TOPCon-cel UVID-onderzoek: Niet-contact IV-testen volgt
Inhoudsopgave
Snel antwoord: UVID, ultraviolet-geïnduceerde degradatie, is een betrouwbaarheidsmechanisme in TOPCon-cellen dat standaard vermogensmetingen missen omdat het zich geleidelijk onder belichting ontwikkelt in plaats van als een onmiddellijk verlies te verschijnen. Niet-contact IV-testen wordt gebruikt om het te volgen: de cel wordt gemeten zonder de metallisatie te sonderen, zodat dezelfde cel herhaaldelijk opnieuw kan worden gemeten tijdens een versnelde blootstelling zonder contactschade te introduceren die het resultaat zou vertroebelen. De stressomstandigheden in deze studie omvatten UV-blootstelling bij 60 °C, met metingen over spectrale bereiken nabij 120 nm, 400 nm en 500 nm, met behulp van monstersets gelabeld UV60. De waarde van niet-contact meting is dat het UVID verandert van een destructieve observatie aan het einde van de test in een curve die je kunt volgen, wat het mogelijk maakt om een proceswijziging te evalueren in plaats van alleen te accepteren of af te wijzen.
PV-moduleproductie · door Jerry, Ooitech
TOPCon UVID- en niet-contact IV-testen van cellen
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.
