Badanie UVID ogniw TOPCon: Bezkontaktowe testowanie IV śledzi
Spis treści
Krótka odpowiedź: UVID, degradacja indukowana promieniowaniem ultrafioletowym, jest mechanizmem niezawodnościowym w ogniwach TOPCon, który standardowe pomiary mocy pomijają, ponieważ rozwija się stopniowo pod wpływem oświetlenia, a nie pojawia się jako natychmiastowa strata. Do jego śledzenia stosuje się bezkontaktowe testowanie IV: ogniwo jest mierzone bez sondowania metalizacji, dzięki czemu to samo ogniwo można wielokrotnie mierzyć podczas przyspieszonej ekspozycji bez wprowadzania uszkodzeń kontaktowych, które zaburzałyby wynik. Warunki obciążenia w tym badaniu obejmują ekspozycję na UV w temperaturze 60 °C, z pomiarami w zakresach widmowych w pobliżu 120 nm, 400 nm i 500 nm, przy użyciu zestawów próbek oznaczonych UV60. Zaletą pomiaru bezkontaktowego jest to, że zamienia UVID z destrukcyjnej obserwacji na końcu testu w krzywą, którą można obserwować, co pozwala ocenić zmianę procesu, a nie tylko ją zaakceptować lub odrzucić.
Produkcja modułów PV · autor: Jerry, Ooitech
TOPCon Testowanie UVID ogniw i bezkontaktowe testowanie IV
Ogniwa słoneczne TOPCon zdobyły wiodącą pozycję na rynku fotowoltaicznym dzięki silnej pasywacji powierzchni i kontaktom selektywnym pod względem 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 wysokoenergetycznymi fotonami rozrywającymi wiązania Si–H i uwalniającymi ruchomy wodór. Widmo ultrafioletowe Słońca obejmuje znacznie szerszy zakres energii fotonów wynoszący 3,1–4,43 eV, więc jego oddziaływanie z materiałami powierzchni przedniej nie może być wyjaśnione wyłącznie zerwaniem wiązania Si–H. Przedni stos Al₂O₃/SiNₓ wykazuje również znacznie słabszą odporność na UV niż struktura tylna.
Bezkontaktowy tester IV Millennial Solar zapewnia badania nieniszczące bez materiałów eksploatacyjnych i pomiar na poziomie milisekund. Jest kompatybilny z konstrukcjami ogniw z kontaktami tylnymi i bez szyn zbiorczych oraz pozwala uzyskać wielowymiarowe parametry IV, EQE i PL w jednej sekwencji testowej.
W tym badaniu wykorzystano wtórną spektrometrię mas jonów z analizatorem czasu przelotu, czyli ToF-SIMS, wraz z rentgenowską spektroskopią fotoelektronów z profilem głębokościowym, czyli XPS, aby śledzić rozkład pierwiastków i zmiany wiązań chemicznych w warstwach Al₂O₃/SiNₓ przed i po ekspozycji UV60. Wyniki pokazują, że zerwanie wiązania N–H działa jako drugie źródło wodoru oprócz zerwania wiązania Si–H. Ekspozycja na UV uszkadza również wiązania Al–O w amorficznym Al₂O₃, tworząc duże liczby wakansów tlenowych. Połączone mechanizmy wodoru i tlenu zwiększają rekombinację powierzchniową i zapewniają jaśniejszą podstawę do poprawy niezawodności warstwy pasywacyjnej.
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. 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 raportowana dawka UV | 60 kWh·m⁻², określona jako UV60 |
| Główne metody analizy | ToF-SIMS i XPS z profilem głębokościowym |
Widmowe natężenie napromienienia źródła światła ultrafioletowego.
Odporność na UV struktur przedniej i tylnej
Millennial Solar
Zmiany w symetrycznych próbkach struktury przedniej i tylnej podczas ekspozycji na UV: (a) efektywny czas życia nośników, τeff, przy stężeniu wstrzykniętych nośników 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) implikowane napięcie obwodu otwartego, iVoc; oraz (c) jednostronna gęstość prądu nasycenia, J₀.
Symetryczna tylna struktura wykazała jedynie niewielką degradację po 60 kWh·m⁻² ekspozycji na UV. Jej 120 nm warstwa poly-Si pochłonęła niemal całe padające promieniowanie UV i zapewniła skuteczną ochronę leżącemu poniżej interfejsowi.
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.
Jednostronne J₀ wzrosło do 18,4 fA·cm⁻², około trzykrotnie więcej niż jego wartość początkowa.
Wydajność pasywacji Al₂O₃/SiNₓ znacznie się pogorszyła.
Wyniki te potwierdzają, że przedni stos SiNₓ/Al₂O₃ jest znacznie bardziej podatny na ekspozycję na promieniowanie ultrafioletowe niż tylna struktura SiOₓ/poly-Si.
Ewolucja składu chemicznego
Millennial Solar
Profile głębokościowe ToF-SIMS intensywności (a) wodoru i (b) tlenu w polerowanych symetrycznych próbkach o strukturze przedniej przed i po ekspozycji UV60.
