Badanie UVID ogniw TOPCon: Bezkontaktowe testy IV śledzą degradację pasywacji i 6,72% stratę wydajności
Spis treści
UVID ogniwa TOPCon i bezdotykowe testowanie IV
Ogniwa słoneczne TOPCon zdobyły wiodącą pozycję na rynku fotowoltaicznym dzięki silnej pasywacji powierzchni i selektywnym kontaktom nośników. Jednak podczas pracy na zewnątrz są narażone na degradację indukowaną ultrafioletem, czyli UVID. W tym badaniu wydajność konwersji spadła o 6,72% po ekspozycji UV60.
Wcześniejsze prace często łączyły UVID głównie z rozrywaniem wiązań Si–H przez wysokoenergetyczne fotony i uwalnianiem mobilnego wodoru. Widmo ultrafioletu słonecznego obejmuje znacznie szerszy zakres energii fotonów od 3,1–4,43 eV, więc jego interakcja z materiałami przedniej powierzchni nie może być wyjaśniona jedynie rozrywaniem wiązań Si–H. Przedni stos Al₂O₃/SiNₓ wykazuje również znacznie słabszą odporność na UV niż struktura tylnej strony.
Bezdotykowy tester IV Millennial Solar zapewnia nieniszczące testowanie bez materiałów eksploatacyjnych i z prędkością pomiaru na poziomie milisekund. Jest kompatybilny z konstrukcjami ogniw z tylnym kontaktem i bez szyn zbiorczych oraz może uzyskać wielowymiarowe parametry IV, EQE i PL w jednej sekwencji testowej.
W tym badaniu wykorzystano spektrometrię mas jonów wtórnych z czasem przelotu (ToF-SIMS) wraz z głębokościową spektroskopią fotoelektronów rentgenowskich (XPS) do śledzenia rozkładu pierwiastków i zmian wiązań chemicznych w warstwach Al₂O₃/SiNₓ przed i po ekspozycji UV60. Wyniki pokazują, że zrywanie wiązań N–H działa jako drugie źródło wodoru obok zrywania wiązań Si–H. Ekspozycja na UV uszkadza również wiązania Al–O w amorficznym Al₂O₃, tworząc dużą liczbę wakansów tlenowych. Połączone mechanizmy wodoru i tlenu zwiększają rekombinację powierzchniową i stanowią jaśniejszą podstawę do poprawy niezawodności warstwy pasywacyjnej.
Metoda eksperymentalna
Millennial Solar
(a) Schematyczna struktura ogniwa słonecznego TOPCon; (b) symetryczna próbka struktury przedniej; (c) symetryczna próbka struktury tylnej.
Przygotowano dwie symetryczne próbki strukturalne. Struktura przednia to SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. Tylna struktura zawierała warstwy SiOₓ/n⁺-poly-Si. Starzenie UV przeprowadzono na poziomie modułu przy użyciu źródła światła zdominowanego przez UV-A z około 11% UV-B. Warunki testu wynosiły 60°C i 30% wilgotności względnej.
| Element testowy | Warunek lub konfiguracja |
|---|---|
| Przednia próbka symetryczna | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Tylna próbka symetryczna | Struktura zawierająca warstwy SiOₓ/n⁺-poly-Si |
| Źródło UV | Głównie UV-A, z około 11% UV-B |
| Temperatura testu | 60°C |
| Wilgotność względna | 30% |
| Maksymalna zgłoszona dawka UV | 60 kWh·m⁻², oznaczona jako UV60 |
| Główne metody analizy | ToF-SIMS i profilowanie głębokościowe XPS |
Spektralne natężenie promieniowania źródła światła ultrafioletowego.
Odporność UV struktur przedniej i tylnej
Millennial Solar
Zmiany w symetrycznych próbkach przedniej i tylnej struktury podczas ekspozycji na UV: (a) efektywny czas życia nośników, τeff, przy stężeniu wstrzykiwanych nośników 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) implikowane napięcie obwodu otwartego, iVoc; oraz (c) jednostronna gęstość prądu nasycenia, J₀.
Symetryczna tylna struktura wykazała tylko niewielką degradację po 60 kWh·m⁻² ekspozycji na UV. Jej 120 nm warstwa polikrzemu pochłonęła prawie całe padające promieniowanie UV i zapewniła skuteczną ochronę leżącej poniżej granicy faz.
Symetryczna przednia struktura uległa znacznie poważniejszej degradacji:
Efektywny czas życia nośników, τeff, spadł z 2 895,6 μs do 1 552,8 μs.
Implikowane napięcie obwodu otwartego, iVoc, zmniejszyło się z 735,5 mV do 715,2 mV.
Jednostronna J₀ wzrosła do 18,4 fA·cm⁻², około trzykrotnie w stosunku do wartości początkowej.
Wydajność pasywacji Al₂O₃/SiNₓ uległa znacznemu pogorszeniu.
Wyniki te potwierdzają, że przedni stos SiNₓ/Al₂O₃ jest znacznie bardziej podatny na ekspozycję na ultrafiolet niż tylna struktura SiOₓ/poly-Si.
Ewolucja składu chemicznego
Millennial Solar
Profile głębokościowe ToF-SIMS (a) wodoru i (b) tlenu w polerowanych symetrycznych próbkach przed i po ekspozycji UV60.
ToF-SIMS wykazało wyraźny wzrost stężenia wodoru po ekspozycji na promieniowanie ultrafioletowe, szczególnie wewnątrz warstwy SiNₓ. Analiza profili głębokościowych sygnału XPS N 1s wykazała, że udział wiązań N–H na granicy SiNₓ/Al₂O₃ zmniejszył się z 9,64% do 5,97%. Potwierdza to, że rozrywanie wiązań N–H jest kolejnym ważnym źródłem wodoru obok dysocjacji wiązań Si–H.
