Badanie UVID ogniw TOPCon: test IV bez kontaktu śledzi degradację pasywacji i stratę wydajności o 6,72%
Spis treści
UVID ogniw TOPCon i bezdotykowe testy IV
Ogniwa słoneczne TOPCon zajęły wiodącą pozycję na rynku fotowoltaicznym dzięki silnej pasywacji powierzchni i selektywnym kontaktom nośników. Jednak praca na zewnątrz naraża je na degradację indukowaną promieniowaniem ultrafioletowym, czyli UVID. W tym badaniu wydajność konwersji spadła o 6,72% po ekspozycji UV60.
Wcześniejsze prace często wiązały UVID głównie z rozrywaniem wiązań Si–H przez wysokoenergetyczne fotony i uwalnianiem ruchliwego wodoru. Widmo ultrafioletowe słońca obejmuje znacznie szerszy zakres energii fotonów wynoszący 3,1–4,43 eV, więc jego oddziaływanie z materiałami przedniej powierzchni nie może być wyjaśnione jedynie rozrywaniem wiązań Si–H. Przedni stos Al₂O₃/SiNₓ wykazuje również znacznie słabszą odporność na UV niż struktura tylna.
Bezdotykowy tester IV Millennial Solar zapewnia nieniszczące testy bez materiałów eksploatacyjnych i z czasem pomiaru na poziomie milisekund. Jest kompatybilny z ogniwami z kontaktami tylnymi 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 analizą czasu przelotu, czyli ToF-SIMS, wraz z rentgenowską spektroskopią fotoelektronów z profilowaniem głębokościowym, czyli XPS, aby śledzić rozkład pierwiastków i zmiany wiązań chemicznych w warstwach Al₂O₃/SiNₓ przed i po ekspozycji UV60. Wyniki pokazują, że zrywanie wiązań N–H działa jako drugie źródło wodoru oprócz 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 warstw pasywacyjnych.
Metoda eksperymentalna
Millennial Solar
(a) Schemat struktury ogniwa słonecznego TOPCon; (b) symetryczna próbka struktury przedniej; (c) symetryczna próbka struktury tylnej.
Przygotowano dwie symetryczne struktury próbek. Struktura przednia była SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. Struktura tylna 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 |
|---|---|
| Próbka symetryczna przednia | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Próbka symetryczna tylna | 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 XPS |
Spektralne natężenie napromienienia źródła światła ultrafioletowego.
Odporność UV struktur przedniej i tylnej
Millennial Solar
Zmiany w symetrycznych próbkach struktur przedniej i tylnej 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 struktura tylna wykazała tylko niewielką degradację po 60 kWh·m⁻² ekspozycji na UV. Jej warstwa polikrzemu o grubości 120 nm pochłonęła prawie całe padające promieniowanie UV i zapewniła skuteczną ochronę leżącej pod spodem granicy faz.
Symetryczna struktura przednia 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, czyli około trzykrotnie w stosunku do wartości początkowej.
Jakość pasywacji Al₂O₃/SiNₓ uległa znacznemu pogorszeniu.
Wyniki te potwierdzają, że przedni stos SiNₓ/Al₂O₃ jest znacznie bardziej podatny na działanie promieniowania ultrafioletowego niż tylna struktura SiOₓ/poly-Si.
Ewolucja składu chemicznego
Millennial Solar
Profile głębokościowe ToF-SIMS (a) intensywności wodoru i (b) tlenu w polerowanych symetrycznych próbkach o strukturze przedniej przed i po ekspozycji UV60.
ToF-SIMS wykazało wyraźny wzrost stężenia wodoru po ekspozycji na promieniowanie ultrafioletowe, zwłaszcza 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 zrywanie wiązań N–H jest kolejnym ważnym źródłem wodoru obok dysocjacji wiązań Si–H.
Część uwolnionego wodoru dyfundowała w kierunku powierzchni SiNₓ i ponownie wiązała się z krzemem. To wyjaśnia, dlaczego lokalny udział N–H w pobliżu powierzchni wzrósł, zamiast nadal spadać.
Ewolucja tlenu była również kluczowa. 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 zrywanie 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 zrywania 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 N 1s z profilami głębokościowymi na różnych granicach Al₂O₃/SiNₓ przed i po ekspozycji UV60, w tym dopasowane wiązania N–Si przy 397,5 eV i wiązania 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 również wykazały 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 na pojedynczą izolowaną reakcję zrywania 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 kontaktu przedniego ogniwa słonecznego TOPCon podczas ekspozycji UV60.
Rezystywność kontaktu przedniego wzrastała prawie liniowo z dawką UV, osiągając 4,1 mΩ·cm², około 8,6 razy 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 kontaktu.
Degradacja parametrów elektrycznych ogniwa słonecznego TOPCon podczas ekspozycji UV60: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; oraz (d) sprawność.
Końcowe straty elektryczne rozłożyły się 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 kontaktu 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 i uwalniają ruchliwy wodór. Wiązania Al–O w amorficznym Al₂O₃ są również uszkadzane, uwalniając tlen i generując wysoką gęstość wakancji 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 temu wzrost rezystywności kontaktu przedniego dodaje osobną stratę elektryczną, prowadząc do zmierzonej degradacji sprawności o 6,72%. Te odkrycia stanowią użyteczne odniesienie do zrozumienia UVID w TOPCon i poprawy długoterminowej niezawodności stosów pasywacji strony przedniej.
Opinia Ooitech
Kluczową kwestią jest to, że UVID w TOPCon nie może być traktowany jako prosty problem wiązań Si–H. Chemia pasywacji, kontrola luk tlenowych i stabilność metalizacji muszą być oceniane razem, zwłaszcza podczas kwalifikacji procesów produkcji modułów do długiej eksploatacji na zewnątrz. Bezkontaktowe pomiary IV, EQE i śledzenie PL mogą pomóc wcześniej zidentyfikować te straty, bez dodawania mechanicznych uszkodzeń kontaktowych coraz delikatniejszym konstrukcjom ogniw.
