TOPCon-cel UVID-onderzoek: Contactloze IV-test volgt passiveringsdegradatie en 6,72% efficiëntieverlies
Inhoudsopgave
TOPCon Cel UVID en Contactloos IV-Testen
TOPCon-zonnecellen hebben een leidende positie verworven in de fotovoltaïsche markt vanwege hun sterke oppervlaktepassivering en dragerselectieve contacten. Buitenbedrijf stelt ze echter bloot aan ultraviolet-geïnduceerde degradatie, of UVID. In deze studie daalde de conversie-efficiëntie met 6,72% na UV60-blootstelling.
Eerder werk koppelde UVID vaak voornamelijk aan hoogenergetische fotonen die Si–H-bindingen verbreken en mobiele waterstof vrijgeven. Het zonne-ultravioletspectrum bestrijkt een veel breder fotonenergiebereik van 3,1–4,43 eV, dus de interactie met frontoppervlaktematerialen kan niet alleen worden verklaard door Si–H-bindingbreuk. De front Al₂O₃/SiNₓ-stapel vertoont ook een veel zwakkere UV-bestendigheid dan de achterstructuur.
De Millennial Solar contactloze IV-tester biedt niet-destructief testen zonder verbruiksartikelen en meetsnelheid op millisecondeniveau. Het is compatibel met back-contact en busbar-loze celontwerpen en kan in één testreeks multidimensionale IV-, EQE- en PL-parameters verkrijgen.
Deze studie gebruikte time-of-flight secundaire ionenmassaspectrometrie, of ToF-SIMS, samen met diepte-profiel röntgenfoto-elektronenspectroscopie, of XPS, om de elementaire verdeling en chemische bindingsveranderingen in de Al₂O₃/SiNₓ-lagen voor en na UV60-blootstelling te volgen. De resultaten tonen aan dat N–H-bindingbreuk fungeert als een tweede waterstofbron naast Si–H-bindingbreuk. UV-blootstelling beschadigt ook Al–O-bindingen in amorf Al₂O₃, waardoor grote aantallen zuurstofvacatures ontstaan. De gecombineerde waterstof- en zuurstofmechanismen verhogen de oppervlakterecombinatie en bieden een duidelijkere basis voor het verbeteren van de betrouwbaarheid van de passiveringslaag.
Experimentele Methode
Millennial Solar
(a) Schematische structuur van de TOPCon-zonnecel; (b) symmetrisch frontstructuurmonster; (c) symmetrisch achterstructuurmonster.
Er werden twee symmetrische monsterstructuren bereid. De frontstructuur was SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. De achterstructuur bevatte SiOₓ/n⁺-poly-Si lagen. UV-veroudering werd uitgevoerd op moduleniveau met een lichtbron gedomineerd door UV-A met ongeveer 11% UV-B. De testomstandigheden waren 60°C en 30% relatieve luchtvochtigheid.
| Testitem | Conditie of configuratie |
|---|---|
| Front symmetrisch monster | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Achter symmetrisch monster | Structuur met SiOₓ/n⁺-poly-Si lagen |
| UV-bron | Voornamelijk UV-A, met ongeveer 11% UV-B |
| Testtemperatuur | 60°C |
| Relatieve luchtvochtigheid | 30% |
| Maximale gerapporteerde UV-dosis | 60 kWh·m⁻², geïdentificeerd als UV60 |
| Belangrijkste analysemethoden | ToF-SIMS en diepteprofiel XPS |
Spectrale bestralingssterkte van de ultraviolette lichtbron.
UV-bestendigheid van voor- en achterstructuren
Millennial Solar
Veranderingen in de symmetrische voor- en achterstructuurmonsters tijdens UV-blootstelling: (a) effectieve dragerlevensduur, τeff, bij een geïnjecteerde dragerconcentratie van 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) geïmpliceerde openklemspanning, iVoc; en (c) enkelzijdige verzadigingsstroomdichtheid, J₀.
De symmetrische achterstructuur vertoonde slechts geringe degradatie na 60 kWh·m⁻² UV-blootstelling. De 120 nm poly-Si laag absorbeerde bijna alle invallende UV-straling en bood effectieve bescherming aan het onderliggende grensvlak.
De symmetrische voorstructuur degradeerde veel ernstiger:
Effectieve dragerlevensduur, τeff, daalde van 2.895,6 μs naar 1.552,8 μs.
Geïmpliceerde openklemspanning, iVoc, daalde van 735,5 mV naar 715,2 mV.
Enkelzijdige J₀ steeg naar 18,4 fA·cm⁻², ongeveer drie keer de initiële waarde.
De Al₂O₃/SiNₓ passiveringsprestatie verslechterde aanzienlijk.
Deze resultaten bevestigen dat de voorste SiNₓ/Al₂O₃ stapel aanzienlijk kwetsbaarder is voor ultraviolette blootstelling dan de achterste SiOₓ/poly-Si structuur.
Evolutie van de chemische samenstelling
Millennial Solar
ToF-SIMS-diepteprofielen van (a) waterstof- en (b) zuurstofintensiteit in gepolijste symmetrische frontstructuurmonsters voor en na UV60-blootstelling.
ToF-SIMS toonde een duidelijke stijging van de waterstofconcentratie na ultraviolette blootstelling, vooral in de SiNₓ-laag. Diepteprofielanalyse van het N 1s XPS-signaal toonde aan dat het aandeel N–H-bindingen op het SiNₓ/Al₂O₃-grensvlak daalde van 9,64% naar 5,97%. Dit bevestigt dat N–H-bindingbreuk een andere belangrijke waterstofbron is naast Si–H-bindingdissociatie.
