UVID nelle celle solari TOPCon: test IV senza contatto monitorano il degrado della passivazione e una perdita di efficienza del 6,72%
Indice
Introduzione
Le celle solari TOPCon ora dominano il mercato fotovoltaico grazie alla forte passivazione superficiale e ai contatti selettivi per portatori. Ma il funzionamento all'aperto espone un vero punto debole: la degradazione indotta da UV, o UVID. Dopo l'irradiazione UV60, l'efficienza diminuisce fino al 6,72%.
La maggior parte dei lavori precedenti attribuiva l'UVID alla rottura dei legami Si-H da parte dei fotoni ad alta energia e al rilascio di idrogeno libero. Questa è solo una parte della storia. Lo spettro UV solare copre un ampio intervallo di energia di 3,1–4,43 eV, quindi la sua interazione con gli strati superficiali anteriori va ben oltre un singolo percorso di rottura Si-H. E lo stack frontale Al₂O₃ / SiNₓ è molto più debole contro i UV rispetto al lato posteriore.
Un tester IV senza contatto aiuta molto qui. È non distruttivo, usa zero consumabili, funziona a velocità di millisecondi, funziona con design BC e senza busbar, e raccoglie parametri IV, EQE e PL in un'unica misurazione.
Questo studio utilizza ToF-SIMS e XPS con profilazione in profondità per tracciare la distribuzione degli elementi e i cambiamenti dei legami chimici negli strati Al₂O₃ / SiNₓ prima e dopo UV60. Il risultato: la rottura del legame N-H è una seconda fonte di idrogeno insieme a Si-H. I legami Al-O nell'Al₂O₃ amorfo vengono rotti dai UV e generano un gran numero di vacanze di ossigeno. I meccanismi di idrogeno e ossigeno si accumulano e peggiorano la ricombinazione superficiale, dando una chiara direzione per migliorare l'affidabilità della passivazione.
Metodo Sperimentale
(a) Schema della struttura della cella solare TOPCon (b) campione simmetrico con struttura frontale (c) campione simmetrico con struttura posteriore
Sono stati preparati campioni simmetrici con struttura frontale (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) e campioni simmetrici con struttura posteriore (con strato SiOₓ/n⁺-poly-Si). L'invecchiamento UV è stato eseguito a livello di modulo. La sorgente luminosa era principalmente UV-A con circa l'11% di UV-B, a 60°C e 30% di umidità.
Irradianza spettrale della sorgente luminosa UV
Struttura frontale vs posteriore: resistenza ai UV a confronto
Cambiamenti in (a) τeff a una concentrazione di portatori iniettati di 1×10¹⁵ cm⁻³, (b) iVoc e (c) J₀ su un lato per campioni simmetrici con struttura frontale e posteriore durante l'esposizione ai UV
La struttura posteriore simmetrica si è degradata appena dopo 60 kWh·m⁻² di esposizione UV. Il suo strato di poli-Si spesso 120 nm assorbe quasi tutta la luce UV e fornisce una schermatura efficace.
La struttura anteriore ha raccontato una storia diversa. τeff è sceso da 2895,6 μs a 1552,8 μs. iVoc è sceso da 735,5 mV a 715,2 mV. La J₀ su un solo lato è salita a 18,4 fA·cm⁻², circa tre volte il valore iniziale. La passivazione Al₂O₃ / SiNₓ si è degradata pesantemente.
Evoluzione della composizione chimica
Profili di profondità dell'intensità di (a) idrogeno e (b) ossigeno nel campione simmetrico lucidato della struttura anteriore prima e dopo UV60, misurati con ToF-SIMS
Il ToF-SIMS mostra una concentrazione di idrogeno in aumento chiaramente dopo l'esposizione UV, specialmente all'interno dello strato SiNₓ. La profilazione XPS in profondità N 1s mostra che all'interfaccia SiNₓ / Al₂O₃, la frazione di legame N–H è scesa dal 9,64% al 5,97%. Quindi la rottura del legame N–H è la seconda fonte di idrogeno oltre a Si–H. L'idrogeno liberato diffonde verso la regione superficiale del SiNₓ e si ricombina con il silicio lì, motivo per cui la frazione N–H aumenta effettivamente vicino a quella superficie.
