Nemli Isı Altında TOPCon Hücreler: Arka Yüz Neden Önce Bozuluyor
İçindekiler
Giriş
TOPCon, yüksek verimli c-Si pazarının çoğunu ele geçirdi, ancak uzun vadeli saha güvenilirliği hala hareketli bir hedef. Nemli ısı çalışmalarında sürekli ortaya çıkan bir zayıf nokta var: arka pasivasyon yığını. Yakın tarihli bir çalışma (Tong ve ark., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188), sodyum tuzları hücre yüzeyine indiğinde ve 85°C/%85 RH altında kaldığında aslında neyin yanlış gittiğini belirledi. Kısa versiyon — arka SiNₓ katmanı zayıf noktadır ve ince bir ALD AlOₓ filmi çoğunu düzeltir.
Öne çıkan bulgular
Arka SiNₓ katmanı nemli ısı zayıf noktasıdır. Sodyum asetat (CH₃COONa), arka açık devre voltajını (Voc) %5,8 düşürdü ve seri direnci (Rₛ) %450 artırdı.
Sodyum tuzları yüzey oksidasyonunu ve nitrojen kaybını hızlandırır. XPS, arka Si/N atomik oranının 1,3'ten 23'e ve O/N oranının 1,6'dan 53'e sıçradığını gösterdi.
10nm ALD Al₂O₃ bariyeri büyük fark yarattı — CH₃COONa kirliliği altında PCE kaybı %16'dan sadece %0,4'e düştü.
Ön pasivasyon çok daha dayanıklıdır. AlOₓ/SiOᵧNᵣ çok katmanlı yapı sodyum difüzyonunu bloke eder, bu nedenle oradaki kirlilik yalnızca %0,87 PCE kaybına neden oldu.
İki kirletici farklı davranır: sodyum asetat metal kontağa saldırırken, sodyum klorür (NaCl) esas olarak pasivasyon katmanını oksitler.
Arka Plan
Temel soruyu sormak basit, cevaplamak daha zor: TOPCon hücreleri neden sodyum tuzları varken nemli ısı altında performans kaybeder ve neden arka pasivasyon daha kötü etkilenir (Kyranaki ve ark., 2022)?
Eksiklikler nerede
Önceki çalışmaların çoğu metal kontak korozyonuna odaklanmıştı (Iqbal ve diğ., 2023), ancak hiç kimse pasivasyon tabakasının kimyasal bozulmasını sistematik olarak incelememişti. Ön ve arka yığınlar farklı şekilde yapılandırılmıştır — ön tarafta AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, arka tarafta ise katkılı poli-Si üzerinde SiNₓ — ve korozyon dirençleri daha önce hiç doğrudan karşılaştırılmamıştı (Feldmann ve diğ., 2014). Bunun üzerine, iki yaygın kirleticinin (CH₃COONa ve NaCl) aynı şekilde davrandığı düşünülüyordu, ancak öyle değiller (Li ve diğ., 2021).
Bunu doğru anlamak gerçek para için önemlidir. PV santralleri 25 yıllık ömür vaadiyle satılır (Peters ve diğ., 2021) ve nem altında ortaya çıkan bir arka yüzey arıza modu, tam da bu vaadi zedeleyen türden bir şeydir.
Yaklaşım
İş akışı gerçek bir üretim akışına yakın tutuldu: endüstriyel TOPCon hücreler → ön veya arka yüzeye lokal sodyum tuzu püskürtme → hızlandırılmış nemli ısı (85°C/%85 RH) → elektriksel ve kimyasal karakterizasyon → ALD AlOₓ bariyerini test etme → koruma mekanizmasını çözme.
Buradaki yenilik
Teori tarafında, bu çalışma Voc düşüşünün ana itici gücü olarak arka SiNₓ tabakasındaki azot kaybına işaret eden ilk çalışmadır. Pratik tarafta, 10nm AlOₓ tabakası standart endüstriyel ALD ekipmanında çalışır ve mutlak verimlilikte yalnızca yaklaşık %0,01 maliyete sahiptir. Metodolojik olarak ekip, 20 saatin birkaç yıllık dış mekan yaşlanmasına eşdeğer olduğu bir hücre seviyesinde DH testi oluşturdu (Sen ve diğ., 2023).
Mantık zincirini takip etmek kolaydır: arka kontaminasyon keskin bir Voc düşüşüne neden olur, bu da doğrudan pasivasyon hatasına işaret eder. XPS daha sonra SiNₓ oksidasyon reaksiyonunu ve açtığı sodyum difüzyon yolunu doğrular. AlOₓ tabakasını ekleyin, sodyumu bloke edin ve PL görüntüleme kusurların bastırıldığını doğrular.
