UVID in TOPCon-zonnecellen: contactloze IV-testen volgen passivatiedegradatie en 6,72% efficiëntieverlies
Inhoudsopgave
Inleiding
TOPCon-zonnecellen domineren nu de PV-markt dankzij sterke oppervlaktepassivering en dragerselectieve contacten. Maar buitengebruik legt een echt zwak punt bloot: UV-geïnduceerde degradatie, of UVID. Na UV60-bestraling daalt het rendement met maar liefst 6,72%.
De meeste eerdere onderzoeken schreven UVID toe aan hoogenergetische fotonen die Si–H-bindingen verbreken en vrij waterstof vrijgeven. Dat is slechts een deel van het verhaal. Het zonne-UV-spectrum omvat een breed energiebereik van 3,1–4,43 eV, dus de interactie met de voorste oppervlaktelagen gaat veel verder dan een enkel Si–H-breekpad. En de voorste Al₂O₃ / SiNₓ-stapel is veel zwakker tegen UV dan de achterkant.
Een contactloze IV-tester helpt hier veel bij. Het is niet-destructief, gebruikt nul verbruiksartikelen, werkt op millisecondesnelheid, werkt met BC- en busbar-vrije ontwerpen, en haalt IV-, EQE- en PL-parameters in één keer op.
Deze studie gebruikt ToF-SIMS en diepteprofiel-XPS om de elementverdeling en chemische bindingsveranderingen in de Al₂O₃ / SiNₓ-lagen voor en na UV60 te volgen. De bevinding: N–H-bindingbreuk is een tweede waterstofbron naast Si–H. Al–O-bindingen in amorf Al₂O₃ worden door UV verbroken en genereren een groot aantal zuurstofvacatures. De waterstof- en zuurstofmechanismen stapelen zich op en verslechteren oppervlakterecombinatie, wat een duidelijke richting geeft voor het verbeteren van de passiveringsbetrouwbaarheid.
Experimentele Methode
(a) TOPCon-zonnecelstructuurschema (b) symmetrisch voorstructuurmonster (c) symmetrisch achterstructuurmonster
Symmetrische voorstructuurmonsters (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) en symmetrische achterstructuurmonsters (met SiOₓ/n⁺-poly-Si-laag) werden voorbereid. UV-veroudering werd uitgevoerd op moduleniveau. De lichtbron was voornamelijk UV-A met ongeveer 11% UV-B, bij 60°C en 30% luchtvochtigheid.
Spectrale bestralingssterkte van de UV-lichtbron
Voor- versus achterstructuur: UV-bestendigheid vergeleken
Veranderingen in (a) τeff bij een injectiecarrierconcentratie van 1×10¹⁵ cm⁻³, (b) iVoc, en (c) enkelzijdige J₀ voor symmetrische voor- en achterstructuurmonsters tijdens UV-blootstelling
De symmetrische achterstructuur degradeerde nauwelijks na 60 kWh·m⁻² UV-blootstelling. De 120 nm dikke poly-Si-laag absorbeert bijna al het UV-licht en biedt effectieve afscherming.
De voorstructuur vertelde een ander verhaal. τeff daalde van 2895,6 μs naar 1552,8 μs. iVoc viel van 735,5 mV naar 715,2 mV. Enkelzijdige J₀ schoot omhoog naar 18,4 fA·cm⁻², ongeveer drie keer de initiële waarde. De Al₂O₃ / SiNₓ-passivering degradeerde zwaar.
Evolutie van de chemische samenstelling
Intensiteitsdiepteprofielen van (a) waterstof en (b) zuurstof in het gepolijste symmetrische voorstructuurmonster vóór en na UV60, gemeten met ToF-SIMS
ToF-SIMS toont dat de waterstofconcentratie duidelijk stijgt na UV-blootstelling, vooral binnen de SiNₓ-laag. N 1s XPS-diepteprofielering toont dat bij het SiNₓ / Al₂O₃-grensvlak de N–H-bindingfractie daalde van 9,64% naar 5,97%. Dus N–H-bindingbreuk is de tweede waterstofbron naast Si–H. De vrijgekomen waterstof diffundeert naar het SiNₓ-oppervlaktegebied en recombineert daar met silicium, wat verklaart waarom de N–H-fractie nabij dat oppervlak juist stijgt.
