Studio UVID su celle TOPCon: test IV senza contatto monitora il degrado della passivazione e una perdita di efficienza del 6,72%
Indice
UVID cella TOPCon e test IV senza contatto
Le celle solari TOPCon hanno guadagnato una posizione di leadership nel mercato fotovoltaico grazie alla loro forte passivazione superficiale e ai contatti selettivi per portatori. Tuttavia, l'operazione all'aperto le espone alla degradazione indotta da ultravioletti, o UVID. In questo studio, l'efficienza di conversione è diminuita del 6,72% dopo esposizione UV60.
Lavori precedenti spesso collegavano l'UVID principalmente alla rottura dei legami Si–H da parte di fotoni ad alta energia e al rilascio di idrogeno mobile. Lo spettro ultravioletto solare copre un intervallo di energia fotonica molto più ampio di 3,1–4,43 eV, quindi la sua interazione con i materiali della superficie frontale non può essere spiegata solo dalla rottura dei legami Si–H. Anche lo stack frontale Al₂O₃/SiNₓ mostra una resistenza UV molto più debole rispetto alla struttura posteriore.
Il tester IV senza contatto Millennial Solar fornisce test non distruttivi senza consumabili e velocità di misurazione in millisecondi. È compatibile con progetti di celle a contatto posteriore e senza busbar e può ottenere parametri IV, EQE e PL multidimensionali in una singola sequenza di test.
Questo studio ha utilizzato la spettrometria di massa a ioni secondari a tempo di volo, o ToF-SIMS, insieme alla spettroscopia fotoelettronica a raggi X con profilo di profondità, o XPS, per tracciare la distribuzione elementare e i cambiamenti nei legami chimici negli strati Al₂O₃/SiNₓ prima e dopo esposizione UV60. I risultati mostrano che la rottura dei legami N–H agisce come una seconda fonte di idrogeno oltre alla rottura dei legami Si–H. L'esposizione UV danneggia anche i legami Al–O nell'Al₂O₃ amorfo, creando un gran numero di vacanze di ossigeno. I meccanismi combinati di idrogeno e ossigeno aumentano la ricombinazione superficiale e forniscono una base più chiara per migliorare l'affidabilità dello strato di passivazione.
Metodo Sperimentale
Millennial Solar
(a) Struttura schematica della cella solare TOPCon; (b) campione simmetrico di struttura frontale; (c) campione simmetrico di struttura posteriore.
Sono stati preparati due campioni simmetrici. La struttura frontale era SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. La struttura posteriore includeva strati SiOₓ/n⁺-poly-Si. L'invecchiamento UV è stato effettuato a livello di modulo utilizzando una sorgente luminosa dominata da UV-A con circa l'11% di UV-B. Le condizioni di prova erano 60°C e 30% di umidità relativa.
| Elemento di prova | Condizione o configurazione |
|---|---|
| Campione simmetrico anteriore | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Campione simmetrico posteriore | Struttura contenente strati SiOₓ/n⁺-poly-Si |
| Sorgente UV | Principalmente UV-A, con circa l'11% di UV-B |
| Temperatura di prova | 60°C |
| Umidità relativa | 30% |
| Dose UV massima riportata | 60 kWh·m⁻², identificata come UV60 |
| Metodi di analisi principali | ToF-SIMS e XPS con profilo di profondità |
Irradianza spettrale della sorgente di luce ultravioletta.
Resistenza UV delle strutture anteriore e posteriore
Millennial Solar
Cambiamenti nei campioni simmetrici delle strutture anteriore e posteriore durante l'esposizione UV: (a) tempo di vita effettivo dei portatori, τeff, a una concentrazione di portatori iniettati di 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) tensione a circuito aperto implicita, iVoc; e (c) densità di corrente di saturazione su un lato, J₀.
La struttura posteriore simmetrica ha mostrato solo un degrado minore dopo 60 kWh·m⁻² di esposizione UV. Il suo strato di poly-Si di 120 nm ha assorbito quasi tutta la radiazione UV incidente e ha fornito una protezione efficace all'interfaccia sottostante.
La struttura anteriore simmetrica si è degradata molto più gravemente:
Il tempo di vita effettivo dei portatori, τeff, è sceso da 2.895,6 μs a 1.552,8 μs.
La tensione a circuito aperto implicita, iVoc, è diminuita da 735,5 mV a 715,2 mV.
La J₀ su un lato è aumentata a 18,4 fA·cm⁻², circa tre volte il suo valore iniziale.
Le prestazioni di passivazione di Al₂O₃/SiNₓ sono diminuite sostanzialmente.
Questi risultati confermano che lo stack anteriore SiNₓ/Al₂O₃ è considerevolmente più vulnerabile all'esposizione ultravioletta rispetto alla struttura posteriore SiOₓ/poly-Si.
Evoluzione della composizione chimica
Millennial Solar
Profili di profondità ToF-SIMS di (a) idrogeno e (b) ossigeno in campioni simmetrici di struttura frontale lucidati prima e dopo esposizione UV60.
ToF-SIMS ha mostrato un chiaro aumento della concentrazione di idrogeno dopo esposizione ultravioletta, specialmente all'interno dello strato di SiNₓ. L'analisi del profilo di profondità del segnale XPS N 1s ha rilevato che la proporzione di legami N–H all'interfaccia SiNₓ/Al₂O₃ è diminuita da 9.64% a 5.97%. Ciò conferma che la rottura del legame N–H è un'altra importante fonte di idrogeno oltre alla dissociazione del legame Si–H.