Yöntemler
Numune hazırlama
| Öğe | Detay |
|---|---|
| Hücre yapısı | n-tipi TOPCon. Ön: bor difüzyonlu emitör + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC. Arka: SiO₂/fosfor katkılı poli-Si + SiNₓ, ARC |
| Kirletici | 0,155 mol/L CH₃COONa veya NaCl çözeltisi, numune başına 0,3 g, lokal püskürtme |
| ALD bariyeri | 10nm AlOₓ, 150°C'de biriktirildi (Leadmicro QL200) |
| Nemli ısı | 85°C/%85 RH, 20 saat (ASLi çevre odası) |
Nasıl ölçüldü
I-V parametreleri (Pmax, Voc, FF, Jsc) LOANA sistemi (pv-tools) ile.
Etkin azınlık taşıyıcı ömrü (τ_eff) ile pasivasyon kalitesi.
XPS ve SEM-EDS ile yüzey kimyası.
Sonuçlar ve tartışma
Elektriksel bozulma
Arka tarafın hassas olduğu açıkça görülüyor. Arka tarafa uygulanan CH₃COONa, Voc'u %5,8 düşürdü, Rₛ'yi %450 artırdı (Tablo 1) ve PL yoğunluğunu %37,3 azalttı (Şekil 3a). Aynı işlem ön yüzde yalnızca %0,87 PCE kaybına neden oldu. Aynı tuz, hangi yüze temas ettiğine bağlı olarak çok farklı sonuç veriyor.
Pasivasyonun kimyasal bozulması
Arka yüzeydeki XPS, Si-O bağ oranının önemli ölçüde arttığını gösterdi (Şekil 5b), O/N atom oranı kontrolde 1,6 iken CH₃COONa grubunda 53'e çıktı. Mekanizma azot kaybıdır — nemli ısı SiNₓ'i hidrolize eder ve yüzey pasivasyonunu bozar.
AlOₓ bariyerinin yaptığı
10nm ALD AlOₓ yerindeyken, arka CH₃COONa kirliliği altında PCE kaybı %16'dan %0,4'e düştü ve Voc sabit kaldı (Şekil 6a). SEM-EDS, AlOₓ örneklerinde sodyum içeriğinin %86 azaldığını gösterdi (Şekil 6c) ve PL herhangi bir kusur aktivasyonu göstermedi (Şekil 6b). Bariyer tam olarak isteneni yapıyor — sodyumu dışarıda tutuyor.
Sonuç
Ana çıkarımlar
Arka SiNₓ tabakası, nemli ısı ve sodyum tuzu altında hidrolize olur ve oksitlenir, bu da Voc'u düşürür ve Rₛ'yi artırır (XPS/EDS ile desteklenmiştir, Şekil 4-5). 10nm AlOₓ tabakası sodyum difüzyonunu bloke eder ve DH85 PCE kaybını %1'in altında tutar (Şekil 6a). Ön AlOₓ/SiOᵧNᵣ çok katmanlı yapısı ise doğası gereği korozyona dayanıklıdır, bu nedenle oradaki kirlilik neredeyse hiç fark edilmez.
Neden faydalı
AlOₓ bariyeri, Leadmicro QL200 gibi araçlarla doğrudan TOPCon seri üretimine dahil edilebilir. Daha ileriye bakıldığında, çift cam modül kapsüllemesinde AlOₓ'in SiNₓ ile eşleştirilmesi, nemli bölgelerde tesis ömrünü uzatabilir.
Biraz arka plan
TOPCon yapısı: bir tünel oksit (SiO₂) ve katkılı poli-Si pasifleştirici kontak, metalde rekombinasyonu azaltır (Feldmann ve ark., 2014).
ALD: katman katman nano-film büyütme, homojen nanometre ölçekli AlOₓ kaplaması sağlar.
DH testi: Nemli iklimlerde modül bozulmasını taklit etmek için 85°C/%85 bağıl nem hızlandırılmış yaşlandırma.
SiNₓ pasivasyonu: hidrojenlenmiş silisyum nitrür, yansıma önleyici ve yüzey pasivasyonu için iyidir, ancak sarkık bağlar taşır ve kolayca hidrolize olur.
Referanslar
Tong H. ve ark., ALD AlOₓ bariyeri ile TOPCon güneş hücrelerinde kirletici kaynaklı bozulmanın azaltılması, 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.
Ooitech'in Görüşü
Burada dikkat çeken, güvenilirlik hikayesinin büyük kısmının hücre tasarımı başlığında değil, arka pasivasyon katmanında yatıyor olmasıdır. Gerçek bir üretim hattında, ekstra 10nm ALD AlOₓ adımı, nemli iklim projeleri için ucuz bir sigortadır ve standart modül üretimine fazla sorun çıkarmadan entegre olur. Biz anahtar teslim modül hatlarını baştan sona kuruyoruz, bu nedenle bu tür bulguları yakından takip ediyoruz — yukarı akıştaki küçük süreç ayarlamaları genellikle bir santralin 25 yıl dayanıp dayanmayacağını belirler. Fabrika katından daha fazlasını istiyorsanız, Ooitech YouTube kanalı (www.youtube.com/ooitech) takip etmeye değer.
