TOPCon Cell UVID-studie: Icke-kontakt IV-testning Spårar Passiveringsnedbrytning och 6.72% Effektivitetsförlust
Innehållsförteckning
TOPCon Cell UVID och beröringsfri IV-testning
TOPCon-solceller har fått en ledande position på fotovoltaikmarknaden på grund av deras starka ytpassivering och bärarselektiva kontakter. Utomhusdrift utsätter dem dock för ultraviolett-inducerad nedbrytning, eller UVID. I denna studie sjönk omvandlingseffektiviteten med 6,72 % efter UV60-exponering.
Tidigare arbete kopplade ofta UVID främst till högenergifotoner som bryter Si–H-bindningar och frigör mobilt väte. Det solära ultravioletta spektrumet täcker ett mycket bredare fotonenergiområde på 3,1–4,43 eV, så dess interaktion med frontytmaterial kan inte förklaras enbart av Si–H-bindningsbrott. Frontens Al₂O₃/SiNₓ-stack visar också mycket svagare UV-resistens än bakstrukturen.
Millennial Solar beröringsfri IV-testare ger icke-förstörande testning utan förbrukningsmaterial och millisekunds mäthastighet. Den är kompatibel med bakkontakt- och bussbarlösa celldesigner och kan erhålla flerdimensionella IV-, EQE- och PL-parametrar i en testsekvens.
Denna studie använde time-of-flight sekundärjonmasspektrometri, eller ToF-SIMS, tillsammans med djupprofil röntgenfotoelektronspektroskopi, eller XPS, för att spåra elementfördelning och kemiska bindningsförändringar i Al₂O₃/SiNₓ-skikten före och efter UV60-exponering. Resultaten visar att N–H-bindningsbrott fungerar som en andra vätekälla utöver Si–H-bindningsbrott. UV-exponering skadar också Al–O-bindningar i amorft Al₂O₃, vilket skapar stora mängder syrevakanser. De kombinerade väte- och syremekanismerna ökar ytrekombinationen och ger en tydligare grund för att förbättra passiveringsskiktets tillförlitlighet.
Experimentell metod
Millennial Solar
(a) Schematisk struktur av TOPCon-solcellen; (b) symmetriskt frontstrukturprov; (c) symmetriskt bakstrukturprov.
Två symmetriska provstrukturer framställdes. Frontstrukturen var SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. Bakre strukturen inkluderade SiOₓ/n⁺-poly-Si-skikt. UV-åldring utfördes på modulnivå med en ljuskälla dominerad av UV-A med cirka 11% UV-B. Testförhållandena var 60°C och 30% relativ luftfuktighet.
| Testobjekt | Tillstånd eller konfiguration |
|---|---|
| Främre symmetriskt prov | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Bakre symmetriskt prov | Struktur innehållande SiOₓ/n⁺-poly-Si-skikt |
| UV-källa | Huvudsakligen UV-A, med cirka 11% UV-B |
| Testtemperatur | 60°C |
| Relativ luftfuktighet | 30% |
| Maximal rapporterad UV-dos | 60 kWh·m⁻², identifierad som UV60 |
| Huvudsakliga analysmetoder | ToF-SIMS och djupprofil-XPS |
Spektral irradians av den ultravioletta ljuskällan.
UV-beständighet hos främre och bakre strukturer
Millennial Solar
Förändringar i de symmetriska främre och bakre strukturproverna under UV-exponering: (a) effektiv bärarlivslängd, τeff, vid en injicerad bärarkoncentration på 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) implicit öppen kretsspänning, iVoc; och (c) enkelsidig mättnadsströmstäthet, J₀.
Den symmetriska bakre strukturen uppvisade endast mindre nedbrytning efter 60 kWh·m⁻² UV-exponering. Dess 120 nm poly-Si-skikt absorberade nästan all infallande UV-strålning och gav effektivt skydd till det underliggande gränssnittet.
Den symmetriska främre strukturen degraderade mycket allvarligare:
Effektiv bärarlivslängd, τeff, sjönk från 2 895,6 μs till 1 552,8 μs.
Implicit öppen kretsspänning, iVoc, minskade från 735,5 mV till 715,2 mV.
Enkelsidig J₀ ökade till 18,4 fA·cm⁻², ungefär tre gånger dess initiala värde.
Al₂O₃/SiNₓ-passiveringsprestandan försämrades avsevärt.
Dessa resultat bekräftar att den främre SiNₓ/Al₂O₃-stacken är betydligt mer sårbar för ultraviolett exponering än den bakre SiOₓ/poly-Si-strukturen.
Utveckling av kemisk sammansättning
Millennial Solar
ToF-SIMS-djupprofiler av (a) väte- och (b) syreintensitet i polerade symmetriska frontstrukturprover före och efter UV60-exponering.
ToF-SIMS visade en tydlig ökning av vätekoncentrationen efter ultraviolett exponering, särskilt inuti SiNₓ-skiktet. Djupprofilanalys av N 1s XPS-signalen fann att andelen N–H-bindningar vid SiNₓ/Al₂O₃-gränssnittet minskade från 9,64% till 5,97%. Detta bekräftar att brytning av N–H-bindningar är en annan viktig vätekälla vid sidan av dissociation av Si–H-bindningar.
