Degradazione Termica e Dinamiche LeTID nelle Celle Solari a Contatto Posteriore di Tipo n

Introduzione al prodotto

Le celle solari a contatto posteriore interdigitato (IBC) spostano entrambi i contatti metallici di polarità sul retro. Il fronte non presenta ombreggiature da griglia, quindi i vantaggi ottici della testurizzazione e del rivestimento antiriflesso si esprimono pienamente. Abbinata a una buona passivazione e a un processo di contatto, la IBC di tipo n può raggiungere una tensione a circuito aperto e una densità di corrente molto elevate.

Il compromesso è una sensibilità strutturale insita nel design. I portatori minoritari fotogenerati devono viaggiare lateralmente attraverso la base prima che l'emettitore interdigitato posteriore possa raccoglierli. Le prestazioni del dispositivo dipendono fortemente dalla durata del bulk e dalla qualità della passivazione posteriore. Una volta che la ricombinazione dell'interfaccia posteriore o la perdita di contatto vengono attivate termicamente, la densità di corrente di saturazione al buio J0 aumenta in modo sproporzionato e Voc subisce il colpo.

Questo è esattamente il punto di ingresso di questo lavoro. Su una cella IBC di tipo n, tre serie di prove vengono collocate nello stesso ambiente termico in modo che si integrino: misurazioni J-V illuminate da 25 a 85°C, un esperimento di stress LeTID condotto sotto un sole a 45-85°C per un massimo di 960 minuti e analisi I-V al buio nello stesso intervallo di temperatura.

Progettazione Sperimentale

Schema della sezione trasversale della cella IBC di tipo n: contatti posteriori interdigitati con emettitore p+ e BSF n+, testurizzazione frontale e ARC.

La cella di prova ha un'area di 258,3 cm², spessore del wafer di 151 ± 6 μm, un periodo interdigitato posteriore di circa 480 μm e larghezze delle dita dell'emettitore e del BSF di circa 250 μm e 90 μm. Le misurazioni illuminate sono state eseguite a AM1.5G, 100 mW/cm². A ogni punto di temperatura, dopo la stabilizzazione termica, sono state mediate cinque scansioni. Lo stress LeTID è stato misurato direttamente alla temperatura di stress, senza raffreddamento a metà test, e registrato a intervalli esponenziali di 1, 2, 4, 8 minuti e così via. Ogni parametro è stato normalizzato al suo valore iniziale, separando le dinamiche di degradazione intrinseche dall'effetto istantaneo del coefficiente di temperatura.

Sensibilità Termica a Regime Stazionario

Evoluzione termica normalizzata di quattro parametri rispetto ai propri valori a 25°C.

A 25°C la cella mostra Jsc intorno a 38,6 mA/cm², Voc intorno a 0,743 V, FF intorno al 79% ed efficienza intorno al 22,7%. Riscaldando a 85°C, Jsc aumenta solo di circa il 3% (+0,0203 mA·cm⁻²·K⁻¹, circa +0,05%/K). Voc diminuisce linearmente a −1,4 mV/K (circa −0,2%/°C). L'efficienza diminuisce di circa il 9% e FF si muove appena.

Il piccolo aumento di corrente deriva dal restringimento della banda proibita. Secondo la relazione di Varshni, il bordo di assorbimento si sposta verso lunghezze d'onda più lunghe, quindi la fotogenerazione riceve un leggero impulso. Il rapido decadimento della tensione deriva dalla crescita esponenziale di J0(T), governata dalla concentrazione intrinseca dei portatori e dall'attività di ricombinazione. Voc scala con ln(Jsc/J0), quindi un aumento moderato di J0 è sufficiente a causare una perdita misurabile.

Questo coefficiente di temperatura si colloca nell'intervallo da −1,3 a −1,6 mV/K comune ai dispositivi in silicio cristallino di alta qualità. Segna una cella limitata dalla ricombinazione piuttosto che da resistenza o trasporto. Dopo la normalizzazione, la classifica è altrettanto chiara: a 85°C Voc diminuisce di circa il 15%, l'efficienza di circa il 9%, FF rimane entro ±1% e Jsc guadagna effettivamente circa il 3%.

Dinamica LeTID

Dinamica di degradazione LeTID.

