TOPCon Hücreler Nemli Sıcakta: 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 gerçekte neyin yanlış gittiğini belirledi. Kısa versiyon — arka SiNₓ katmanı zayıf noktadır ve ince bir ALD AlOₓ filmi çoğunu düzeltir.
Öne çıkan temel bulgular
Arka SiNₓ katmanı nemli ısının 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 atom oranının 1,3'ten 23'e ve O/N oranının 1,6'dan 53'e sıçradığını gösterdi.
10nm ALD Al₂O₃ bariyeri büyük bir 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 soru basitçe ifade edilir, ancak cevaplaması daha zordur: TOPCon hücreleri neden sodyum tuzları varken nemli ısı altında performans kaybeder ve neden arka pasivasyon daha kötü etkilenir (Kyranaki ve ark., 2022)?
Bozukluklar nerede
Önceki çalışmaların çoğu metal kontak korozyonuna odaklanmıştı (Iqbal ve ark., 2023), ancak hiç kimse pasivasyon katmanının kendisinin kimyasal bozulmasını sistematik olarak incelememişti. Ön ve arka yığınlar farklı şekilde inşa edilmiştir — ön AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, arka ise katkılı poli-Si üzerinde SiNₓ'dir — ve korozyon dirençleri daha önce hiç doğrudan karşılaştırılmamıştı (Feldmann ve ark., 2014). Bunun üzerine, iki yaygın kirleticinin (CH₃COONa ve NaCl) aynı şekilde davrandığı düşünülüyordu, ancak öyle değiller (Li ve ark., 2021).
Bunu doğru yapmak gerçek para için önemlidir. PV santralleri 25 yıllık ömür vaadiyle satılır (Peters ve ark., 2021) ve nem altında ortaya çıkan arka yüzey arıza modu, tam da bu vaadi aşındıran türden bir şeydir.
Yaklaşım
İş akışı, gerçek bir üretim akışına yakın tutuldu: endüstriyel TOPCon hücreler → ön veya arka yüzeye lokal sodyum tuzu püskürtme → hızlandırılmış damp heat (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 katmanındaki nitrojen kaybına işaret eden ilk çalışmadır. Pratik tarafta, 10nm AlOₓ katmanı 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 ark., 2023).
Mantık zincirini takip etmek kolay: arka yüzey kirliliği 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 katmanını 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 sprey |
| ALD bariyeri | 10nm AlOₓ, 150°C'de biriktirildi (Leadmicro QL200) |
| Damp heat | 85°C/%85 RH, 20 saat (ASLi çevre odası) |
Nasıl ölçüldü
I-V parametreleri (Pmax, Voc, FF, Jsc) LOANA sistemi (pv-tools) ile.
Etkili azınlık taşıyıcı ömrü (τ_eff) ile pasivasyon kalitesi.
XPS ve SEM-EDS ile yüzey kimyası.
Sonuçlar ve tartışma
Elektriksel bozulma
Arka taraf açıkça hassas olan taraftır. Arkadaki CH₃COONa, Voc'u %5,8 düşürdü, Rₛ'yi %450 artırdı (Tablo 1) ve PL yoğunluğunu %37,3 azalttı (Şekil 3a). Ön yüze aynı işlem uygulandığında PCE kaybı sadece %0,87 oldu. Aynı tuz, hangi yüze temas ettiğine bağlı olarak çok farklı sonuç veriyor.
Pasivasyonun kimyasal analizi
Arka yüzeydeki XPS, Si-O bağ oranının fırladığını gösterdi (Şekil 5b), O/N atom oranı kontrolde 1,6 iken CH₃COONa grubunda 53'e çıktı. Mekanizma nitrojen 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, kusur aktivasyonu olmadığını gösterdi (Şekil 6b). Bariyer tam olarak istediğinizi 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 engeller 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 etki göstermez.
Neden faydalı
AlOₓ bariyeri, Leadmicro QL200 gibi araçlarla doğrudan TOPCon seri üretimine entegre 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 metalde rekombinasyonu azaltan katkılı poli-Si pasifleştirici kontak (Feldmann ve ark., 2014).
ALD: katman katman nano-film büyütme, homojen nanometre ölçekli AlOₓ kaplaması sağlar.
DH testi: Nemli iklimlerde modül bozulmasını simüle 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. ve ark., Yüksek verimli n-tipi Si güneş hücreleri için pasifleştirilmiş arka kontaklar, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.
Li X. ve diğerleri, TOPCon hücrelerinin NaCl kullanılarak hızlandırılmış nem-ısı testi, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.
Peters I.M. ve diğerleri, Fotovoltaikte stabilite değeri, Joule 5 (2021) 3137–3153.
Ooitech'in Görüşü
Burada dikkat çeken, güvenilirlik hikayesinin ne kadarının hücre tasarımı başlığında değil, arka pasivasyon katmanında yattığıdır. Gerçek bir üretim hattında, ekstra 10nm ALD AlOₓ adımı, nemli iklim projeleri için ucuz bir sigortadır ve standart modül üretimine fazla zorluk çıkarmadan entegre olur. Anahtar teslim modül hatlarını baştan sona kuruyoruz, bu nedenle bu tür bulguları yakından takip ediyoruz — yukarı akıştaki küçük proses ayarlamaları genellikle bir santralin 25 yıl dayanıp dayanmayacağını belirler. Fabrika katından daha fazlasını istiyorsanız, Ooitech YouTube kanalı (www.youtube.com/ooitech) takip etmeye değer.
