².
Diese Kennzahlen belegen, dass die Integration passivierender Pinholes nicht nur die Effizienz, sondern auch die elektrische Qualität der Zelle signifikant verbessert.
Potenzielle Risiken und Gegenargumente
- Herstellungskostensteigerung: Die Optimierung von Oxidschichtdicke, Rückseiten-Politur und Poly-Si-Abscheidung erfordert komplexere Prozessschritte, was zu höheren Produktionskosten führen kann und die Wettbewerbsfähigkeit im Markt beeinträchtigen könnte.
Dieses Risiko muss gegen den Effizienzgewinn abgewogen werden, insbesondere bei großflächigen Anlagen, wo jede prozentuale Effizienzsteigerung erhebliche Ertragszuwächse bedeutet.
Ausblick und zukünftige Forschungsrichtungen
- Entwicklung kontrollierter Oxidations- und Glühprozesse zur gezielten Erzeugung passivierender Pinholes.
- Übertragung der Erkenntnisse auf Tandemzellen, z. B. TOPCon-/ Perowskit -Architekturen.
- Untersuchung von Low-Pressure-CVD-Optimierungen, um die Oxidschichtdicke konsistent im optimalen Intervall zu halten.
- Langzeit-Stabilitätsstudien, um die Dauerhaftigkeit der passivierenden Pinholes unter realen Betriebsbedingungen zu prüfen.
Die aktuelle Studie betont, dass die kontrollierte Bildung von passivierenden Pinholes nicht nur für einzelne TOPCon-Zellen, sondern auch für zukünftige Hochleistung-Tandemtechnologien von zentraler Bedeutung sein könnte.
Fazit
Die Identifizierung und gezielte Nutzung passivierender Pinholes stellt einen entscheidenden Fortschritt für die TOPCon-Solarzellentechnologie dar. Durch die Optimierung der Oxidschichtdicke auf ein Intervall von 1,3-1,7 nm können Hersteller die Bildung von Sauerstoff-reichen Pinholes fördern, was zu einer nachweislichen Effizienzsteigerung auf 25,40 % und einer verbesserten offenen Stromspannung von 38,7 mV führt. Trotz möglicher Kostensteigerungen in der Fertigung überwiegt der potenzielle Ertragszuwachs, insbesondere für großflächige PV-Anlagen. Weitere Forschung wird nötig sein, um die Prozesskontrolle zu verfeinern und die Technologie auf Tandem-Solarzellen zu übertragen. Die vorliegenden Daten aus 2026 liefern handfeste Evidenz dafür, dass passivierende Pinholes ein Schlüssel zur nächsten Generation hocheffizienter Silizium-Photovoltaik sind.
