Ogniwa TOPCon w warunkach wilgotnego ciepła: dlaczego strona tylna ulega awarii jako pierwsza
Spis treści
Wprowadzenie
TOPCon przejął większość rynku wysokowydajnych krzemowych ogniw krystalicznych, ale długoterminowa niezawodność w terenie wciąż jest ruchomym celem. Jedno słabe miejsce regularnie pojawia się w testach wilgotnego ciepła: tylny stos pasywacyjny. Niedawne badanie (Tong i in., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) precyzyjnie określiło, co właściwie idzie nie tak, gdy sole sodowe osadzają się na powierzchni ogniwa i pozostają w warunkach 85°C/85% RH. Krótka wersja – tylna warstwa SiNₓ jest słabym punktem, a cienka warstwa ALD AlOₓ rozwiązuje większość problemów.
Kluczowe ustalenia na wstępie
Tylna warstwa SiNₓ jest słabym punktem w wilgotnym cieple. Octan sodu (CH₃COONa) spowodował spadek tylnego napięcia obwodu otwartego (Voc) o 5,8% i wzrost rezystancji szeregowej (Rₛ) o 450%.
Sole sodowe przyspieszają utlenianie powierzchni i utratę azotu. XPS wykazał, że tylny stosunek atomowy Si/N wzrósł z 1,3 do 23, a O/N z 1,6 do 53.
Bariera ALD Al₂O₃ o grubości 10 nm znacząco pomogła – strata PCE przy zanieczyszczeniu CH₃COONa spadła z 16% do zaledwie 0,4%.
Pasywacja przednia jest znacznie trwalsza. Wielowarstwa AlOₓ/SiOᵧNᵣ blokuje dyfuzję sodu, więc zanieczyszczenie tam kosztowało tylko 0,87% PCE.
Dwa zanieczyszczenia działają inaczej: octan sodu atakuje kontakt metaliczny, podczas gdy chlorek sodu (NaCl) głównie utlenia warstwę pasywacyjną.
Tło
Główne pytanie jest proste do postawienia, trudniejsze do odpowiedzi: dlaczego ogniwa TOPCon tracą wydajność w wilgotnym cieple w obecności soli sodowych i dlaczego tylna pasywacja jest bardziej dotknięta (Kyranaki i in., 2022)?
Gdzie są luki
Większość wcześniejszych prac koncentrowała się na korozji kontaktów metalicznych (Iqbal i in., 2023), ale nikt systematycznie nie badał chemicznego rozkładu samej warstwy pasywacyjnej. Stosy przedni i tylny są zbudowane inaczej – przedni to AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, tylny to SiNₓ na domieszkowanym polikrzemie – a ich odporność na korozję nigdy nie była bezpośrednio porównywana (Feldmann i in., 2014). Co więcej, dwa powszechne zanieczyszczenia (CH₃COONa vs. NaCl) uważano za zachowujące się tak samo, a tak nie jest (Li i in., 2021).
Poprawne rozwiązanie tego problemu ma znaczenie finansowe. Instalacje PV są sprzedawane z 25-letnią gwarancją (Peters i in., 2021), a awaria tylnej strony, która ujawnia się pod wpływem wilgoci, jest dokładnie tym, co skraca ten okres.
Podejście
Przebieg prac był zbliżony do rzeczywistego procesu produkcyjnego: przemysłowe ogniwa TOPCon → miejscowe natryskiwanie soli sodowej na przednią lub tylną powierzchnię → przyspieszona próba wilgotnego ciepła (85°C/85% RH) → charakterystyka elektryczna i chemiczna → test bariery ALD AlOₓ → określenie mechanizmu ochrony.
Co nowego
Od strony teoretycznej jest to pierwsze badanie wskazujące na utratę azotu w tylnej warstwie SiNₓ jako główną przyczynę spadku Voc. Od strony praktycznej, warstwa AlOₓ o grubości 10 nm jest nakładana standardowym przemysłowym narzędziem ALD i kosztuje tylko około 0,01% bezwzględnej wydajności. Metodologicznie, zespół opracował test DH na poziomie ogniwa, w którym 20 godzin odpowiada kilku latom starzenia na zewnątrz (Sen i in., 2023).
Łańcuch logiczny jest łatwy do prześledzenia: zanieczyszczenie tylnej strony powoduje gwałtowny spadek Voc, co wskazuje na awarię pasywacji. XPS potwierdza reakcję utleniania SiNₓ i otwierającą się ścieżkę dyfuzji sodu. Dodanie warstwy AlOₓ blokuje sód, a obrazowanie PL potwierdza, że defekty są tłumione.
