TOPCon-cell UVID-studie: Icke-kontakt IV-testning spårar passiveringsnedbrytning och 6,72% verkningsgradsförlust
Innehållsförteckning
TOPCon-cell-UVID och icke-kontakt IV-testning
TOPCon-solceller har fått en ledande position på fotovoltaikmarknaden tack vare deras starka ytpassivering och selektiva kontakter för laddningsbärare. 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 icke-kontakt IV-testare ger icke-förstörande testning utan förbrukningsmaterial och millisekundsnabb mätning. Den är kompatibel med bakkontakt- och busbar-lösa celldesigner och kan erhålla flerdimensionella IV-, EQE- och PL-parametrar i en enda 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 | Villkor eller konfiguration |
|---|---|
| Front symmetriskt prov | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Bak 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-resistens hos front- och bakstrukturer
Millennial Solar
Förändringar i de symmetriska front- och bakstrukturproverna under UV-exponering: (a) effektiv bärarlivslängd, τeff, vid en injicerad bärarkoncentration av 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) implicit öppen kretsspänning, iVoc; och (c) enkelsidig mättnadsströmdensitet, J₀.
Den symmetriska bakstrukturen visade endast mindre degradering efter 60 kWh·m⁻² av UV-exponering. Dess 120 nm poly-Si-skikt absorberade nästan allt infallande UV-strålning och gav effektivt skydd till det underliggande gränssnittet.
Den symmetriska frontstrukturen 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 frontstacken SiNₓ/Al₂O₃ 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 N–H-bindningsbrott är en annan viktig vätekälla vid sidan av Si–H-bindningsdissociation.
En del av det frigjorda vätet diffunderade mot SiNₓ-ytan och band igen med kisel. Detta förklarar varför den lokala N–H-andelen nära ytan ökade snarare än fortsatte att 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 Al–O-bindningsbrott diffunderade utåt från Al₂O₃-filmen.
Al–O-bindningsenergin i en ideal kristall är ungefär 5,3 eV. Amorft Al₂O₃ är annorlunda. Underkoordinerade aluminiumjoner och negativt laddade syrevakanser kan sänka aktiveringsenergin för att bryta angränsande Al–O-bindningar till omkring 2,4 eV. En 400 nm ultraviolett foton bär ungefär 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 gitter-syre, identifierat som OI, mot 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 syrevakansbildning reducerade kisel från högre oxidationstillstånd. Dessa samordnade förändringar i syre-, aluminium- och kiselbindningar 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 initialvärde. Den föreslagna mekanismen är kopplad till mobil väte och syre som genereras inuti passiveringsskikten. Dessa arter diffunderar mot elektrodgränssnittet 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.
Elektrisk prestandaförsämring av 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 i frontkontaktresistivitet.
Jsc minskade med endast 0,64%, eftersom EQE-förlusten var begränsad främst till det kortvågiga området.
Konverteringsverkningsgraden minskade med 6,72% efter UV60-exponering.
Frontstrukturen SiNₓ/Al₂O₃ hos TOPCon-solcellen har därför mycket lägre ultraviolett beständighet än bakstrukturen. Vid 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 kiselns oxidationstillståndsfördelning förändras.
De väte- och syre-relaterade nedbrytningsmekanismerna verkar tillsammans för att intensifiera ytrekombinationen. Den åtföljande ökningen i 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 frontsidans passiveringsstaplar.
Ooitechs syn
Nyckelpunkten 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. Icke-kontakt IV, EQE och PL-spårning kan hjälpa till att identifiera dessa förluster tidigare utan att tillföra mekanisk kontaktskada på allt ömtåligare celldesigner.
