Temperatuurdegradatie en LeTID-dynamiek in n-type achtercontactzonnecellen

Productintroductie

Interdigitated back-contact (IBC) zonnecellen verplaatsen beide polariteitsmetaalcontacten naar de achterzijde. De voorkant heeft geen gridline-schaduw, waardoor de optische voordelen van texturering en de antireflectiecoating volledig tot hun recht komen. In combinatie met goede passivering en contactprocessen kan n-type IBC een zeer hoge open-circuitspanning en stroomdichtheid bereiken.

Het nadeel is een structurele gevoeligheid die in het ontwerp is ingebouwd. Fotogegenereerde minderheidsladingsdragers moeten lateraal over de basis reizen voordat de achterste interdigitated emitter ze kan verzamelen. De prestaties van het apparaat leunen sterk op de bulklevensduur en de kwaliteit van de achterpassivering. Zodra recombinatie aan het achterste grensvlak of contactlekkage thermisch wordt geactiveerd, stijgt de donkere verzadigingsstroomdichtheid J0 buiten proportie en lijdt Voc eronder.

Dat is precies het instappunt van dit werk. Op een n-type IBC-cel worden drie sets bewijs in dezelfde thermische omgeving geplaatst zodat ze elkaar versterken: belichte J-V-metingen van 25 tot 85°C, een LeTID-stressexperiment uitgevoerd onder één zon bij 45 tot 85°C gedurende maximaal 960 minuten, en donkere I-V-analyse over hetzelfde temperatuurbereik.

Experimenteel Ontwerp

Dwarsdoorsnede-schema van de n-type IBC-cel: achterste interdigitated p+ emitter en n+ BSF-contacten, fronttexturering en ARC.

De testcel heeft een oppervlakte van 258,3 cm², een waferdikte van 151 ± 6 μm, een achterste interdigitated periode van ongeveer 480 μm, en emitter- en BSF-vingerbreedtes van ongeveer 250 μm en 90 μm. Belichte metingen werden uitgevoerd bij AM1.5G, 100 mW/cm². Bij elk temperatuurpunt werden, na thermische stabilisatie, vijf scans gemiddeld. De LeTID-stress werd direct bij de stresstemperatuur gemeten, zonder afkoeling tussendoor, en gelogd met exponentiële intervallen van 1, 2, 4, 8 minuten enzovoort. Elke parameter werd genormaliseerd naar zijn initiële waarde, wat de intrinsieke degradatiedynamiek scheidt van het momentane temperatuurcoëfficiënteffect.

Stationaire Thermische Gevoeligheid

Genormaliseerde thermische evolutie van vier parameters ten opzichte van hun eigen 25°C-waarden.

Bij 25°C vertoont de cel Jsc rond 38,6 mA/cm², Voc rond 0,743 V, FF rond 79% en een rendement rond 22,7%. Bij verhitting tot 85°C stijgt Jsc slechts ongeveer 3% (+0,0203 mA·cm⁻²·K⁻¹, ruwweg +0,05%/K). Voc daalt lineair met −1,4 mV/K (ongeveer −0,2%/°C). Het rendement daalt ongeveer 9%, en FF beweegt nauwelijks.

De kleine stroomtoename komt door bandgap-vernauwing. Onder de Varshni-relatie verschuift de absorptierand naar langere golflengten, waardoor fotogeneratie een lichte boost krijgt. Het snelle spanningsverval komt door de exponentiële groei van J0(T), bepaald door intrinsieke dragerconcentratie en recombinatie-activiteit. Voc schaalt met ln(Jsc/J0), dus een matige stijging van J0 is voldoende om een meetbaar verlies te veroorzaken.

Deze temperatuurcoëfficiënt ligt in het bereik van −1,3 tot −1,6 mV/K dat gebruikelijk is voor hoogwaardige kristallijne siliciumapparaten. Het markeert een recombinatie-gelimiteerde cel in plaats van een weerstands- of transport-gelimiteerde. Na normalisatie is de rangschikking net zo duidelijk: bij 85°C daalt Voc ongeveer 15%, het rendement ongeveer 9%, FF blijft binnen ±1%, en Jsc wint zelfs ongeveer 3%.

LeTID-dynamiek

LeTID-degradatiedynamiek.

