Degradacja temperaturowa i dynamika LeTID

Krótka odpowiedź: Ogniwa z kontaktami międzypalczastymi na tylnym złączu przenoszą oba kontakty biegunowe na tył, a zachowanie temperaturowe tej architektury różni się od ogniwa z kontaktami przednimi. Analiza ta obejmuje degradację temperaturową oraz degradację indukowaną światłem i podwyższoną temperaturą, czyli LeTID, w ogniwach IBC w warunkach od 25 °C do 85 °C, z raportowanymi napięciami obwodu otwartego około 0,743 V i 0,69 V dla porównywanych struktur. Degradacja tego rodzaju jest częściowo odwracalna, co łatwo błędnie zinterpretować: ogniwo, które regeneruje się po usunięciu obciążenia, może nadal mieć trwałą utratę wydajności, a test, który rejestruje tylko końcowy wynik, nie może rozróżnić tych dwóch przypadków. Temperatura pomiaru ma takie samo znaczenie jak temperatura obciążenia, ponieważ zarówno degradacja, jak i regeneracja są aktywowane termicznie.

Produkcja modułów PV · autor: Jerry, Ooitech

Wprowadzenie produktu

Ogniwa słoneczne z kontaktami międzypalczastymi na tylnej stronie (IBC) przenoszą oba kontakty metalowe obu polaryzacji na tył. Przód nie ma zacienienia od linii siatki, więc zalety optyczne teksturowania i powłoki antyrefleksyjnej ujawniają się w pełni. W połączeniu z dobrą pasywacją i procesem kontaktowym, ogniwo IBC typu n może osiągnąć bardzo wysokie napięcie obwodu otwartego i gęstość prądu.

Kompromisem jest wrażliwość strukturalna wbudowana w konstrukcję. Fotogenerowane nośniki mniejszościowe muszą przemieszczać się lateralnie przez bazę, zanim tylny emiter międzypalczasty może je zebrać. Wydajność urządzenia w dużym stopniu zależy od czasu życia nośników w objętości i jakości pasywacji tylnej strony. Gdy rekombinacja na tylnym interfejsie lub upływ kontaktowy ulegnie aktywacji termicznej, gęstość ciemnego prądu nasycenia J0 rośnie nieproporcjonalnie, a Voc ponosi tego konsekwencje.

To jest dokładnie punkt wyjścia tej pracy. Na ogniwie IBC typu n trzy zestawy dowodów są umieszczone w tym samym środowisku termicznym, aby się wzajemnie potwierdzały: pomiary oświetlonej charakterystyki J-V od 25 do 85°C, eksperyment stresowy LeTID przeprowadzony przy jednym słońcu w temperaturze od 45 do 85°C przez maksymalnie 960 minut oraz analiza ciemnej charakterystyki I-V w tym samym zakresie temperatur.

Projekt eksperymentu

Schemat przekroju ogniwa IBC typu n: tylny międzypalczasty emiter p+ i kontakty BSF n+, teksturowanie przedniej strony i ARC.

Ogniwo testowe ma powierzchnię 258,3 cm², grubość płytki 151 ± 6 μm, tylny okres międzypalczasty około 480 μm oraz szerokości palców emitera i BSF odpowiednio około 250 μm i 90 μm. Pomiary oświetleniowe przeprowadzono przy AM1.5G, 100 mW/cm². W każdym punkcie temperaturowym, po stabilizacji termicznej, uśredniono pięć skanów. Stres LeTID mierzono bezpośrednio w temperaturze stresu, bez chłodzenia w trakcie testu, i rejestrowano w odstępach wykładniczych 1, 2, 4, 8 minut i tak dalej. Każdy parametr znormalizowano do jego wartości początkowej, co oddziela wewnętrzną dynamikę degradacji od chwilowego efektu współczynnika temperaturowego.

Stacjonarna wrażliwość termiczna

Znormalizowana ewolucja termiczna czterech parametrów względem ich własnych wartości w 25°C.

W 25°C ogniwo wykazuje Jsc około 38,6 mA/cm², Voc około 0,743 V, FF około 79% i wydajność około 22,7%. Po podgrzaniu do 85°C Jsc wzrasta tylko o około 3% (+0,0203 mA·cm⁻²·K⁻¹, mniej więcej +0,05%/K). Voc spada liniowo o −1,4 mV/K (około −0,2%/°C). Wydajność spada o około 9%, a FF ledwo się zmienia.

Niewielki wzrost prądu wynika ze zwężenia przerwy wzbronionej. Zgodnie z relacją Varshniego krawędź absorpcji przesuwa się w stronę dłuższych fal, więc fotogeneracja nieznacznie się zwiększa. Szybki spadek napięcia wynika z wykładniczego wzrostu J0(T), kontrolowanego przez wewnętrzne stężenie nośników i aktywność rekombinacyjną. Voc skaluje się z ln(Jsc/J0), więc umiarkowany wzrost J0 wystarcza, by spowodować mierzalną stratę.

Ten współczynnik temperaturowy mieści się w zakresie od −1,3 do −1,6 mV/K typowym dla wysokiej jakości krzemowych urządzeń krystalicznych. Wskazuje na ogniwo ograniczone rekombinacją, a nie ograniczone rezystancją lub transportem. Po normalizacji ranking jest równie jasny: w 85°C Voc spada o około 15%, wydajność o około 9%, FF pozostaje w granicach ±1%, a Jsc faktycznie zyskuje około 3%.

Dynamika LeTID

Dynamika degradacji LeTID.