Een deel van de vrijgekomen waterstof diffundeerde naar het SiNₓ-oppervlak en bond opnieuw met silicium. Dit verklaart waarom de lokale N–H-verhouding dicht bij het oppervlak toenam in plaats van verder te dalen.
Zuurstofontwikkeling was ook cruciaal. De zuurstofconcentratie in de Al₂O₃-laag nam licht af, terwijl deze toenam aan zowel het SiNₓ/Al₂O₃- als het Al₂O₃/Si-grensvlak. Deze verdeling geeft aan dat zuurstof die vrijkomt door Al–O-bindingbreuk uit de Al₂O₃-film diffundeerde.
De Al–O-bindingsenergie in een ideaal kristal is ongeveer 5,3 eV. Amorf Al₂O₃ is anders. Ondergecoördineerde aluminiumionen en negatief geladen zuurstofvacatures kunnen de activeringsenergie voor het verbreken van aangrenzende Al–O-bindingen verlagen tot ongeveer 2,4 eV. Een 400 nm ultraviolet foton draagt ongeveer 3,1 eV, wat al voldoende is om dit proces te starten.
N 1s diepteprofiel XPS-spectra op verschillende Al₂O₃/SiNₓ-grensvlakken voor en na UV60-blootstelling, inclusief gefitte N–Si-bindingen bij 397,5 eV en N–H-bindingen bij 399,5 eV.
De O 1s XPS-resultaten toonden een conversie van roosterzuurstof, geïdentificeerd als OI, naar zuurstofvacature-gerelateerde componenten, geïdentificeerd als OII. In de Al 2p-spectra daalde het Al₂O₃-aandeel van 69,99% naar 60,36%, terwijl Al–OH toenam van 30,01% naar 39,64%.
De Si 2p-spectra toonden ook een toename van Si²⁺ en een afname van hogere siliciumoxidatietoestanden. Elektronen die vrijkwamen tijdens de vorming van zuurstofvacatures reduceerden silicium van hogere oxidatietoestanden. Deze gecoördineerde veranderingen in zuurstof-, aluminium- en siliciumbindingen duiden op brede schade aan de Al₂O₃-film in plaats van een enkele geïsoleerde bindingsbreukreactie.
Achteruitgang van elektrische prestaties
Millennial Solar
EQE- en reflectiecurves van de TOPCon-zonnecel voor en na UV60-blootstelling.
Reflectie bleef vrijwel onveranderd na UV60-blootstelling. EQE vertoonde een matige daling in het kortegolfgebied onder 500 nm, wat overeenkomt met sterkere recombinatie aan het frontoppervlak.
Verandering in frontcontactweerstand van de TOPCon-zonnecel tijdens UV60-blootstelling.
Frontcontactweerstand nam bijna lineair toe met UV-dosis en bereikte 4,1 mΩ·cm², ongeveer 8,6 keer de beginwaarde. Het voorgestelde mechanisme houdt verband met mobiele waterstof en zuurstof die in de passivatielagen worden gegenereerd. Deze soorten diffunderen naar het elektrode-interface en nemen deel aan oxidatie-reductiereacties.
UV-straling kan ook watermoleculen op het zilveroeroppervlak omzetten in hydroxylradicalen. Samen bevorderen deze reacties corrosie van de metaalelektrode en verhogen ze de contactweerstand.
Elektrische prestatievermindering van de TOPCon-zonnecel tijdens UV60-blootstelling: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; en (d) rendement.
De uiteindelijke elektrische verliezen waren verdeeld over verschillende parameters:
Voc daalde met 3,46%, voornamelijk door degradatie van de frontoppervlakpassivatie en de toename van J₀.
FF daalde met 2,82%, voornamelijk door de sterke stijging van de frontcontactweerstand.
Jsc daalde met slechts 0,64%, omdat het EQE-verlies voornamelijk beperkt bleef tot het kortegolfgebied.
Conversierendement daalde met 6,72% na UV60-blootstelling.
De front SiNₓ/Al₂O₃-structuur van de TOPCon-zonnecel heeft daarom een veel lagere ultravioletbestendigheid dan de achterstructuur. Onder UV-blootstelling breken Si–H- en N–H-bindingen en geven mobiele waterstof vrij. Al–O-bindingen in amorf Al₂O₃ worden ook beschadigd, waardoor zuurstof vrijkomt en een hoge dichtheid aan zuurstofvacatures ontstaat. Tegelijkertijd verschuift Al₂O₃ naar Al–OH en verandert de oxidatietoestandsverdeling van silicium.
De waterstof- en zuurstofgerelateerde degradatiemechanismen werken samen om oppervlakterecombinatie te intensiveren. De bijbehorende toename van de frontcontactweerstand voegt een apart elektrisch verlies toe, wat leidt tot de gemeten 6,72% rendementsdegradatie. Deze bevindingen bieden een nuttige referentie voor het begrijpen van TOPCon UVID en het verbeteren van de langetermijnbetrouwbaarheid van front-side passiveringsstapels.
Ooitech's Visie
Het belangrijkste punt is dat TOPCon UVID niet kan worden behandeld als een eenvoudig Si–H-bindingprobleem. Passiveringschemie, zuurstofvacaturecontrole en metallisatiestabiliteit moeten samen worden geëvalueerd, vooral bij het kwalificeren van moduleproductieprocessen voor langdurig buitengebruik. Contactloze IV-, EQE- en PL-tracking kunnen helpen deze verliezen eerder te identificeren zonder mechanische contacts schade toe te voegen aan steeds delicatere celontwerpen.
