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

Introduzione

TOPCon ha conquistato gran parte del mercato delle celle 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 succede realmente quando i sali di sodio si depositano sulla superficie della cella e restano a 85°C/85% UR. In breve: lo strato posteriore di SiNₓ è il punto debole, e una sottile pellicola ALD di 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 ha aumentato la resistenza serie (Rₛ) del 450%.

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

• Una barriera ALD Al₂O₃ da 10nm 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 resistente. Il multistrato AlOₓ/SiOᵧNᵣ blocca la diffusione del sodio, quindi la contaminazione lì è costata solo lo 0,87% di PCE.

• I due contaminanti agiscono in modo diverso: 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 quando sono presenti sali di sodio, e perché la passivazione posteriore è colpita peggio (Kyranaki et al., 2022)?

Dove sono le lacune

La maggior parte degli studi 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 frontale e posteriore sono costruiti in modo diverso: frontale 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).

Farlo bene è importante per soldi veri. Gli impianti fotovoltaici sono venduti con una promessa di durata di 25 anni (Peters et al., 2021), e una modalità di guasto sul lato posteriore che si manifesta con l'umidità è esattamente il tipo di cosa che incide su 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 → elaborazione del meccanismo di protezione.

Cosa c'è di nuovo qui

Sul lato teorico, questo è il primo studio a indicare la perdita di azoto nello strato posteriore di SiNₓ come principale motore del calo di Voc. Sul lato pratico, lo strato di AlOₓ da 10 nm funziona su 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 dove 20 ore rappresentano 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. La XPS conferma poi 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 la durata di vita effettiva dei portatori minoritari (τ_eff).

• Chimica della superficie tramite XPS e SEM-EDS.

Risultati e discussione

Degrado elettrico

Il lato posteriore è chiaramente quello sensibile. CH₃COONa sul retro ha ridotto la Voc del 5,8%, ha aumentato Rₛ del 450% (Tabella 1) e ha 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 che colpisce.

Analisi chimica della passivazione

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

Cosa fa la barriera AlOₓ

Con la barriera AlOₓ di 10nm depositata via ALD, la perdita di PCE sotto contaminazione posteriore di CH₃COONa è scesa dal 16% allo 0,4%, e la Voc è rimasta 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 vorresti: tenere fuori il sodio.

Conclusione

Conclusioni principali

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

Perché è utile

La barriera AlOₓ può essere integrata 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 vita degli impianti in regioni umide.

Un po' di contesto

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

• ALD: crescita di nano-film strato per strato, che dà 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 l'antiriflesso e la passivazione superficiale, ma ha 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., Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells, 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 qui 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 extra di 10nm di 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 osserviamo da vicino risultati come questo — piccoli aggiustamenti 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 di essere seguito.