En del av det frigjorda vätet diffunderade mot SiNₓ-ytan och bands åter med kisel. Detta förklarar varför den lokala N–H-andelen nära ytan ökade istället för att fortsätta sjunka.
Syreutvecklingen var också kritisk. Syrekoncentrationen inuti Al₂O₃-skiktet minskade något, medan den ökade vid både SiNₓ/Al₂O₃- och Al₂O₃/Si-gränssnitten. Denna fördelning indikerar att syre som frigjorts genom brytning av Al–O-bindningar diffunderade ut från Al₂O₃-filmen.
Al–O-bindningsenergin i en ideal kristall är cirka 5,3 eV. Amorft Al₂O₃ är annorlunda. Underkoordinerade aluminiumjoner och negativt laddade syrevakanser kan sänka aktiveringsenergin för att bryta intilliggande Al–O-bindningar till cirka 2,4 eV. En 400 nm ultraviolett foton bär cirka 3,1 eV, vilket redan är tillräckligt för att utlösa denna process.
N 1s djupprofil-XPS-spektra vid olika Al₂O₃/SiNₓ-gränssnitt före och efter UV60-exponering, inklusive anpassade N–Si-bindningar vid 397,5 eV och N–H-bindningar vid 399,5 eV.
O 1s XPS-resultaten visade en omvandling från gittersyre, identifierat som OI, till syrevakansrelaterade komponenter, identifierade som OII. I Al 2p-spektra minskade Al₂O₃-andelen från 69,99% till 60,36%, medan Al–OH ökade från 30,01% till 39,64%.
Si 2p-spektra visade också en ökning av Si²⁺ och en minskning av högre kiseloxidationssteg. Elektroner som frigjordes under bildning av syrevakanser reducerade kisel från högre oxidationssteg. Dessa samordnade förändringar i syre-, aluminium- och kiselbindning indikerar omfattande skada på Al₂O₃-filmen snarare än en enda isolerad bindningsbrytningsreaktion.
Försämring av elektrisk prestanda
Millennial Solar
EQE- och reflektanskurvor för TOPCon-solcellen före och efter UV60-exponering.
Reflektansen förblev nästan oförändrad efter UV60-exponering. EQE visade en måttlig minskning i det kortvågiga området under 500 nm, vilket motsvarar starkare rekombination vid frontytan.
Förändring i frontkontaktresistivitet hos TOPCon-solcellen under UV60-exponering.
Frontkontaktresistiviteten ökade nästan linjärt med UV-dosen och nådde 4.1 mΩ·cm², cirka 8.6 gånger sitt ursprungliga värde. Den föreslagna mekanismen är kopplad till mobil väte och syre som genereras inuti passiveringsskikten. Dessa arter diffunderar mot elektrodgränsytan och deltar i oxidations-reduktionsreaktioner.
UV-strålning kan också omvandla vattenmolekyler på silverytan till hydroxylradikaler. Tillsammans främjar dessa reaktioner korrosion av metallelektroden och ökar kontaktresistansen.
Försämring av elektrisk prestanda hos TOPCon-solcellen under UV60-exponering: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; och (d) verkningsgrad.
De slutliga elektriska förlusterna var fördelade över flera parametrar:
Voc minskade med 3,46%, främst på grund av försämrad frontytpassivering och ökningen av J₀.
FF minskade med 2,82%, främst på grund av den kraftiga ökningen av frontkontaktresistivitet.
Jsc minskade med endast 0,64%, eftersom EQE-förlusten huvudsakligen var begränsad till det kortvågiga området.
Omvandlingseffektiviteten minskade med 6,72% efter UV60-exponering.
Frontstrukturen SiNₓ/Al₂O₃ hos TOPCon-solcellen har därför mycket lägre ultraviolett beständighet än bakstrukturen. Under UV-exponering bryts Si–H- och N–H-bindningar och frigör mobilt väte. Al–O-bindningar i amorft Al₂O₃ skadas också, vilket frigör syre och genererar en hög densitet av syrevakanser. Samtidigt skiftar Al₂O₃ mot Al–OH och kiseloxidationsfördelningen förändras.
De väte- och syrerelaterade nedbrytningsmekanismerna samverkar för att intensifiera ytrekombinationen. Den åtföljande ökningen av frontkontaktresistivitet tillför en separat elektrisk förlust, vilket leder till den uppmätta 6,72% verkningsgradsförsämring. Dessa resultat ger en användbar referens för att förstå TOPCon UVID och förbättra den långsiktiga tillförlitligheten hos frontside-passiveringsstackar.
Ooitechs syn
Huvudpoängen är att TOPCon UVID inte kan behandlas som ett enkelt Si–H-bindningsproblem. Passiveringskemi, syrevakanskontroll och metalliseringsstabilitet måste utvärderas tillsammans, särskilt vid kvalificering av modulproduktionsprocesser för lång utomhusdrift. Beröringsfri IV, EQE och PL-spårning kan hjälpa till att identifiera dessa förluster tidigare utan att tillföra mekanisk kontaktskada till allt ömtåligare celldesigner.
