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

Wprowadzenie

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

Większość wcześniejszych prac obwiniała UVID o wysokoenergetyczne fotony zrywające wiązania Si–H i uwalniające wolny wodór. To tylko część historii. Widmo słonecznego UV obejmuje szeroki zakres energii 3,1–4,43 eV, więc jego oddziaływanie z warstwami przedniej powierzchni wykracza daleko poza pojedynczą ścieżkę rozerwania Si–H. A przedni stos Al₂O₃ / SiNₓ jest znacznie słabszy wobec UV niż strona tylna.

Bezdotykowy tester IV bardzo tu pomaga. Jest nieniszczący, nie zużywa materiałów eksploatacyjnych, działa z prędkością milisekundową, współpracuje z projektami BC i bez szyn zbiorczych oraz pobiera parametry IV, EQE i PL w jednym pomiarze.

To badanie wykorzystuje ToF-SIMS i profilowy XPS do śledzenia rozmieszczenia pierwiastków i zmian wiązań chemicznych w warstwach Al₂O₃ / SiNₓ przed i po UV60. Odkrycie: zrywanie wiązań N–H jest drugim źródłem wodoru obok Si–H. Wiązania Al–O w amorficznym Al₂O₃ są zrywane przez UV i generują dużą liczbę wakancji tlenowych. Mechanizmy wodoru i tlenu nakładają się i pogarszają rekombinację powierzchniową, dając jasny kierunek poprawy niezawodności pasywacji.

Metoda eksperymentalna

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

Przygotowano symetryczne próbki przedniej struktury (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) oraz symetryczne próbki tylnej struktury (z warstwą SiOₓ/n⁺-poly-Si). Starzenie UV przeprowadzono na poziomie modułu. Źródło światła to 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 koncentracji nośników wtrysku 1×10¹⁵ cm⁻³, (b) iVoc oraz (c) jednostronnego J₀ dla symetrycznych próbek przedniej i tylnej struktury podczas ekspozycji na UV

Symetryczna struktura tylna uległa jedynie nieznacznej degradacji po ekspozycji na promieniowanie UV o wartości 60 kWh·m⁻². Jej warstwa polikrzemu o grubości 120 nm pochłania prawie całe światło UV i zapewnia skuteczne ekranowanie.

Struktura przednia przedstawiała inną historię. τeff spadło z 2895,6 μs do 1552,8 μs. iVoc spadło z 735,5 mV do 715,2 mV. Jednostronna wartość J₀ wzrosła do 18,4 fA·cm⁻², czyli około trzykrotnie w stosunku do wartości początkowej. Pasywacja Al₂O₃ / SiNₓ uległa znacznej degradacji.

Ewolucja składu chemicznego

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

ToF-SIMS pokazuje, że stężenie wodoru wyraźnie wzrasta po ekspozycji na UV, zwłaszcza wewnątrz warstwy SiNₓ. Profilowanie głębokościowe XPS N 1s pokazuje, że na granicy SiNₓ / Al₂O₃ udział wiązań N–H spadł z 9,64% do 5,97%. Zatem zrywanie wiązań N–H jest drugim źródłem wodoru, obok Si–H. Uwolniony wodór dyfunduje w kierunku powierzchni warstwy SiNₓ i rekombinuje tam z krzemem, dlatego udział N–H faktycznie wzrasta w pobliżu tej powierzchni.

Tlen opowiada równie ważną historię. Zawartość tlenu w warstwie Al₂O₃ nieznacznie spadła, podczas gdy tlen na granicach SiNₓ/Al₂O₃ i Al₂O₃/Si wzrósł. Wskazuje to na zrywanie 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, niedoskoordynowane jony glinu i defekty tlenowe (wakancje) pułapkują elektrony i stają się ujemnie naładowane, obniżając energię aktywacji dla zerwania sąsiednich wiązań Al–O do około 2,4 eV. Oznacza to, że światło UV o długości 400 nm (3,1 eV) jest wystarczające do ich zerwania.

Widma XPS N 1s z profilowaniem głębokościowym na różnych granicach 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 wzrósł udział Si²⁺, a spadł udział krzemu na wyższych stopniach utlenienia. Elektrony uwolnione podczas tworzenia wakancji tlenowych redukują krzem z wyższych stopni utlenienia. Podsumowując, te zmiany w wiązaniach tlenu, glinu i krzemu pokazują, że jakość warstwy Al₂O₃ już uległa pogorszeniu.

Degradacja parametrów elektrycznych

Krzywe EQE i odbicia ogniwa słonecznego TOPCon przed i po UV60

Zmiana rezystywności kontaktu przedniego ogniwa słonecznego TOPCon podczas ekspozycji UV60

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

Tempo degradacji parametrów elektrycznych podczas ekspozycji UV60: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff

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

Podsumowanie

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

Opinia Ooitech

UVID wciąż pokazuje, że przedni stos to miejsce, gdzie niezawodność jest naprawdę testowana, więc sposób budowy i kontroli osadzania SiNₓ/Al₂O₃ oraz enkapsulacji na linii modułów ma znaczenie równie duże jak receptura ogniw. Na naszych liniach modułów TOPCon i PERC pod klucz widzimy tę samą lekcję w układaniu, laminacji i kontroli EL – małe decyzje procesowe decydują, czy panele wytrzymają na zewnątrz przez lata. Jeśli chcesz więcej praktycznych spojrzeń z hali produkcyjnej, kanał Ooitech na YouTube pod www.youtube.com/ooitech jest wart obserwowania.