TOPCon-cellen onder vochtige warmte: waarom de achterkant als eerste faalt
Inhoudsopgave
Inleiding
TOPCon heeft het grootste deel van de hoogrendement c-Si-markt overgenomen, maar de betrouwbaarheid op lange termijn in het veld is nog steeds een bewegend doelwit. Een zwakke plek blijft opduiken in vochtige-warmte-studies: de achterste passiveringsstack. Een recente studie (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) heeft vastgesteld wat er precies misgaat wanneer natriumzouten op het celoppervlak terechtkomen en onder 85°C/85% RV verblijven. De korte versie: de achterste SiNₓ-laag is de zwakke plek en een dunne ALD AlOₓ-film lost het meeste op.
Belangrijkste bevindingen vooraf
De achterste SiNₓ-laag is het zwakke punt onder vochtige warmte. Natriumacetaat (CH₃COONa) deed de openklemspanning (Voc) aan de achterkant met 5,8% dalen en verhoogde de serieweerstand (Rₛ) met 450%.
Natriumzouten versnellen oppervlakteoxidatie en stikstofverlies. XPS toonde aan dat de achterste Si/N-atoomverhouding steeg van 1,3 naar 23, en O/N van 1,6 naar 53.
Een 10nm ALD Al₂O₃-barrière maakte een groot verschil: het PCE-verlies onder CH₃COONa-verontreiniging daalde van 16% naar slechts 0,4%.
De frontpassivering is veel robuuster. De AlOₓ/SiOᵧNᵣ-multilaag blokkeert natriumdiffusie, dus verontreiniging daar kostte slechts 0,87% PCE.
De twee verontreinigingen werken verschillend: natriumacetaat tast het metaalcontact aan, terwijl natriumchloride (NaCl) voornamelijk de passiveringslaag oxideert.
Achtergrond
De kernvraag is eenvoudig te stellen, maar moeilijker te beantwoorden: waarom verliezen TOPCon-cellen prestatie onder vochtige warmte in aanwezigheid van natriumzouten, en waarom wordt de achterpassivering harder getroffen (Kyranaki et al., 2022)?
Waar de hiaten zitten
Eerder werk richtte zich vooral op corrosie van metaalcontacten (Iqbal et al., 2023), maar niemand had systematisch gekeken naar de chemische afbraak van de passivatielaag zelf. De voor- en achterzijde zijn anders opgebouwd — voorzijde is AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, achterzijde is SiNₓ over gedoteerd poly-Si — en hun corrosiebestendigheid was nooit direct vergeleken (Feldmann et al., 2014). Bovendien dacht men dat de twee veelvoorkomende verontreinigingen (CH₃COONa vs. NaCl) hetzelfde gedrag vertoonden, maar dat doen ze niet (Li et al., 2021).
Dit goed krijgen is van belang voor echt geld. PV-installaties worden verkocht met een levensduurgarantie van 25 jaar (Peters et al., 2021), en een faalmechanisme aan de achterzijde dat optreedt onder vochtigheid is precies het soort probleem dat die garantie ondermijnt.
Aanpak
De workflow werd dicht bij een echte productiestroom gehouden: industriële TOPCon-cellen → lokale besproeiing met natriumzout op de voor- of achterzijde → versnelde dampheat (85°C/85% RV) → elektrische en chemische karakterisering → testen van een ALD AlOₓ-barrière → uitwerken van het beschermingsmechanisme.
Wat is nieuw hier
Aan de theoriezijde is dit de eerste studie die wijst op stikstofverlies in de achterste SiNₓ-laag als de belangrijkste oorzaak van de Voc-daling. Aan de praktische kant draait de 10nm AlOₓ-laag op standaard industriële ALD-apparatuur en kost slechts ongeveer 0,01% in absoluut rendement. En methodologisch bouwde het team een cel-level DH-test waarbij 20 uur staat voor meerdere jaren veroudering buitenshuis (Sen et al., 2023).
De logische keten is eenvoudig te volgen: verontreiniging aan de achterzijde veroorzaakt een scherpe Voc-daling, wat direct wijst op passivatie-uitval. XPS bevestigt vervolgens de SiNₓ-oxidatiereactie en het natriumdiffusiepad dat daardoor ontstaat. Voeg de AlOₓ-laag toe, blokkeer het natrium, en PL-beeldvorming bevestigt dat de defecten worden onderdrukt.
