TOPCon Hücre UVID Çalışması: Temassız IV Testi, Pasivasyon Bozulmasını ve %6,72 Verimlilik Kaybını İzliyor
İçindekiler
TOPCon Hücre UVID ve Temassız IV Testi
TOPCon güneş hücreleri, güçlü yüzey pasivasyonu ve taşıyıcı seçici kontakları sayesinde fotovoltaik pazarda lider konuma gelmiştir. Ancak dış mekan çalışması, onları ultraviyole kaynaklı bozulmaya (UVID) maruz bırakır. Bu çalışmada, dönüşüm verimliliği UV60 maruziyetinden sonra %6,72 düştü.
Önceki çalışmalar genellikle UVID'yi esas olarak yüksek enerjili fotonların Si-H bağlarını kırması ve mobil hidrojen salmasıyla ilişkilendirmiştir. Güneş ultraviyole spektrumu çok daha geniş bir foton enerji aralığını kapsar: 3,1–4,43 eV, bu nedenle ön yüzey malzemeleriyle etkileşimi yalnızca Si-H bağ kırılmasıyla açıklanamaz. Ön Al₂O₃/SiNₓ yığını da arka taraf yapısına göre çok daha zayıf UV direnci gösterir.
Millennial Solar temassız IV test cihazı, sarf malzemesi gerektirmeyen ve milisaniye düzeyinde ölçüm hızına sahip tahribatsız test sağlar. Arka kontaklı ve busbarsız hücre tasarımlarıyla uyumludur ve bir test dizisinde çok boyutlu IV, EQE ve PL parametreleri elde edebilir.
Bu çalışma, UV60 maruziyetinden önce ve sonra Al₂O₃/SiNₓ katmanlarındaki element dağılımını ve kimyasal bağ değişikliklerini izlemek için uçuş süresi ikincil iyon kütle spektrometrisi (ToF-SIMS) ve derinlik profili X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) kullanmıştır. Sonuçlar, N-H bağ kırılmasının Si-H bağ kırılmasına ek olarak ikinci bir hidrojen kaynağı olarak işlev gördüğünü göstermektedir. UV maruziyeti ayrıca amorf Al₂O₃'deki Al-O bağlarına zarar vererek çok sayıda oksijen boşluğu oluşturur. Birleşik hidrojen ve oksijen mekanizmaları yüzey rekombinasyonunu artırır ve pasivasyon katmanı güvenilirliğini iyileştirmek için daha net bir temel sağlar.
Deneysel Yöntem
Millennial Solar
(a) TOPCon güneş hücresinin şematik yapısı; (b) simetrik ön yapı örneği; (c) simetrik arka yapı örneği.
İki simetrik örnek yapısı hazırlandı. Ön yapı SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. Arka yapı SiOₓ/n⁺-poly-Si katmanlarını içeriyordu. UV yaşlandırması, yaklaşık %11 UV-B içeren UV-A ağırlıklı bir ışık kaynağı kullanılarak modül seviyesinde gerçekleştirildi. Test koşulları 60°C ve %30 bağıl nem idi.
| Test öğesi | Koşul veya konfigürasyon |
|---|---|
| Ön simetrik numune | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Arka simetrik numune | SiOₓ/n⁺-poly-Si katmanlarını içeren yapı |
| UV kaynağı | Ağırlıklı olarak UV-A, yaklaşık %11 UV-B |
| Test sıcaklığı | 60°C |
| Bağıl nem | 30% |
| Rapor edilen maksimum UV dozu | 60 kWh·m⁻², UV60 olarak tanımlanmıştır |
| Ana analiz yöntemleri | ToF-SIMS ve derinlik profili XPS |
Ultraviyole ışık kaynağının spektral ışınımı.
Ön ve Arka Yapıların UV Direnci
Millennial Solar
UV maruziyeti sırasında simetrik ön ve arka yapı numunelerindeki değişiklikler: (a) 1 × 10¹⁵ cm⁻³ enjeksiyon taşıyıcı konsantrasyonunda etkin taşıyıcı ömrü, τeff; (b) belirtilen açık devre voltajı, iVoc; ve (c) tek taraflı doyma akım yoğunluğu, J₀.
