UVID w ogniwach słonecznych TOPCon: Bezkontaktowe testy IV śledzą degradację pasywacji i 6,72% utraty wydajności

Wprowadzenie

Ogniwa słoneczne TOPCon dominują obecnie na rynku fotowoltaicznym dzięki silnej pasywacji powierzchni i kontaktom selektywnym nośników. Jednak eksploatacja na zewnątrz ujawnia prawdziwy słaby punkt: degradację indukowaną promieniowaniem UV, czyli UVID. Po napromieniowaniu UV60 wydajność spada nawet o 6,72%.

Większość wcześniejszych prac przypisywała UVID wysokoenergetycznym fotonom rozrywającym wiązania Si–H i uwalniającym wolny wodór. To tylko część historii. Widmo UV Słońca obejmuje szeroki zakres energii 3,1–4,43 eV, więc jego oddziaływanie z warstwami przedniej powierzchni wykracza daleko poza pojedynczą ścieżkę zerwania Si–H. A przedni stos Al₂O₃ / SiNₓ jest znacznie słabszy wobec UV niż strona tylna.

Bezkontaktowy tester IV bardzo tu pomaga. Jest nieniszczący, nie zużywa żadnych materiałów eksploatacyjnych, działa z szybkością milisekundową, współpracuje z konstrukcjami BC i bez szyn zbiorczych oraz pozyskuje parametry IV, EQE i PL w jednym pomiarze.

W tym badaniu wykorzystano ToF-SIMS i profilowanie głębokościowe XPS do śledzenia rozkładu pierwiastków i zmian wiązań chemicznych w warstwach Al₂O₃ / SiNₓ przed i po UV60. Odkrycie: zerwanie wiązania N–H jest drugim źródłem wodoru obok Si–H. Wiązania Al–O w amorficznym Al₂O₃ ulegają zerwaniu pod wpływem UV i generują dużą liczbę wakancji tlenowych. Mechanizmy wodoru i tlenu kumulują się i pogarszają rekombinację powierzchniową, wyznaczając jasny kierunek poprawy niezawodności pasywacji.

Metoda eksperymentalna

(a) Schemat struktury ogniwa słonecznego TOPCon (b) symetryczna próbka o strukturze przedniej (c) symetryczna próbka o strukturze tylnej

Przygotowano symetryczne próbki o strukturze przedniej (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) oraz symetryczne próbki o strukturze tylnej (z warstwą SiOₓ/n⁺-poly-Si). Starzenie UV przeprowadzono na poziomie modułu. Źródło światła stanowiło głównie UV-A z około 11% UV-B, w temperaturze 60°C i wilgotności 30%.

Widmowe natężenie napromieniowania źródła światła UV

Struktura przednia vs tylna: porównanie odporności na UV

Zmiany (a) τeff przy stężeniu nośników wtryskiwanych 1×10¹⁵ cm⁻³, (b) iVoc oraz (c) jednostronnego J₀ dla symetrycznych próbek o strukturze przedniej i tylnej podczas ekspozycji na UV

Symetryczna struktura tylna uległa ledwie degradacji po ekspozycji na UV o dawce 60 kWh·m⁻². Jej warstwa poly-Si o grubości 120 nm pochłania niemal całe światło UV i zapewnia skuteczne ekranowanie.

Struktura przednia opowiadała inną historię. τeff spadł z 2895,6 μs do 1552,8 μs. iVoc spadł z 735,5 mV do 715,2 mV. Jednostronne J₀ wzrosło do 18,4 fA·cm⁻², około trzykrotnie więcej niż wartość początkowa. Pasywacja Al₂O₃ / SiNₓ uległa silnej degradacji.

Ewolucja składu chemicznego

Profile głębokościowe intensywności (a) wodoru i (b) tlenu w polerowanej próbce symetrycznej struktury przedniej przed i po UV60, zmierzone metodą ToF-SIMS

ToF-SIMS pokazuje wyraźny wzrost stężenia wodoru po ekspozycji na UV, szczególnie wewnątrz warstwy SiNₓ. Profilowanie głębokościowe XPS N 1s pokazuje, że na granicy faz SiNₓ / Al₂O₃ udział wiązań N–H spadł z 9,64% do 5,97%. Zatem pękanie wiązań N–H jest drugim źródłem wodoru poza Si–H. Uwolniony wodór dyfunduje w kierunku obszaru powierzchni SiNₓ i rekombinuje tam z krzemem, co jest powodem, dla którego udział N–H faktycznie rośnie w pobliżu tej powierzchni.