Methoden
Monstervoorbereiding
| Item | Detail |
|---|---|
| Celstructuur | n-type TOPCon. Voorzijde: boor-gediffundeerde emitter + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC. Achterzijde: SiO₂/fosfor-gedoteerd poly-Si + SiNₓ, ARC |
| Verontreiniging | 0,155 mol/L CH₃COONa- of NaCl-oplossing, 0,3 g per monster, lokale besproeiing |
| ALD-barrière | 10nm AlOₓ, gedeponeerd bij 150°C (Leadmicro QL200) |
| Damp heat | 85°C/85% RV, 20 uur (ASLi klimaatkamer) |
Hoe het werd gemeten
I-V-parameters (Pmax, Voc, FF, Jsc) via het LOANA-systeem (pv-tools).
Passivatiekwaliteit via effectieve minderheidsdragerlevensduur (τ_eff).
Oppervlaktechemie via XPS en SEM-EDS.
Resultaten en discussie
Elektrische degradatie
De achterkant is duidelijk de gevoelige kant. CH₃COONa op de achterkant verlaagde Voc met 5,8%, verhoogde Rₛ met 450% (Tabel 1) en verminderde PL-intensiteit met 37,3% (Fig. 3a). Dezelfde behandeling op de voorkant kostte slechts 0,87% PCE. Hetzelfde zout, heel verschillende uitkomst afhankelijk van welk vlak het raakt.
Chemische afbraak van de passivering
XPS op het achteroppervlak toonde een sterke toename van de Si-O-bindingfractie (Fig. 5b), waarbij de O/N atomaire verhouding steeg van 1,6 in de controle naar 53 in de CH₃COONa-groep. Het mechanisme is stikstofverlies — vochtige warmte hydrolyseert de SiNₓ en vernietigt de oppervlaktepassivering.
Wat de AlOₓ-barrière doet
Met de 10nm ALD AlOₓ op zijn plaats daalde het PCE-verlies onder achterste CH₃COONa-verontreiniging van 16% naar 0,4%, en bleef Voc stabiel (Fig. 6a). SEM-EDS toonde een natriumgehalte dat 86% lager was in de AlOₓ-monsters (Fig. 6c), en PL toonde geen defectactivering (Fig. 6b). De barrière doet precies wat je wilt — het natrium buiten houden.
Conclusie
Belangrijkste conclusies
De achterste SiNₓ-laag hydrolyseert en oxideert onder vochtige warmte plus natriumzout, wat Voc verlaagt en Rₛ verhoogt (ondersteund door XPS/EDS, Fig. 4-5). Een 10nm AlOₓ-laag blokkeert de natriumdiffusie en houdt het DH85 PCE-verlies onder 1% (Fig. 6a). En de voorste AlOₓ/SiOᵧNᵣ-multilaag is intrinsiek corrosiebestendig, dus verontreiniging daar heeft nauwelijks effect.
Waarom het nuttig is
De AlOₓ-barrière kan direct worden toegepast in TOPCon-massaproductie op gereedschappen zoals de Leadmicro QL200. Verder vooruitkijkend, het combineren van AlOₓ met SiNₓ in dubbelglas-module-inkapseling zou de levensduur van installaties in vochtige regio's kunnen verlengen.
Enige achtergrond
TOPCon-structuur: een tunneloxide (SiO₂) plus gedoteerd poly-Si passiverend contact, dat recombinatie bij het metaal vermindert (Feldmann et al., 2014).
ALD: laag-voor-laag nanofilm-groei, die uniforme nanometergrote AlOₓ-bedekking geeft.
DH-testen: 85°C/85% RV versnelde veroudering om module-degradatie in vochtige klimaten na te bootsen.
SiNₓ-passivering: gehydrogeneerd siliciumnitride, goed voor antireflectie en oppervlaktepassivering, maar het heeft losse bindingen en hydrolyseert gemakkelijk.
Referenties
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., Accelerated damp-heat testing of TOPCon cells using NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.
Peters I.M. et al., The value of stability in photovoltaics, Joule 5 (2021) 3137–3153.
Ooitech's Visie
Wat hier opvalt, is hoeveel van het betrouwbaarheidsverhaal zich afspeelt in de achterpassiveringsstapel, niet in de celontwerp-hoofdlijn. Op een echte productielijn is een extra 10nm ALD AlOₓ-stap een goedkope verzekering voor projecten in vochtige klimaten, en het past zonder veel gedoe in standaard moduleproductie. Wij bouwen turnkey modulelijnen van begin tot eind, dus we volgen dit soort bevindingen nauwlettend — kleine procesaanpassingen stroomopwaarts bepalen vaak of een installatie 25 jaar meegaat. Als u meer van de fabrieksvloer wilt, het Ooitech YouTube-kanaal (www.youtube.com/ooitech) het volgen waard.
