Celle TOPCon sotto calore umido: perché il lato posteriore si guasta per primo

Introduzione

TOPCon ha conquistato gran parte del mercato c-Si ad alta efficienza, ma l'affidabilità sul campo a lungo termine è ancora un obiettivo in movimento. Un punto debole continua a emergere negli studi sul calore umido: lo stack di passivazione posteriore. Uno studio recente (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) ha individuato cosa va effettivamente storto quando i sali di sodio si depositano sulla superficie della cella e rimangono a 85°C/85% RH. In breve: lo strato posteriore di SiNₓ è il punto debole, e una sottile pellicola di ALD AlOₓ risolve gran parte del problema.

Risultati chiave in sintesi

• Lo strato posteriore di SiNₓ è il punto debole al calore umido. L'acetato di sodio (CH₃COONa) ha ridotto la tensione a circuito aperto (Voc) posteriore del 5,8% e aumentato la resistenza serie (Rₛ) del 450%.

• I sali di sodio accelerano l'ossidazione superficiale e la perdita di azoto. L'XPS ha mostrato che il rapporto atomico Si/N posteriore è passato da 1,3 a 23, e O/N da 1,6 a 53.

• Una barriera ALD Al₂O₃ di 10 nm ha fatto una grande differenza: la perdita di PCE sotto contaminazione da CH₃COONa è scesa dal 16% a solo lo 0,4%.

• La passivazione frontale è molto più robusta. Il multistrato AlOₓ/SiOᵧNᵣ blocca la diffusione del sodio, quindi la contaminazione lì ha causato solo lo 0,87% di perdita di PCE.

• I due contaminanti agiscono diversamente: l'acetato di sodio attacca il contatto metallico, mentre il cloruro di sodio (NaCl) ossida principalmente lo strato di passivazione.

Contesto

La domanda centrale è semplice da formulare, ma più difficile da rispondere: perché le celle TOPCon perdono prestazioni sotto calore umido in presenza di sali di sodio, e perché la passivazione posteriore è più colpita (Kyranaki et al., 2022)?

Dove sono le lacune

La maggior parte dei lavori precedenti si è concentrata sulla corrosione dei contatti metallici (Iqbal et al., 2023), ma nessuno aveva esaminato sistematicamente la degradazione chimica dello strato di passivazione stesso. Gli stack anteriore e posteriore sono costruiti diversamente — anteriore è AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, posteriore è SiNₓ su poli-Si drogato — e la loro resistenza alla corrosione non era mai stata confrontata direttamente (Feldmann et al., 2014). Inoltre, i due contaminanti comuni (CH₃COONa vs. NaCl) si pensava si comportassero allo stesso modo, ma non è così (Li et al., 2021).

Ottenere questo risultato è importante per soldi veri. Gli impianti fotovoltaici vengono venduti con una promessa di durata di 25 anni (Peters et al., 2021), e una modalità di guasto sul lato posteriore che si manifesta in condizioni di umidità è esattamente il tipo di problema che intacca quella promessa.

Approccio

Il flusso di lavoro è stato mantenuto vicino a un flusso di produzione reale: celle TOPCon industriali → spruzzo locale di sale di sodio sulla superficie anteriore o posteriore → calore umido accelerato (85°C/85% UR) → caratterizzazione elettrica e chimica → test di una barriera ALD AlOₓ → determinazione del meccanismo di protezione.

Cosa c'è di nuovo qui

Dal punto di vista teorico, questo è il primo studio a indicare la perdita di azoto nello strato posteriore di SiNₓ come principale motore del calo di Voc. Dal punto di vista pratico, lo strato di AlOₓ da 10 nm viene depositato con strumentazione ALD industriale standard e costa solo circa lo 0,01% in efficienza assoluta. E metodologicamente, il team ha costruito un test DH a livello di cella in cui 20 ore equivalgono a diversi anni di invecchiamento all'aperto (Sen et al., 2023).

La catena logica è facile da seguire: la contaminazione posteriore causa un forte calo di Voc, che punta direttamente al fallimento della passivazione. L'XPS conferma quindi la reazione di ossidazione del SiNₓ e il percorso di diffusione del sodio che apre. Aggiungi lo strato di AlOₓ, blocca il sodio, e l'imaging PL conferma che i difetti sono soppressi.