Część uwolnionego wodoru dyfundowała w kierunku powierzchni SiNₓ i ponownie związała się z krzemem. To wyjaśnia, dlaczego lokalny udział N–H w pobliżu powierzchni wzrósł, zamiast nadal spadać.
Ewolucja tlenu również była krytyczna. Stężenie tlenu wewnątrz warstwy Al₂O₃ nieznacznie spadło, podczas gdy wzrosło na obu granicach SiNₓ/Al₂O₃ i Al₂O₃/Si. Taki rozkład wskazuje, że tlen uwolniony przez rozrywanie wiązań Al–O dyfundował na zewnątrz z warstwy Al₂O₃.
Energia wiązania Al–O w idealnym krysztale wynosi około 5,3 eV. Amorficzny Al₂O₃ jest inny. Niedoskoordynowane jony glinu i ujemnie naładowane wakancje tlenowe mogą obniżyć energię aktywacji rozrywania sąsiednich wiązań Al–O do około 2,4 eV. Foton ultrafioletowy o długości 400 nm niesie około 3,1 eV, co jest już wystarczające do zainicjowania tego procesu.
Widma XPS profili głębokościowych N 1s na różnych granicach Al₂O₃/SiNₓ przed i po ekspozycji UV60, z dopasowanymi wiązaniami N–Si przy 397,5 eV i wiązaniami N–H przy 399,5 eV.
Wyniki XPS O 1s wykazały konwersję z tlenu sieciowego, oznaczonego jako OI, w kierunku składników związanych z wakancjami tlenowymi, oznaczonych jako OII. W widmach Al 2p udział Al₂O₃ spadł z 69,99% do 60,36%, podczas gdy Al–OH wzrósł z 30,01% do 39,64%.
Widma Si 2p wykazały również wzrost Si²⁺ i spadek wyższych stopni utlenienia krzemu. Elektrony uwolnione podczas tworzenia wakancji tlenowych zredukowały krzem z wyższych stopni utlenienia. Te skoordynowane zmiany w wiązaniach tlenu, glinu i krzemu wskazują na szerokie uszkodzenie warstwy Al₂O₃, a nie pojedynczą izolowaną reakcję rozrywania wiązań.
Degradacja parametrów elektrycznych
Millennial Solar
Krzywe EQE i odbicia ogniwa słonecznego TOPCon przed i po ekspozycji UV60.
Odbicie pozostało prawie niezmienione po ekspozycji UV60. EQE wykazało umiarkowany spadek w obszarze krótkofalowym poniżej 500 nm, co odpowiada silniejszej rekombinacji na powierzchni przedniej.
Zmiana rezystywności styku przedniego ogniwa słonecznego TOPCon podczas ekspozycji UV60.
Rezystywność styku przedniego rosła prawie liniowo z dawką UV, osiągając 4,1 mΩ·cm², około 8,6 razy swojej wartości początkowej. Proponowany mechanizm jest związany z ruchliwym wodorem i tlenem generowanymi wewnątrz warstw pasywacyjnych. Gatunki te dyfundują w kierunku granicy elektrody i uczestniczą w reakcjach utleniania-redukcji.
Promieniowanie UV może również przekształcać cząsteczki wody na powierzchni srebra w rodniki hydroksylowe. Razem reakcje te sprzyjają korozji elektrody metalowej i zwiększają rezystancję styku.
Degradacja parametrów elektrycznych ogniwa słonecznego TOPCon podczas ekspozycji UV60: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; oraz (d) sprawność.
Końcowe straty elektryczne były rozłożone na kilka parametrów:
Voc spadło o 3,46%, głównie z powodu degradacji pasywacji powierzchni przedniej i wzrostu J₀.
FF spadło o 2,82%, głównie z powodu gwałtownego wzrostu rezystywności styku przedniego.
Jsc spadło tylko o 0,64%, ponieważ strata EQE była ograniczona głównie do obszaru krótkofalowego.
Sprawność konwersji spadła o 6,72% po ekspozycji UV60.
Przednia struktura SiNₓ/Al₂O₃ ogniwa słonecznego TOPCon ma zatem znacznie niższą odporność na promieniowanie ultrafioletowe niż struktura tylna. Pod wpływem UV wiązania Si–H i N–H pękają, uwalniając ruchliwy wodór. Wiązania Al–O w amorficznym Al₂O₃ również ulegają uszkodzeniu, uwalniając tlen i generując wysoką gęstość wakansów tlenowych. Jednocześnie Al₂O₃ przesuwa się w kierunku Al–OH, a rozkład stanów utlenienia krzemu ulega zmianie.
Mechanizmy degradacji związane z wodorem i tlenem działają razem, intensyfikując rekombinację powierzchniową. Towarzyszący wzrost rezystywności styku przedniego dodaje oddzielną stratę elektryczną, prowadząc do zmierzonej 6,72% degradacji sprawności. Te wyniki stanowią użyteczne odniesienie do zrozumienia UVID w TOPCon i poprawy długoterminowej niezawodności stosów pasywacyjnych strony przedniej.
Opinia Ooitech
Kluczowym punktem jest to, że UVID w TOPCon nie może być traktowane jako prosty problem wiązań Si–H. Chemia pasywacji, kontrola wakansów tlenowych i stabilność metalizacji muszą być oceniane razem, szczególnie przy kwalifikacji procesów produkcji modułów do długotrwałej eksploatacji na zewnątrz. Bezkontaktowe pomiary IV, EQE i PL mogą pomóc w wcześniejszym identyfikowaniu tych strat bez dodawania mechanicznych uszkodzeń kontaktowych do coraz bardziej delikatnych konstrukcji ogniw.