Statische meting beantwoordt alleen 'hoe heet'. Het LeTID-stressexperiment vult in 'hoe het verandert in de tijd'. Bij 85°C daalt Voc snel in de eerste 10 tot 30 minuten, en nadert dan langzaam een quasi-verzadiging. Bij lagere temperaturen is het verval veel zachter. Na 960 minuten daalt Voc tot ongeveer 0,69 V, Jsc blijft binnen ±2% gedurende het hele proces, FF schommelt licht, en er verschijnt geen regeneratie binnen het experimentele venster. Aangezien metingen werden uitgevoerd bij de stresstemperatuur na thermische stabilisatie, moet de vroege spanningsdaling worden toegeschreven aan snelle activering van defecttoestanden in plaats van tijdelijke thermische evenwicht. De stabiele Jsc zegt dat fotogeneratie en kortsluitingsextractie niet werden beïnvloed, dus het dominante verlies is niet generatie-gelimiteerd. De auteurs merken ook een beperking op: er is geen donker-anneal-controle-experiment, dus de bijdrage van een puur thermisch effect kan niet volledig worden uitgesloten.

Donkere-toestand verificatie

Donker elektrisch gedrag en lekkanalen: (a) donkere J-V-curven, (b) differentiële weerstand, (c) geëxtraheerde shunt- en serieweerstand, (d) Arrhenius-analyse van shuntgeleiding met Ea ≈ 1,10 eV.

Donkere I-V benadert hetzelfde probleem van buiten het verlichte regime. De voorwaartse stroom neemt duidelijk toe met de temperatuur. De helling bij lage spanning toont een duidelijke daling van de shuntweerstand, terwijl het hoge-stroomgebied weinig verandert. De temperatuurgestuurde weerstandsevolutie wordt dus gedomineerd door lekactivering, niet door degradatie van de serieweerstand. De idealiteitsfactor blijft op 1,05 tot 1,25, wat betekent dat diffusie-recombinatie domineert, met een mogelijke SRH-bijdrage bij hoge temperatuur.

Een Arrhenius-analyse van de shuntgeleiding geeft een goede lineaire fit van ln(1/Rsh) tegen 1/T (R² = 0,97), met een activeringsenergie van 1,10 ± 0,08 eV. Dat is vergelijkbaar met de siliciumbandafstand (ongeveer 1,12 eV) en valt binnen het gerapporteerde LeTID-bereik van 0,8 tot 1,2 eV. Een activeringsenergie op bandafstandsschaal wordt vaak gekoppeld aan geleiding via diepe-niveau-defecten, maar een bijdrage van de intrinsieke dragerconcentratie kan niet worden uitgesloten. Dit ondersteunt dus thermisch geactiveerd lekgedrag zonder een specifieke defectsoort vast te pinnen.

Uniform Kader en VeldExtrapolatie

Drie bewijslijnen komen samen in één fenomenologisch kader: J0(t, T) = J0,intr(T) + A·Ndef(t, T). Bovenop de intrinsieke verzadigingsstroom zit een thermisch geactiveerde defectbijdrage die evolueert met tijd en temperatuur. Dit wordt vervolgens omgezet in spanningsverlies via Voc = (nkT/q)·ln(Jsc/(J0 + 1)). Recombinatieversterking en lekactivering lopen parallel binnen dezelfde uitdrukking. De stationaire temperatuurcoëfficiënt, LeTID-dynamiek en donkere lekevolutie worden daardoor met elkaar verbonden. Het kader identificeert geen specifieke defectidentiteit.

Extrapolerend naar buitengebruik: onder hoge instraling liggen de celtemperaturen van modules vaak op 50 tot 65°C. Met −1,4 mV/K betekent 60°C ten opzichte van 25°C ongeveer 49 mV spanningsverlies, en temperatuurversnelde LeTID voegt daar nog tijdsafhankelijk verlies aan toe. De conclusies gelden alleen voor de gemeten cel. Voor back-contact TOPCon en back-contact HJT zijn ze slechts een kwalitatieve referentie: de mate van degradatie, activeringsenergie en regeneratiedynamiek hangen af van het passiverende-contactontwerp van elk, de interfacekwaliteit, waterstofverdeling en thermische stabiliteit, en verdienen een toegewijd vergelijkend onderzoek. Voor hoogrendements-back-contactapparaten in warme klimaten berust de spanningsrobuustheid en de energieopbrengst op lange termijn uiteindelijk op de stabiliteit van de achterpassivering en defectbeheer.

Ooitech's Visie

Wat ons hier opvalt is hoeveel van dat verlies van 49 mV buiten, aan de achterzijde zit, waar passivering en contactkwaliteit bepalen of de Voc op lange termijn standhoudt. Op de modulelijn is het verhaal hetzelfde: hoe je een IBC-cel snijdt, stringt en lamineert, bepaalt of die stabiliteit aan de achterzijde het veld overleeft. Omdat we turnkey-lijnen voor IBC- en HPBC-indelingen hebben gebouwd, zien we LeTID-robuustheid als een proces- en materiaalprobleem, net zozeer als een celprobleem. Het is de moeite waard om ons YouTube-kanaal te volgen www.youtube.com/ooitech als je wilt zien hoe back-contactmodules daadwerkelijk worden gebouwd.