Tlen opowiada równie ważną historię. Tlen w warstwie Al₂O₃ nieznacznie spadł, podczas gdy tlen na granicach faz SiNₓ/Al₂O₃ i Al₂O₃/Si wzrósł. Wskazuje to na pękanie wiązań Al–O i migrację wolnego tlenu na zewnątrz. Energia wiązania Al–O w idealnym krysztale wynosi około 5,3 eV. Jednak w amorficznym Al₂O₃ jony glinu o niedomiarze koordynacji i wakancje tlenowe wychwytują elektrony i stają się ujemnie naładowane, obniżając energię aktywacji dla pęknięcia sąsiedniego wiązania Al–O do około 2,4 eV. Oznacza to, że światło UV o długości 400 nm (3,1 eV) wystarcza, aby je zerwać.

Widma XPS N 1s z profilowaniem głębokościowym na różnych granicach faz warstwy Al₂O₃/SiNₓ przed i po UV60, z dopasowanymi krzywymi dla wiązań N–Si (397,5 eV) i N–H (399,5 eV)

XPS O 1s pokazuje konwersję tlenu sieciowego (OI) w wakancje tlenowe (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%. W widmach Si 2p Si²⁺ wzrósł, podczas gdy krzem o wyższych stopniach utlenienia spadł. Elektrony uwalniane podczas tworzenia wakancji tlenowych redukują krzem z wyższych stopni utlenienia. Podsumowując, te zmiany w wiązaniach tlenu, glinu i krzemu pokazują, że jakość filmu Al₂O₃ już ucierpiała.

Pogorszenie właściwości elektrycznych

Krzywe EQE i reflektancji ogniwa słonecznego TOPCon przed i po UV60

Zmiana rezystywności kontaktu przedniego ogniwa słonecznego TOPCon podczas ekspozycji na UV60

Refleksyjność pozostała zasadniczo niezmieniona po UV60. EQE wykazało umiarkowany spadek w zakresie krótkich długości fal poniżej 500 nm, co odpowiada silniejszej rekombinacji na przedniej powierzchni. Rezystywność kontaktu przedniego rosła niemal liniowo wraz z dawką UV, osiągając 4,1 mΩ·cm², około 8,6 razy wyżej. Przyczyna: wolny wodór i tlen generowane w warstwie pasywacyjnej dyfundują do granicy faz elektrody i biorą udział w reakcjach redoks. UV przekształca również cząsteczki wody na powierzchni srebra w rodniki hydroksylowe, które razem korodują elektrodę metalową.

Szybkości degradacji wydajności elektrycznej podczas ekspozycji UV60: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff

Voc spadł o 3,46% względnie, co wynikało z degradacji pasywacji przedniej powierzchni i rosnącego J₀. FF spadł o 2,82%, co wynikało z wyższej rezystywności kontaktu przedniego. Jsc spadł tylko o 0,64%, ponieważ strata EQE w krótkich długościach fal była ograniczona. Końcowa strata wydajności konwersji fotoelektrycznej wyniosła 6,72%.

Wniosek

Przednia struktura SiNₓ/Al₂O₃ ogniw TOPCon jest znacznie słabsza wobec UV niż struktura tylna. Pod wpływem UV wiązania Si–H i N–H pękają kolejno i uwalniają wolny wodór. Wiązania Al–O w amorficznym Al₂O₃ pękają pod wpływem UV, uwalniając wolny tlen i tworząc dużą liczbę wakansów tlenowych. Al₂O₃ przekształca się w Al–OH, a wartościowość krzemu ulega przesunięciu. Te dwa mechanizmy degradacji, wodór i tlen, nakładają się i pogarszają rekombinację powierzchniową. Dodając gwałtowny wzrost rezystywności kontaktu przedniego, wynikiem jest strata wydajności 6,72%. Praca stanowi użyteczne odniesienie do zrozumienia UVID w TOPCon i poprawy długoterminowej niezawodności warstw pasywacyjnych.

Opinia Ooitech

UVID wciąż udowadnia, że przedni stos jest miejscem, gdzie niezawodność jest naprawdę testowana, więc sposób budowy i kontroli osadzania oraz enkapsulacji SiNₓ/Al₂O₃ na linii modułów ma równie duże znaczenie jak receptura ogniwa. Na naszych liniach modułów TOPCon i PERC typu turnkey widzimy tę samą lekcję na etapie układania, laminowania i EL — drobne wybory procesowe decydują o tym, czy panele przetrwają lata na zewnątrz. Jeśli chcesz więcej praktycznych spojrzeń z hali fabrycznej, kanał Ooitech na YouTube pod www.youtube.com/ooitech warto obserwować.