Zuurstof vertelt een even belangrijk verhaal. Zuurstof in de Al₂O₃-laag daalde licht, terwijl zuurstof bij de SiNₓ/Al₂O₃- en Al₂O₃/Si-grensvlakken toenam. Dit wijst op het breken van Al–O-bindingen en het naar buiten migreren van vrije zuurstof. De Al–O-bindingsenergie in een ideaal kristal is ongeveer 5,3 eV. Maar in amorf Al₂O₃ vangen ondergecoördineerde aluminiumionen en zuurstofvacatures elektronen op en worden negatief geladen, waardoor de activeringsenergie voor aangrenzende Al–O-bindingbreuk daalt tot ongeveer 2,4 eV. Dat betekent dat 400 nm UV-licht (3,1 eV) voldoende is om ze te breken.
N 1s-diepteprofiel-XPS-spectra bij verschillende grensvlakken van de Al₂O₃/SiNₓ-laag vóór en na UV60, met gefitte curven voor N–Si (397,5 eV) en N–H (399,5 eV) bindingen
O 1s XPS toont dat roosterzuurstof (OI) wordt omgezet in zuurstofvacatures (OII). In de Al 2p-spectra daalde de Al₂O₃-fractie van 69,99% naar 60,36% terwijl Al–OH steeg van 30,01% naar 39,64%. In de Si 2p-spectra nam Si²⁺ toe terwijl hogerwaardig silicium daalde. De elektronen die vrijkomen bij de vorming van zuurstofvacatures reduceren silicium van hogere oxidatietoestanden. Samen genomen tonen deze veranderingen in zuurstof-, aluminium- en siliciumbindingen dat de kwaliteit van de Al₂O₃-film al heeft geleden.
Achteruitgang van elektrische prestaties
EQE- en reflectiecurven van de TOPCon-zonnecel vóór en na UV60
Verandering in de voorste contactweerstand van de TOPCon-zonnecel tijdens UV60-blootstelling
Reflectie bleef na UV60 vrijwel onveranderd. EQE vertoonde een matige daling in het kortegolfgebied onder 500 nm, wat overeenkomt met sterkere recombinatie aan het frontoppervlak. De contactweerstand van het frontelektrode steeg bijna lineair met de UV-dosis en bereikte 4,1 mΩ·cm², ongeveer 8,6 keer hoger. De oorzaak: vrije waterstof en zuurstof die in de passivatielaag worden gegenereerd, diffunderen naar het elektrode-interface en nemen deel aan redoxreacties. UV zet ook watermoleculen op het zilveropper- vlak om in hydroxylradicalen, en samen corroderen ze de metaalelektrode.
Afnamesnelheden van elektrische prestaties tijdens UV60-blootstelling: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff
Voc daalde relatief met 3,46%, gedreven door degradatie van de frontpassivatie en stijgende J₀. FF daalde met 2,82%, gedreven door hogere contactweerstand van het front. Jsc daalde slechts met 0,64%, omdat het verlies in kortegolf-EQE beperkt was. Het uiteindelijke verlies in fotovoltaïsche conversie-efficiëntie kwam uit op 6,72%.
Conclusie
De frontstructuur SiNₓ/Al₂O₃ van TOPCon-cellen is veel zwakker tegen UV dan de achterstructuur. Onder UV breken Si–H- en N–H-bindingen achtereenvolgens en geven vrije waterstof vrij. Al–O-bindingen in amorf Al₂O₃ breken onder UV, geven vrije zuurstof vrij en creëren een groot aantal zuurstofvacatures. Al₂O₃ zet om naar Al–OH en de siliciumvalentie verschuift. Deze twee degradatiemechanismen, waterstof en zuurstof, stapelen zich op en verergeren oppervlakterecombinatie. Voeg de sterke stijging van de contactweerstand van het front toe, en het resultaat is 6,72% efficiëntieverlies. Het werk biedt een nuttige referentie voor het begrijpen van TOPCon-UVID en voor het verbeteren van de langetermijnbetrouwbaarheid van passivatielagen.
Ooitech's Visie
UVID blijft bewijzen dat de frontstack de echte betrouwbaarheidstest is, dus hoe je de SiNₓ/Al₂O₃-depositie en -inkapseling op een modulelijn opbouwt en beheert, is net zo belangrijk als het celrecept. Op onze turnkey TOPCon- en PERC-modulelijnen zien we dezelfde les terug in de lay-up, laminatie en EL-kant: kleine proceskeuzes bepalen of panelen jarenlang buiten standhouden. Als je meer praktische beelden vanaf de fabrieksvloer wilt, het Ooitech YouTube-kanaal op www.youtube.com/ooitech het volgen waard.