Simetrik arka yapı, 60 kWh·m⁻² UV maruziyetinden sonra yalnızca küçük bir bozulma gösterdi. 120 nm'lik poly-Si katmanı, gelen UV radyasyonunun neredeyse tamamını emdi ve alttaki arayüze etkili bir koruma sağladı.
Simetrik ön yapı çok daha şiddetli bozuldu:
Etkin taşıyıcı ömrü, τeff, 2.895,6 μs'den 1.552,8 μs'ye düştü.
Belirtilen açık devre voltajı, iVoc, 735,5 mV'den 715,2 mV'ye düştü.
Tek taraflı J₀, 18,4 fA·cm⁻²'ye yükseldi, bu başlangıç değerinin yaklaşık üç katıdır.
Al₂O₃/SiNₓ pasivasyon performansı önemli ölçüde bozuldu.
Bu sonuçlar, ön SiNₓ/Al₂O₃ istifinin, arka SiOₓ/poly-Si yapısına kıyasla ultraviyole maruziyetine karşı önemli ölçüde daha savunmasız olduğunu doğrulamaktadır.
Kimyasal Bileşimin Evrimi
Millennial Solar
Parlatılmış simetrik ön yapı numunelerinde UV60 maruziyetinden önce ve sonra (a) hidrojen ve (b) oksijen yoğunluğunun ToF-SIMS derinlik profilleri.
ToF-SIMS, ultraviyole maruziyetinden sonra, özellikle SiNₓ tabakası içinde, hidrojen konsantrasyonunda belirgin bir artış gösterdi. N 1s XPS sinyalinin derinlik profili analizi, SiNₓ/Al₂O₃ arayüzündeki N–H bağlarının oranının %9,64'ten %5,97'yedüştüğünü buldu. Bu, N–H bağ kırılmasının Si–H bağ ayrışmasının yanında bir diğer önemli hidrojen kaynağı olduğunu doğrulamaktadır.
Salınan hidrojenin bir kısmı SiNₓ yüzeyine doğru yayıldı ve tekrar silikonla bağlandı. Bu, yüzeye yakın yerel N–H oranının düşmeye devam etmek yerine neden arttığını açıklamaktadır.
Oksijen evrimi de kritikti. Al₂O₃ tabakası içindeki oksijen konsantrasyonu hafifçe azalırken, hem SiNₓ/Al₂O₃ hem de Al₂O₃/Si arayüzlerinde arttı. Bu dağılım, Al–O bağ kırılmasıyla salınan oksijenin Al₂O₃ filminden dışarıya doğru yayıldığını göstermektedir.
İdeal bir kristalde Al–O bağ enerjisi yaklaşık 5,3 eV'dir. Amorf Al₂O₃ farklıdır. Düşük koordinasyonlu alüminyum iyonları ve negatif yüklü oksijen boşlukları, bitişik Al–O bağlarını kırmak için aktivasyon enerjisini yaklaşık 2,4 eV'a düşürebilir. 400 nm'lik bir ultraviyole fotonu yaklaşık 3,1 eVtaşır, bu da bu süreci tetiklemek için zaten yeterlidir.
UV60 maruziyetinden önce ve sonra farklı Al₂O₃/SiNₓ arayüzlerinde N 1s derinlik profili XPS spektrumları, 397,5 eV'de N–Si bağları ve 399,5 eV'de N–H bağları dahil.
O 1s XPS sonuçları, OI olarak tanımlanan kafes oksijenden OII olarak tanımlanan oksijen boşluğu ile ilgili bileşenlere dönüşüm gösterdi. Al 2p spektrumlarında, Al₂O₃ oranı %69,99'dan %60,36'yadüşerken, Al–OH %30,01'den %39,64'e.
arttı. Si 2p spektrumları ayrıca Si²⁺'de bir artış ve daha yüksek silikon oksidasyon durumlarında bir azalma gösterdi. Oksijen boşluğu oluşumu sırasında salınan elektronlar, silikonu daha yüksek oksidasyon durumlarından indirgedi. Oksijen, alüminyum ve silikon bağlanmasındaki bu koordineli değişiklikler, tek bir izole bağ kırma reaksiyonundan ziyade Al₂O₃ filminde geniş çaplı hasar olduğunu göstermektedir.