ToF-SIMS wykazał 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 faz SiNₓ/Al₂O₃ zmniejszył się z 9,64% do 5,97%. Potwierdza to, że zerwanie wiązania N–H jest kolejnym ważnym źródłem wodoru obok dysocjacji wiązania Si–H.
Część uwolnionego wodoru dyfundowała w kierunku powierzchni SiNₓ i ponownie wiązała się z krzemem. Wyjaśnia to, dlaczego lokalny udział N–H w pobliżu powierzchni wzrósł, zamiast dalej spadać.
Ewolucja tlenu była również kluczowa. Stężenie tlenu wewnątrz warstwy Al₂O₃ nieznacznie spadło, natomiast wzrosło na obu granicach faz: SiNₓ/Al₂O₃ oraz Al₂O₃/Si. Taki rozkład wskazuje, że tlen uwolniony w wyniku zerwania wiązania Al–O dyfundował na zewnątrz z filmu Al₂O₃.
Energia wiązania Al–O w idealnym krysztale wynosi około 5,3 eV. Amorficzny Al₂O₃ jest inny. Jony glinu o niedokoordynowanej liczbie ligandów oraz ujemnie naładowane wakancje tlenowe mogą obniżyć energię aktywacji zerwania sąsiednich wiązań Al–O do około 2,4 eV. Foton ultrafioletowy o długości 400 nm niesie energię około 3,1 eV, co jest już wystarczające do wywołania tego procesu.
Widma XPS profili głębokościowych N 1s na różnych granicach faz Al₂O₃/SiNₓ przed i po ekspozycji UV60, z uwzględnieniem dopasowanych wiązań N–Si przy 397,5 eV i wiązań N–H przy 399,5 eV.
Wyniki XPS O 1s wykazały konwersję od tlenu sieciowego, zidentyfikowanego jako OI, w kierunku składników związanych z wakancjami tlenowymi, zidentyfikowanych jako OII. W widmach Al 2p udział Al₂O₃ spadł z 69,99% do 60,36%, natomiast 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 filmu Al₂O₃, a nie na pojedynczą, izolowaną reakcję zerwania wiązania.
Pogorszenie właściwości elektrycznych
Millennial Solar
Krzywe EQE i reflektancji ogniwa słonecznego TOPCon przed i po ekspozycji UV60.
Reflektancja pozostała niemal niezmieniona po ekspozycji UV60. EQE wykazało umiarkowany spadek w zakresie krótkich długości fal poniżej 500 nm, co odpowiada silniejszej rekombinacji na powierzchni przedniej.
Zmiana rezystywności kontaktu przedniego ogniwa słonecznego TOPCon podczas ekspozycji UV60.
Rezystywność kontaktu przedniego rosła niemal liniowo wraz z dawką UV, osiągając 4,1 mΩ·cm², około 8,6 razy jej wartości początkowej. Proponowany mechanizm jest związany z mobilnym wodorem i tlenem generowanymi wewnątrz warstw pasywacyjnych. Te cząstki dyfundują w kierunku interfejsu elektrody i uczestniczą w reakcjach utleniania-redukcji.
Promieniowanie UV może również przekształcać cząsteczki wody na powierzchni srebra w rodniki hydroksylowe. Razem te reakcje sprzyjają korozji elektrody metalowej i zwiększają rezystancję kontaktu.
Pogorszenie wydajności elektrycznej 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 jedynie o 0,64%, ponieważ strata EQE była ograniczona głównie do zakresu krótkich długości fal.
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 ekspozycji na UV wiązania Si–H i N–H pękają i uwalniają mobilny wodór. Wiązania Al–O w amorficznym Al₂O₃ również ulegają uszkodzeniu, 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, nasilając rekombinację powierzchniową. Towarzyszący wzrost rezystywności kontaktu przedniego dodaje odrębną stratę elektryczną, prowadząc do zmierzonej degradacji sprawności o 6,72%. Te wyniki stanowią użyteczne odniesienie do zrozumienia UVID w ogniwach TOPCon oraz poprawy długoterminowej niezawodności stosów pasywacji przedniej strony.
Opinia Ooitech
Kluczowe jest to, że UVID w ogniwach TOPCon nie może być traktowany jako prosty problem wiązań Si–H. Chemię pasywacji, kontrolę wakansów tlenowych i stabilność metalizacji należy oceniać łącznie, zwłaszcza przy kwalifikowaniu procesów produkcji modułów do długotrwałej pracy na zewnątrz. Bezkontaktowe śledzenie IV, EQE i PL może pomóc wcześniej zidentyfikować te straty bez wprowadzania uszkodzeń mechanicznych wynikających z kontaktu w coraz delikatniejszych konstrukcjach ogniw.
Powiązane: TOPCon UVID oraz podział na r-UVID / ir-UVID oddziela stratę, którą zwraca lekkie namaczanie, od straty, która pozostaje.
Dalsza lektura i dane kontekstowe
Publiczne materiały referencyjne na ten temat, opublikowane przez organizacje, które utrzymują branżową mapę drogową technologii i dane rynkowe:
