TOPCon-celler under fuktig värme: Varför
Innehållsförteckning
Snabbt svar: TOPCon har tagit större delen av marknaden för högeffektiv kristallin kisel, och den öppna frågan är inte längre verkningsgrad utan hur cellen beter sig efter år i fält under fuktig värme. Det standardiserade accelererade testet körs vid 85 °C och 85 % relativ luftfuktighet — DH85 — vilket är utformat för att driva in fukt i inkapslingsmaterialet och cellstacken snabbare än fältförhållanden skulle göra. Den skiktade strukturen spelar roll här: en tunneloxid på omkring 10 nm under ett dopat polysilikonlager är tillräckligt tunn för att gränssnittskemi, inte bulkmaterial, avgör tillförlitligheten. Lamineringstemperaturer nära 150 °C och inkapslingsmaterialets egen fuktpermeabilitet bidrar båda till samma felväg. Karakteriseringsverktyg i QL200-klassen används för att följa vad fukt-värme-exponeringen gör med passiveringen snarare än bara huruvida effekten sjönk.
PV-modultillverkning · av Jerry, Ooitech
Introduktion
TOPCon har tagit över större delen av marknaden för högeffektiv c-Si, men den långsiktiga fältpålitligheten är fortfarande ett rörligt mål. En svag punkt dyker ständigt upp i fukt-värme-studier: bakre passiveringsstacken. En färsk studie (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) fastställde vad som faktiskt går fel när natriumsalter hamnar på cellsytan och ligger under 85°C/85% RH. Kortversionen — det bakre SiNₓ-skiktet är den svaga punkten, och en tunn ALD AlOₓ-film åtgärdar det mesta.
Viktiga resultat i korthet
Det bakre SiNₓ-skiktet är den svaga punkten vid fuktig värme. Natriumacetat (CH₃COONa) minskade den bakre öppna kretsspänningen (Voc) med 5,8% och ökade serieresistansen (Rₛ) med 450%.
Natriumsalter påskyndar ytoxidation och kväveförlust. XPS visade att det bakre Si/N-atomförhållandet hoppade från 1,3 till 23, och O/N från 1,6 till 53.
En 10nm ALD Al₂O₃-barriär gjorde stor skillnad — PCE-förlusten under CH₃COONa-kontaminering sjönk från 16% till bara 0,4%.
Frontpassiveringen är mycket tåligare. AlOₓ/SiOᵧNᵣ-multilagret blockerar natriumdiffusion, så kontaminering där kostade bara 0,87% PCE.
De två föroreningarna beter sig olika: natriumacetat angriper metallkontakten, medan natriumklorid (NaCl) främst oxiderar passiveringsskiktet.
Bakgrund
Kärnfrågan är enkel att ställa, svårare att besvara: varför tappar TOPCon-celler prestanda under fuktig värme när natriumsalter finns närvarande, och varför drabbas den bakre passiveringen värre (Kyranaki et al., 2022)?
Var luckorna finns
Tidigare forskning fokuserade mest på korrosion av metallkontakter (Iqbal et al., 2023), men ingen hade systematiskt undersökt den kemiska nedbrytningen av själva passiveringsskiktet. Front- och bakstackarna är byggda olika — fronten är AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, baksidan är SiNₓ över dopad poly-Si — och deras korrosionsbeständighet hade aldrig direkt jämförts (Feldmann et al., 2014). Dessutom antogs de två vanliga föroreningarna (CH₃COONa vs. NaCl) bete sig likadant, men det gör de inte (Li et al., 2021).
Att få detta rätt är viktigt för riktiga pengar. PV-anläggningar säljs på ett 25-årigt livslängdslöfte (Peters et al., 2021), och en felfunktion på baksidan som visar sig under fuktighet är precis den typ av sak som äter på det.
Tillvägagångssätt
Arbetsflödet hölls nära en verklig produktionsprocess: industriella TOPCon-celler → lokal spray av natriumsalt på fram- eller baksidan → accelererad fuktig värme (85°C/85% RH) → elektrisk och kemisk karakterisering → testa en ALD AlOₓ-barriär → ta reda på skyddsmekanismen.
Vad är nytt här
På teorisidan är detta den första studien som pekar på kväveförlust i det bakre SiNₓ-skiktet som huvuddrivkraften för Voc-fallet. På den praktiska sidan körs det 10 nm tjocka AlOₓ-skiktet på standard industriell ALD-utrustning och kostar bara cirka 0,01% i absolut verkningsgrad. Och metodologiskt byggde teamet ett cellnivå-DH-test där 20 timmar motsvarar flera års utomhusåldring (Sen et al., 2023).
Logikkedjan är lätt att följa: bakre kontaminering orsakar ett kraftigt Voc-fall, vilket pekar direkt på passiveringsfel. XPS bekräftar sedan SiNₓ-oxidationsreaktionen och natriumdiffusionsvägen den öppnar. Lägg till AlOₓ-skiktet, blockera natriumet, och PL-avbildning bekräftar att defekterna är undertryckta.
Metoder
Provförberedelse
| Artikel | Detalj |
|---|---|
| Cellstruktur | n-typ TOPCon. Fram: bor-diffunderad emitter + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC. Bak: SiO₂/fosfor-dopad poly-Si + SiNₓ, ARC |
| Kontaminant | 0,155 mol/L CH₃COONa- eller NaCl-lösning, 0,3 g per prov, lokal spray |
| ALD-barriär | 10 nm AlOₓ, deponerat vid 150°C (Leadmicro QL200) |
| Fuktig värme | 85°C/85% RH, 20 timmar (ASLi klimatkammare) |
Hur det mättes
I-V-parametrar (Pmax, Voc, FF, Jsc) via LOANA-systemet (pv-tools).
Passiveringskvalitet genom effektiv minoritetsbärarlivslängd (τ_eff).
Ytkemi genom XPS och SEM-EDS.
Resultat och diskussion
Elektrisk nedbrytning
Baksidan är tydligt den känsliga sidan. CH₃COONa på baksidan minskade Voc med 5,8 %, ökade Rₛ med 450 % (Tabell 1) och minskade PL-intensiteten med 37,3 % (Fig. 3a). Samma behandling på framsidan kostade endast 0,87 % PCE. Samma salt, mycket olika resultat beroende på vilken sida det träffar.
Kemisk nedbrytning av passiveringen
XPS på baksidan visade att Si-O-bindningsfraktionen sköt i höjden (Fig. 5b), med O/N-atomförhållandet som gick från 1,6 i kontrollen till 53 i CH₃COONa-gruppen. Mekanismen är kväveförlust — fuktig värme hydrolyserar SiNₓ och förstör ytpassiveringen.
Vad AlOₓ-barriären gör
Med 10 nm ALD AlOₓ på plats minskade PCE-förlusten under bakre CH₃COONa-kontaminering från 16 % till 0,4 %, och Voc höll sig kvar (Fig. 6a). SEM-EDS visade natriumhalt ner 86 % i AlOₓ-proverna (Fig. 6c), och PL visade ingen defektaktivering (Fig. 6b). Barriären gör precis vad du vill — håller natriumet borta.
Slutsats
Viktiga slutsatser
Det bakre SiNₓ-skiktet hydrolyserar och oxiderar under fuktig värme plus natriumsalt, vilket driver ner Voc och upp Rₛ (stöds av XPS/EDS, Fig. 4-5). Ett 10 nm AlOₓ-skikt blockerar natriumdiffusionen och håller DH85 PCE-förlusten under 1 % (Fig. 6a). Och det främre AlOₓ/SiOᵧNᵣ-multilagret är i sig korrosionsbeständigt, så kontaminering där knappt märks.
Varför det är användbart
AlOₓ-barriären kan gå direkt in i TOPCon-massproduktion på verktyg som Leadmicro QL200. Ser man längre fram, kan kombinationen av AlOₓ med SiNₓ i dubbelglasmodulinkapsling förlänga anläggningars livslängd i fuktiga regioner.
Lite bakgrund
TOPCon-struktur: ett tunneloxid (SiO₂) plus dopad poly-Si-passiverande kontakt, som minskar rekombination vid metallen (Feldmann et al., 2014).
ALD: skikt-för-skikt nano-filmstillväxt, vilket ger enhetlig nanometer-skala AlOₓ-täckning.
DH-testning: 85°C/85 % RH accelererad åldring för att efterlikna modulnedbrytning i fuktiga klimat.
SiNₓ-passivering: vätehaltig kiselkväve, bra för antireflex och ytpassivering, men den bär på hängande bindningar och hydrolyserar lätt.
Referenser
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.
Ooitechs syn
Det som sticker ut här är hur mycket av tillförlitlighetshistorien ligger i den bakre passiveringsstacken, inte i celldesignens rubrik. På en riktig produktionslinje är ett extra 10nm ALD AlOₓ-steg billig försäkring för projekt i fuktiga klimat, och det passar in i standardmodulproduktion utan större besvär. Vi bygger nyckelfärdiga modullinjer från början till slut, så vi följer sådana här resultat noga — små processtweaks uppströms avgör ofta om en anläggning håller i 25 år. Om du vill ha mer från fabriksgolvet, Ooitech YouTube-kanal (www.youtube.com/ooitech) värd att följa.