Parte dell'idrogeno rilasciato è diffuso verso la superficie del SiNₓ e si è legato nuovamente con il silicio. Questo spiega perché la proporzione locale di N–H vicino alla superficie è aumentata invece di continuare a diminuire.
Anche l'evoluzione dell'ossigeno è stata critica. La concentrazione di ossigeno all'interno dello strato di Al₂O₃ è leggermente diminuita, mentre è aumentata sia all'interfaccia SiNₓ/Al₂O₃ che Al₂O₃/Si. Questa distribuzione indica che l'ossigeno rilasciato dalla rottura del legame Al–O è diffuso verso l'esterno dal film di Al₂O₃.
L'energia di legame Al–O in un cristallo ideale è di circa 5.3 eV. L'Al₂O₃ amorfo è diverso. Gli ioni di alluminio sottocoordinati e le vacanze di ossigeno caricate negativamente possono abbassare l'energia di attivazione per rompere i legami Al–O adiacenti a circa 2.4 eV. Un fotone ultravioletto da 400 nm trasporta circa 3.1 eV, che è già sufficiente per innescare questo processo.
Spettri XPS del profilo di profondità N 1s a diverse interfacce Al₂O₃/SiNₓ prima e dopo esposizione UV60, inclusi i legami N–Si a 397.5 eV e i legami N–H a 399.5 eV.
I risultati XPS O 1s hanno mostrato una conversione dall'ossigeno reticolare, identificato come OI, verso componenti correlate a vacanze di ossigeno, identificate come OII. Negli spettri Al 2p, la proporzione di Al₂O₃ è diminuita da 69.99% a 60.36%, mentre Al–OH è aumentato da 30.01% a 39.64%.
Gli spettri Si 2p hanno anche mostrato un aumento di Si²⁺ e una diminuzione degli stati di ossidazione superiori del silicio. Gli elettroni rilasciati durante la formazione di vacanze di ossigeno hanno ridotto il silicio da stati di ossidazione superiori. Questi cambiamenti coordinati nei legami di ossigeno, alluminio e silicio indicano un danno esteso al film di Al₂O₃ piuttosto che una singola reazione isolata di rottura del legame.
Degrado delle Prestazioni Elettriche
Millennial Solar
Curve di EQE e riflettanza della cella solare TOPCon prima e dopo esposizione UV60.
La riflettanza è rimasta quasi invariata dopo esposizione UV60. L'EQE ha mostrato un moderato declino nella regione delle lunghezze d'onda corte sotto i 500 nm, che corrisponde a una maggiore ricombinazione sulla superficie frontale.
Variazione della resistività di contatto frontale della cella solare TOPCon durante esposizione UV60.
La resistività di contatto frontale è aumentata quasi linearmente con la dose UV, raggiungendo 4.1 mΩ·cm², circa 8.6 volte il suo valore iniziale. Il meccanismo proposto è legato all'idrogeno mobile e all'ossigeno generati all'interno degli strati di passivazione. Queste specie diffondono verso l'interfaccia dell'elettrodo e partecipano a reazioni di ossidoriduzione.
La radiazione UV può anche convertire le molecole d'acqua sulla superficie dell'argento in radicali idrossilici. Insieme, queste reazioni promuovono la corrosione dell'elettrodo metallico e aumentano la resistenza di contatto.
Degrado delle prestazioni elettriche della cella solare TOPCon durante esposizione UV60: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; e (d) efficienza.
Le perdite elettriche finali sono state distribuite su diversi parametri:
Voc è diminuita del 3.46%, principalmente a causa del degrado della passivazione della superficie frontale e dell'aumento di J₀.
FF è diminuito del 2.82%, principalmente a causa del forte aumento della resistività di contatto frontale.
Jsc è diminuita solo dello 0.64%, poiché la perdita di EQE era limitata principalmente alla regione delle lunghezze d'onda corte.
L'efficienza di conversione è diminuita del 6.72% dopo esposizione UV60.
La struttura frontale SiNₓ/Al₂O₃ della cella solare TOPCon ha quindi una resistenza ai raggi UV molto inferiore rispetto alla struttura posteriore. Sotto esposizione UV, i legami Si–H e N–H si rompono e rilasciano idrogeno mobile. Anche i legami Al–O nell'Al₂O₃ amorfo vengono danneggiati, rilasciando ossigeno e generando un'alta densità di vacanze di ossigeno. Allo stesso tempo, Al₂O₃ si sposta verso Al–OH e la distribuzione dello stato di ossidazione del silicio cambia.
I meccanismi di degrado legati all'idrogeno e all'ossigeno lavorano insieme per intensificare la ricombinazione superficiale. L'accompagnante aumento della resistività di contatto frontale aggiunge una perdita elettrica separata, portando al misurato degrado dell'efficienza del 6.72%. Questi risultati offrono un utile riferimento per comprendere l'UVID delle celle TOPCon e migliorare l'affidabilità a lungo termine degli stack di passivazione frontale.
Il punto di vista di Ooitech
Il punto chiave è che l'UVID delle celle TOPCon non può essere trattato come un semplice problema di legame Si–H. La chimica di passivazione, il controllo delle vacanze di ossigeno e la stabilità della metallizzazione devono essere valutati insieme, specialmente quando si qualificano i processi di produzione dei moduli per un lungo servizio all'aperto. Il monitoraggio non a contatto di IV, EQE e PL può aiutare a identificare queste perdite in anticipo senza aggiungere danni meccanici da contatto a progetti di celle sempre più delicati.