Elektriksel Performans Bozulması
Millennial Solar
TOPCon güneş hücresinin UV60 maruziyeti öncesi ve sonrası EQE ve yansıtma eğrileri.
Yansıtma, UV60 maruziyetinden sonra neredeyse değişmedi. EQE, 500 nm'nin altındaki kısa dalga boyu bölgesinde, ön yüzeyde daha güçlü rekombinasyona karşılık gelen orta düzeyde bir düşüş gösterdi.
TOPCon güneş hücresinin UV60 maruziyeti sırasında ön kontak özdirencindeki değişim.
Ön kontak özdirenci, UV dozuyla neredeyse doğrusal olarak artarak 4.1 mΩ·cm²değerine ulaştı, bu da başlangıç değerinin yaklaşık 8.6 katı oldu. Önerilen mekanizma, pasivasyon katmanları içinde üretilen mobil hidrojen ve oksijenle ilişkilidir. Bu türler elektrot arayüzüne doğru yayılır ve oksidasyon-indirgenme reaksiyonlarına katılır.
UV radyasyonu ayrıca gümüş yüzeyindeki su moleküllerini hidroksil radikallerine dönüştürebilir. Birlikte, bu reaksiyonlar metal elektrotun korozyonunu teşvik eder ve kontak direncini artırır.
TOPCon güneş hücresinin UV60 maruziyeti sırasında elektriksel performans bozulması: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; ve (d) verimlilik.
Nihai elektriksel kayıplar birkaç parametreye dağılmıştır:
Voc %3.46 azaldı, esas olarak ön yüzey pasivasyon bozulması ve J₀ artışı nedeniyle.
FF %2.82 azaldı, esas olarak ön kontak özdirencindeki keskin artış nedeniyle.
Jsc sadece %0.64 azaldı, çünkü EQE kaybı esas olarak kısa dalga boyu bölgesiyle sınırlıydı.
Dönüşüm verimliliği %6.72 azaldı UV60 maruziyetinden sonra.
Bu nedenle TOPCon güneş hücresinin ön SiNₓ/Al₂O₃ yapısı, arka yapıya göre çok daha düşük ultraviyole direncine sahiptir. UV maruziyeti altında Si–H ve N–H bağları kırılır ve mobil hidrojen salınır. Amorf Al₂O₃'deki Al–O bağları da hasar görerek oksijen salar ve yüksek yoğunlukta oksijen boşlukları oluşturur. Aynı zamanda Al₂O₃, Al–OH'ye doğru kayar ve silikon oksidasyon durumu dağılımı değişir.
Hidrojen ve oksijenle ilgili bozulma mekanizmaları birlikte çalışarak yüzey rekombinasyonunu yoğunlaştırır. Buna eşlik eden ön kontak özdirencindeki artış, ayrı bir elektriksel kayıp ekleyerek ölçülen %6.72 verimlilik bozulmasına. Bu bulgular, TOPCon UVID'yi anlamak ve ön yüz pasivasyon katmanlarının uzun vadeli güvenilirliğini artırmak için faydalı bir referans sunmaktadır.
Ooitech'in Görüşü
Kilit nokta, TOPCon UVID'nin basit bir Si–H bağı sorunu olarak ele alınamayacağıdır. Pasivasyon kimyası, oksijen-boşluk kontrolü ve metalizasyon kararlılığı birlikte değerlendirilmelidir, özellikle modül üretim süreçlerinin uzun dış mekan kullanımı için kalifikasyonu yapılırken. Temassız IV, EQE ve PL takibi, giderek daha hassas hücre tasarımlarına mekanik temas hasarı eklemeden bu kayıpların daha erken tespit edilmesine yardımcı olabilir.