La misurazione in stato stazionario risponde solo a "quanto caldo". L'esperimento di stress LeTID completa "come cambia nel tempo". A 85°C, Voc diminuisce rapidamente nei primi 10-30 minuti, poi si avvicina lentamente a una quasi-saturazione. A temperature più basse il decadimento è molto più graduale. Dopo 960 minuti, Voc scende a circa 0,69 V, Jsc rimane entro ±2% per tutto il tempo, FF oscilla leggermente e nessuna rigenerazione appare nella finestra sperimentale. Poiché le misurazioni sono state effettuate alla temperatura di stress dopo la stabilizzazione termica, la caduta iniziale di tensione dovrebbe essere attribuita alla rapida attivazione degli stati di difetto piuttosto che all'equilibrio termico transitorio. La stabilità di Jsc indica che la fotogenerazione e l'estrazione in cortocircuito non sono state influenzate, quindi la perdita dominante non è limitata dalla generazione. Gli autori notano anche una limitazione: non esiste un esperimento di controllo con ricottura al buio, quindi il contributo di un puro effetto termico non può essere completamente escluso.

Verifica in Stato Oscuro

Comportamento elettrico in oscurità e canali di dispersione: (a) curve J-V in oscurità, (b) resistenza differenziale, (c) resistenza di shunt e serie estratta, (d) analisi di Arrhenius della conduttanza di shunt che dà Ea ≈ 1,10 eV.

La curva I-V al buio affronta lo stesso problema dall'esterno del regime illuminato. La corrente diretta aumenta marcatamente con la temperatura. La pendenza a bassa polarizzazione mostra una resistenza di shunt che diminuisce chiaramente, mentre la regione ad alta corrente cambia poco. Quindi l'evoluzione della resistenza guidata dalla temperatura è dominata dall'attivazione delle correnti di dispersione, non dal degrado della resistenza serie. Il fattore di idealità si mantiene tra 1.05 e 1.25, il che significa che domina la ricombinazione per diffusione, con un possibile contributo SRH ad alta temperatura.

Un'analisi di Arrhenius della conduttanza di shunt fornisce un buon adattamento lineare di ln(1/Rsh) contro 1/T (R² = 0.97), con un'energia di attivazione di 1.10 ± 0.08 eV. Questo è paragonabile al bandgap del silicio (circa 1.12 eV) e rientra nell'intervallo LeTID riportato di 0.8-1.2 eV. Un'energia di attivazione su scala di bandgap è spesso collegata a conduzione assistita da difetti a livello profondo, ma non si può escludere un contributo della concentrazione intrinseca dei portatori. Quindi supporta un comportamento di dispersione termicamente attivato senza identificare una specifica specie di difetto.

Quadro unificato ed estrapolazione sul campo

Tre linee di evidenza convergono in un unico quadro fenomenologico: J0(t, T) = J0,intr(T) + A·Ndef(t, T). Oltre alla corrente di saturazione intrinseca si aggiunge un contributo di difetti termicamente attivato che evolve con il tempo e la temperatura. Questo si converte poi in perdita di tensione attraverso Voc = (nkT/q)·ln(Jsc/(J0 + 1)). L'aumento della ricombinazione e l'attivazione delle dispersioni procedono in parallelo all'interno della stessa espressione. Il coefficiente di temperatura in stato stazionario, le dinamiche LeTID e l'evoluzione della dispersione al buio sono così collegati. Il quadro non identifica una specifica identità del difetto.

Estrapolando al funzionamento all'aperto: sotto irraggiamento elevato, le temperature delle celle nei moduli spesso si attestano tra 50 e 65°C. Usando −1.4 mV/K, 60°C rispetto a 25°C significa circa 49 mV di perdita di tensione, e il LeTID accelerato dalla temperatura aggiunge una perdita dipendente dal tempo. Le conclusioni si applicano solo alla cella misurata. Per TOPCon a contatto posteriore e HJT a contatto posteriore sono solo un riferimento qualitativo: l'entità del degrado, l'energia di attivazione e le dinamiche di rigenerazione dipendono dallo schema di contatto passivante di ciascuno, dalla qualità dell'interfaccia, dalla distribuzione dell'idrogeno e dalla stabilità termica, e meritano uno studio comparativo dedicato. Per i dispositivi ad alta efficienza a contatto posteriore in climi caldi, la robustezza della tensione e la resa energetica a lungo termine dipendono in ultima analisi dalla stabilità della passivazione posteriore e dalla gestione dei difetti.

Il Punto di Vista di Ooitech

Ciò che ci colpisce qui è quanto di quella perdita esterna di 49 mV viva sul lato posteriore, dove la passivazione e la qualità dei contatti determinano la Voc a lungo termine. Sulla linea dei moduli la storia è la stessa: come tagli, colleghi e lamini una cella IBC decide se quella stabilità posteriore sopravvive sul campo. Avendo costruito linee chiavi in mano per layout IBC e HPBC, vediamo la robustezza LeTID come un problema di processo e materiali tanto quanto di cella. Vale la pena seguirci sul nostro canale YouTube www.youtube.com/ooitech se vuoi vedere come vengono realmente costruiti i moduli a contatto posteriore.