Metody
Przygotowanie próbek
| Element | Szczegół |
|---|---|
| Struktura ogniwa | n-typ TOPCon. Przód: emiter domieszkowany borem + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC. Tył: SiO₂/domieszkowany fosforem polikrzem + SiNₓ, ARC |
| Zanieczyszczenie | 0,155 mol/L roztwór CH₃COONa lub NaCl, 0,3 g na próbkę, miejscowe natryskiwanie |
| Bariera ALD | 10 nm AlOₓ, osadzane w 150°C (Leadmicro QL200) |
| Wilgotne ciepło | 85°C/85% RH, 20 godzin (komora klimatyczna ASLi) |
Sposób pomiaru
Parametry I-V (Pmax, Voc, FF, Jsc) za pomocą systemu LOANA (pv-tools).
Jakość pasywacji poprzez efektywny czas życia nośników mniejszościowych (τ_eff).
Chemia powierzchni przez XPS i SEM-EDS.
Wyniki i dyskusja
Degradacja elektryczna
Tylna strona jest wyraźnie wrażliwa. CH₃COONa na tylnej stronie obniżył Voc o 5,8%, zwiększył Rₛ o 450% (Tabela 1) i zmniejszył intensywność PL o 37,3% (Rys. 3a). Ta sama obróbka na przedniej stronie kosztowała tylko 0,87% PCE. Ta sama sól, bardzo różny wynik w zależności od tego, którą powierzchnię trafi.
Chemiczny rozkład pasywacji
XPS na tylnej powierzchni wykazał gwałtowny wzrost frakcji wiązań Si-O (Rys. 5b), przy czym stosunek atomowy O/N wzrósł z 1,6 w próbce kontrolnej do 53 w grupie CH₃COONa. Mechanizm to utrata azotu – wilgotne ciepło hydrolizuje SiNₓ i niszczy pasywację powierzchni.
Co robi bariera AlOₓ
Z 10 nm warstwą ALD AlOₓ, strata PCE przy zanieczyszczeniu tylnym CH₃COONa spadła z 16% do 0,4%, a Voc pozostało stabilne (Rys. 6a). SEM-EDS wykazało 86% redukcję zawartości sodu w próbkach z AlOₓ (Rys. 6c), a PL nie wykazało aktywacji defektów (Rys. 6b). Bariera robi dokładnie to, czego oczekujesz – trzyma sód z dala.
Podsumowanie
Główne wnioski
Tylna warstwa SiNₓ hydrolizuje i utlenia się pod wpływem wilgotnego ciepła i soli sodowej, co obniża Voc i zwiększa Rₛ (potwierdzone przez XPS/EDS, Rys. 4-5). 10 nm warstwa AlOₓ blokuje dyfuzję sodu i utrzymuje stratę PCE w DH85 poniżej 1% (Rys. 6a). Przednia wielowarstwa AlOₓ/SiOᵧNᵣ jest z natury odporna na korozję, więc zanieczyszczenie tam prawie nie ma znaczenia.
Dlaczego to jest przydatne
Bariera AlOₓ może być bezpośrednio wdrożona w masowej produkcji TOPCon na narzędziach takich jak Leadmicro QL200. Patrząc w przyszłość, połączenie AlOₓ z SiNₓ w enkapsulacji modułów dwuszybowych może wydłużyć żywotność instalacji w wilgotnych regionach.
Trochę tła
Struktura TOPCon: tlenek tunelowy (SiO₂) plus domieszkowany polikrzemowy kontakt pasywujący, który redukuje rekombinację na metalizacji (Feldmann i in., 2014).
ALD: warstwowy wzrost nanofilmów, zapewniający jednolite pokrycie AlOₓ w skali nanometrowej.
Testy DH: przyspieszone starzenie w 85°C/85% RH symulujące degradację modułów w wilgotnym klimacie.
Pasywacja SiNₓ: uwodorniony azotek krzemu, dobry do antyrefleksji i pasywacji powierzchni, ale ma wiszące wiązania i łatwo hydrolizuje.
Referencje
Tong H. i in., Mitigating contaminant-induced degradation in TOPCon solar cells via ALD AlOₓ barrier, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188
Feldmann F. i in., Pasywowane kontakty tylne dla wysokowydajnych krzemowych ogniw słonecznych typu n, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.
Li X. i in., Przyspieszone testy w wilgotnym cieple ogniw TOPCon z użyciem NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.
Peters I.M. i in., Wartość stabilności w fotowoltaice, Joule 5 (2021) 3137–3153.
Opinia Ooitech
To, co się tutaj wyróżnia, to jak wiele historii niezawodności kryje się w tylnym stosie pasywacyjnym, a nie w nagłówku projektu ogniwa. Na prawdziwej linii produkcyjnej dodatkowy etap 10nm ALD AlOₓ to tanie ubezpieczenie dla projektów w wilgotnym klimacie, a pasuje on do standardowej produkcji modułów bez większego zamieszania. Budujemy kompleksowe linie modułów pod klucz, więc uważnie śledzimy takie odkrycia – małe modyfikacje procesów na wcześniejszych etapach często decydują o tym, czy elektrownia wytrzyma 25 lat. Jeśli chcesz więcej z hali produkcyjnej, kanał Ooitech na YouTube (www.youtube.com/ooitech) jest wart śledzenia.