L'ossigeno racconta una storia altrettanto importante. L'ossigeno nello strato Al₂O₃ è leggermente diminuito, mentre l'ossigeno alle interfacce SiNₓ/Al₂O₃ e Al₂O₃/Si è aumentato. Questo indica la rottura dei legami Al–O e la migrazione dell'ossigeno libero verso l'esterno. L'energia di legame Al–O in un cristallo ideale è di circa 5,3 eV. Ma nell'Al₂O₃ amorfo, gli ioni di alluminio sotto-coordinati e le vacanze di ossigeno intrappolano elettroni e diventano caricati negativamente, abbassando l'energia di attivazione per la rottura dei legami Al–O adiacenti a circa 2,4 eV. Ciò significa che la luce UV a 400 nm (3,1 eV) è sufficiente per romperli.
Spettri XPS di profilazione in profondità N 1s a diverse interfacce dello strato Al₂O₃/SiNₓ prima e dopo UV60, con curve adattate per i legami N–Si (397,5 eV) e N–H (399,5 eV)
L'XPS O 1s mostra l'ossigeno reticolare (OI) che si converte in vacanze di ossigeno (OII). Negli spettri Al 2p, la frazione di Al₂O₃ è scesa dal 69,99% al 60,36% mentre Al–OH è salita dal 30,01% al 39,64%. Negli spettri Si 2p, Si²⁺ è aumentato mentre il silicio a valenza più alta è diminuito. Gli elettroni rilasciati quando si formano le vacanze di ossigeno riducono il silicio da stati di ossidazione più elevati. Nel complesso, questi cambiamenti nei legami di ossigeno, alluminio e silicio mostrano che la qualità del film Al₂O₃ ha già subito danni.
Degrado delle Prestazioni Elettriche
Curve EQE e di riflettanza della cella solare TOPCon prima e dopo UV60
Variazione della resistività di contatto anteriore della cella solare TOPCon durante l'esposizione UV60
La riflettanza è rimasta sostanzialmente invariata dopo UV60. L'EQE ha mostrato una moderata diminuzione nella regione delle lunghezze d'onda corte sotto i 500 nm, corrispondente a una più forte ricombinazione superficiale frontale. La resistività di contatto frontale è aumentata quasi linearmente con la dose UV, raggiungendo 4,1 mΩ·cm², circa 8,6 volte superiore. La causa: idrogeno e ossigeno liberi generati nello strato di passivazione diffondono verso l'interfaccia dell'elettrodo e partecipano a reazioni redox. I raggi UV convertono anche le molecole d'acqua sulla superficie dell'argento in radicali idrossilici, e insieme corrodono l'elettrodo metallico.
Tassi di degradazione delle prestazioni elettriche durante l'esposizione UV60: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff
La Voc è diminuita del 3,46% relativo, guidata dalla degradazione della passivazione superficiale frontale e dall'aumento di J₀. Il FF è sceso del 2,82%, guidato dalla maggiore resistività di contatto frontale. La Jsc è scesa solo dello 0,64%, poiché la perdita di EQE nella regione delle lunghezze d'onda corte era limitata. La perdita finale di efficienza di conversione fotoelettrica è arrivata al 6,72%.
Conclusione
La struttura frontale SiNₓ/Al₂O₃ delle celle TOPCon è molto più debole contro i raggi UV rispetto alla struttura posteriore. Sotto UV, i legami Si–H e N–H si rompono in sequenza e rilasciano idrogeno libero. I legami Al–O nell'Al₂O₃ amorfo si rompono sotto UV, rilasciando ossigeno libero e creando un gran numero di vacanze di ossigeno. L'Al₂O₃ si converte verso Al–OH e la valenza del silicio cambia. Questi due meccanismi di degradazione, idrogeno e ossigeno, si accumulano e peggiorano la ricombinazione superficiale. Aggiungi il forte aumento della resistività di contatto frontale, e il risultato è una perdita di efficienza del 6,72%. Il lavoro offre un utile riferimento per comprendere l'UVID delle TOPCon e per migliorare l'affidabilità a lungo termine degli strati di passivazione.
Il punto di vista di Ooitech
L'UVID continua a dimostrare che lo stack frontale è dove l'affidabilità viene davvero messa alla prova, quindi come costruisci e controlli la deposizione e l'incapsulamento di SiNₓ/Al₂O₃ su una linea di moduli conta tanto quanto la ricetta della cella. Sulle nostre linee chiavi in mano per moduli TOPCon e PERC vediamo la stessa lezione svolgersi sul layup, la laminazione e il lato EL: piccole scelte di processo decidono se i pannelli resistono all'aperto per anni. Se vuoi più punti di vista pratici dalla fabbrica, il canale YouTube di Ooitech all'indirizzo www.youtube.com/ooitech merita un follow.