Pomiar w stanie ustalonym odpowiada tylko na pytanie „jak gorąco”. Eksperyment stresowy LeTID uzupełnia „jak to się zmienia w czasie”. W 85°C Voc spada szybko w pierwszych 10 do 30 minut, a następnie powoli zbliża się do quasi-nasycenia. W niższych temperaturach spadek jest znacznie łagodniejszy. Po 960 minutach Voc spada do około 0,69 V, Jsc przez cały czas pozostaje w granicach ±2%, FF lekko się waha, a w oknie eksperymentalnym nie pojawia się żadna regeneracja. Ponieważ pomiary wykonano w temperaturze stresowej po stabilizacji termicznej, wczesny spadek napięcia należy przypisać szybkiej aktywacji stanów defektowych, a nie przejściowej równowadze termicznej. Stabilny Jsc wskazuje, że fotogeneracja i ekstrakcja zwarciowa nie zostały zaburzone, więc dominująca strata nie jest ograniczona generacją. Autorzy zauważają również ograniczenie: brak eksperymentu kontrolnego z wygrzewaniem w ciemności, więc wkład czystego efektu termicznego nie może być w pełni wykluczony.

Weryfikacja w stanie ciemnym

Ciemne zachowanie elektryczne i kanały upływu: (a) ciemne krzywe J-V, (b) rezystancja różniczkowa, (c) wyznaczona rezystancja bocznikowa i szeregowa, (d) analiza Arrheniusa konduktancji bocznikowej dająca Ea ≈ 1,10 eV.

Ciemne I-V podchodzi do tego samego problemu spoza reżimu oświetlenia. Prąd przewodzenia wyraźnie rośnie wraz z temperaturą. Nachylenie przy niskim napięciu pokazuje wyraźny spadek rezystancji bocznikowej, podczas gdy obszar wysokiego prądu zmienia się nieznacznie. Zatem ewolucja rezystancji wywołana temperaturą jest zdominowana przez aktywację upływu, a nie degradację rezystancji szeregowej. Współczynnik idealności utrzymuje się na poziomie 1,05 do 1,25, co oznacza dominację rekombinacji dyfuzyjnej, z możliwym udziałem SRH w wysokiej temperaturze.

Analiza Arrheniusa konduktancji bocznikowej daje dobre liniowe dopasowanie ln(1/Rsh) względem 1/T (R² = 0,97), z energią aktywacji 1,10 ± 0,08 eV. Jest to porównywalne z przerwą wzbronioną krzemu (około 1,12 eV) i mieści się w raportowanym zakresie LeTID od 0,8 do 1,2 eV. Energia aktywacji w skali przerwy wzbronionej jest często wiązana z przewodnictwem wspomaganym przez defekty głębokie, ale nie można wykluczyć udziału wewnętrznego stężenia nośników. Zatem potwierdza to termicznie aktywowane zachowanie upływu, nie wskazując konkretnego rodzaju defektu.

Ujednolicone ramy i ekstrapolacja polowa

Trzy linie dowodów zbiegają się w jeden fenomenologiczny framework: J0(t, T) = J0,intr(T) + A·Ndef(t, T). Na wewnętrznym prądzie nasycenia opiera się termicznie aktywowany udział defektów, który ewoluuje w czasie i temperaturze. Przekłada się to następnie na stratę napięcia poprzez Voc = (nkT/q)·ln(Jsc/(J0 + 1)). Wzmocnienie rekombinacji i aktywacja upływu przebiegają równolegle w tym samym wyrażeniu. Współczynnik temperaturowy w stanie ustalonym, dynamika LeTID i ewolucja ciemnego upływu są tym samym powiązane ze sobą. Framework nie identyfikuje konkretnej tożsamości defektu.

Ekstrapolacja do pracy na zewnątrz: przy wysokim natężeniu napromieniowania temperatury ogniw modułu często wynoszą od 50 do 65°C. Przyjmując −1,4 mV/K, 60°C w stosunku do 25°C oznacza około 49 mV straty napięcia, a przyspieszony temperaturą LeTID dodaje do tego stratę zależną od czasu. Wnioski dotyczą wyłącznie mierzonego ogniwa. W przypadku back-contact TOPCon i back-contact HJT stanowią one jedynie odniesienie jakościowe: wielkość degradacji, energia aktywacji i dynamika regeneracji zależą od schematu kontaktu pasywującego, jakości interfejsu, rozkładu wodoru i stabilności termicznej każdego z nich, i zasługują na dedykowane badania porównawcze. W przypadku wysokowydajnych urządzeń back-contact w ciepłym klimacie odporność napięciowa i długoterminowy uzysk energii ostatecznie opierają się na stabilności pasywacji tylnej strony i zarządzaniu defektami.

Opinia Ooitech

Uderza nas tutaj, jak duża część tej straty 49 mV na zewnątrz występuje po stronie tylnej, gdzie pasywacja i jakość kontaktu decydują o długoterminowym Voc. Na linii modułowej historia jest taka sama: sposób cięcia, łączenia w stringi i laminowania ogniwa IBC decyduje o tym, czy ta tylna stabilność przetrwa w warunkach polowych. Budując linie pod klucz dla układów IBC i HPBC, postrzegamy odporność na LeTID jako problem procesowo-materiałowy w takim samym stopniu jak problem ogniwa. Warto obserwować nasz kanał YouTube www.youtube.com/ooitech jeśli chcesz zobaczyć, jak faktycznie buduje się moduły z kontaktem tylnym.