Metodi

Preparazione del campione

Come è stato misurato

• Parametri I-V (Pmax, Voc, FF, Jsc) tramite il sistema LOANA (pv-tools).

• Qualità della passivazione attraverso il tempo di vita effettivo dei portatori minoritari (τ_eff).

• Chimica superficiale tramite XPS e SEM-EDS.

Risultati e discussione

Degrado elettrico

Il lato posteriore è chiaramente quello sensibile. CH₃COONa sul retro ha ridotto Voc del 5,8%, aumentato Rₛ del 450% (Tabella 1) e tagliato l'intensità PL del 37,3% (Fig. 3a). Lo stesso trattamento sul fronte è costato solo lo 0,87% di PCE. Stesso sale, risultato molto diverso a seconda della faccia colpita.

Degradazione chimica della passivazione

XPS sulla superficie posteriore ha mostrato un aumento della frazione di legame Si-O (Fig. 5b), con il rapporto atomico O/N che è passato da 1,6 nel controllo a 53 nel gruppo CH₃COONa. Il meccanismo è la perdita di azoto: il calore umido idrolizza il SiNₓ e distrugge la passivazione superficiale.

Cosa fa la barriera AlOₓ

Con il AlOₓ ALD da 10 nm in posizione, la perdita di PCE sotto contaminazione posteriore di CH₃COONa è scesa dal 16% allo 0,4%, e Voc è rimasto stabile (Fig. 6a). SEM-EDS ha mostrato un contenuto di sodio ridotto dell'86% nei campioni con AlOₓ (Fig. 6c), e PL non ha mostrato attivazione di difetti (Fig. 6b). La barriera sta facendo esattamente ciò che si desidera: tenere fuori il sodio.

Conclusione

Punti principali

Lo strato posteriore di SiNₓ si idrolizza e ossida sotto calore umido più sale di sodio, il che riduce Voc e aumenta Rₛ (supportato da XPS/EDS, Fig. 4-5). Uno strato di AlOₓ da 10 nm blocca la diffusione del sodio e mantiene la perdita di PCE DH85 al di sotto dell'1% (Fig. 6a). E il multistrato frontale AlOₓ/SiOᵧNᵣ è intrinsecamente resistente alla corrosione, quindi la contaminazione lì è quasi impercettibile.

Perché è utile

La barriera AlOₓ può essere inserita direttamente nella produzione di massa TOPCon su strumenti come il Leadmicro QL200. Guardando oltre, abbinare AlOₓ con SiNₓ nell'incapsulamento di moduli a doppio vetro potrebbe prolungare la durata degli impianti in regioni umide.

Un po' di contesto

• Struttura TOPCon: un ossido tunnel (SiO₂) più contatto passivante in poli-Si drogato, che riduce la ricombinazione al metallo (Feldmann et al., 2014).

• ALD: crescita di nanofilm strato per strato, che fornisce una copertura uniforme di AlOₓ su scala nanometrica.

• Test DH: invecchiamento accelerato a 85°C/85% UR per simulare il degrado dei moduli in climi umidi.

• Passivazione SiNₓ: nitruro di silicio idrogenato, buono per antiriflesso e passivazione superficiale, ma presenta legami pendenti e si idrolizza facilmente.

Riferimenti

• Tong H. et al., Mitigating contaminant-induced degradation in TOPCon solar cells via ALD AlOₓ barrier, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188

• Feldmann F. et al., Contatti posteriori passivati per celle solari al silicio di tipo n ad alta efficienza, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.

• Li X. et al., Test accelerato di calore umido su celle TOPCon utilizzando NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.

• Peters I.M. et al., Il valore della stabilità nel fotovoltaico, Joule 5 (2021) 3137–3153.

Il punto di vista di Ooitech

Ciò che colpisce è quanto della storia dell'affidabilità risieda nello stack di passivazione posteriore, non nel titolo del design della cella. Su una linea reale, un passo aggiuntivo di 10nm ALD AlOₓ è un'assicurazione economica per progetti in climi umidi e si inserisce nella produzione standard di moduli senza troppi problemi. Costruiamo linee di moduli chiavi in mano dall'inizio alla fine, quindi seguiamo da vicino risultati come questo: piccole modifiche di processo a monte spesso decidono se un impianto regge per 25 anni. Se vuoi saperne di più dalla fabbrica, il canale YouTube di Ooitech (www.youtube.com/ooitech) vale la pena seguirlo.