TOPCon Güneş Hücrelerinde UVID: Temassız IV Testi Pasivasyon Bozulmasını ve %6,72 Verim Kaybını İzliyor

Giriş

TOPCon güneş hücreleri, güçlü yüzey pasivasyonu ve taşıyıcı seçici kontaklar sayesinde artık PV pazarına hakim durumda. Ancak dış mekan çalışması gerçek bir zayıf noktayı ortaya çıkarıyor: UV kaynaklı bozulma veya UVID. UV60 ışınlamasından sonra verim %6,72'ye kadar düşüyor.

Önceki çalışmaların çoğu UVID'yi, yüksek enerjili fotonların Si–H bağlarını kırması ve serbest hidrojen salmasına bağlıyordu. Bu hikayenin sadece bir kısmı. Güneş UV spektrumu 3,1–4,43 eV gibi geniş bir enerji aralığını kapsar, bu nedenle ön yüzey katmanlarıyla etkileşimi tek bir Si–H kırılma yolunun çok ötesine geçer. Ve ön Al₂O₃ / SiNₓ istifi, UV'ye karşı arka taraftan çok daha zayıftır.

Temas gerektirmeyen bir IV test cihazı burada çok yardımcı olur. Tahribatsızdır, sıfır sarf malzeme kullanır, milisaniye hızında çalışır, BC ve busbar'sız tasarımlarla uyumludur ve tek seferde IV, EQE ve PL parametrelerini çeker.

Bu çalışma, UV60 öncesi ve sonrası Al₂O₃ / SiNₓ katmanlarındaki element dağılımını ve kimyasal bağ değişimlerini izlemek için ToF-SIMS ve derinlik profili XPS kullanır. Bulgu: N–H bağ kırılması, Si–H'nin yanında ikinci bir hidrojen kaynağıdır. Amorf Al₂O₃'deki Al–O bağları UV tarafından kırılır ve çok sayıda oksijen boşluğu oluşturur. Hidrojen ve oksijen mekanizmaları birikir ve yüzey rekombinasyonunu kötüleştirir, pasivasyon güvenilirliğini iyileştirmek için net bir yön verir.

Deneysel Yöntem

(a) TOPCon güneş hücresi yapı şeması (b) simetrik ön yapı örneği (c) simetrik arka yapı örneği

Simetrik ön yapı örnekleri (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) ve simetrik arka yapı örnekleri (SiOₓ/n⁺-poli-Si katmanlı) hazırlandı. UV yaşlandırma modül seviyesinde gerçekleştirildi. Işık kaynağı ağırlıklı olarak UV-A olup yaklaşık %11 UV-B içeriyordu, 60°C ve %30 nem altında.

UV ışık kaynağının spektral ışınımı

Ön vs Arka Yapı: UV Direnci Karşılaştırması

UV maruziyeti sırasında simetrik ön ve arka yapı örnekleri için (a) 1×10¹⁵ cm⁻³ enjeksiyon taşıyıcı konsantrasyonunda τeff, (b) iVoc ve (c) tek taraflı J₀ değişimleri

Simetrik arka yapı, 60 kWh·m⁻² UV maruziyetinden sonra zar zor bozuldu. 120 nm kalınlığındaki poli-Si tabakası UV ışığının neredeyse tamamını emer ve etkili bir koruma sağlar.

Ön yapı farklı bir hikaye anlattı. τeff 2895.6 μs'den 1552.8 μs'ye düştü. iVoc 735.5 mV'den 715.2 mV'ye geriledi. Tek taraflı J₀, başlangıç değerinin yaklaşık üç katı olan 18.4 fA·cm⁻²'ye fırladı. Al₂O₃ / SiNₓ pasivasyonu ağır şekilde bozuldu.

Kimyasal Bileşim Evrimi

UV60 öncesi ve sonrası cilalı simetrik ön yapı numunesindeki (a) hidrojen ve (b) oksijen yoğunluk derinlik profilleri, ToF-SIMS ile ölçüldü

ToF-SIMS, UV maruziyetinden sonra, özellikle SiNₓ tabakasının içinde hidrojen konsantrasyonunun belirgin şekilde arttığını gösteriyor. N 1s XPS derinlik profili, SiNₓ / Al₂O₃ arayüzünde N–H bağ oranının %9.64'ten %5.97'ye düştüğünü gösteriyor. Yani N–H bağ kırılması, Si–H'nin ötesinde ikinci hidrojen kaynağıdır. Serbest kalan hidrojen, SiNₓ yüzey bölgesine doğru yayılır ve orada silikonla yeniden birleşir; bu yüzden N–H oranı o yüzeye yakın yerde aslında artar.

Oksijen de aynı derecede önemli bir hikaye anlatıyor. Al₂O₃ tabakasındaki oksijen hafifçe azalırken, SiNₓ/Al₂O₃ ve Al₂O₃/Si arayüzlerindeki oksijen arttı. Bu, Al–O bağlarının kırıldığına ve serbest oksijenin dışa doğru göç ettiğine işaret ediyor. İdeal bir kristalde Al–O bağ enerjisi yaklaşık 5.3 eV'dir. Ancak amorf Al₂O₃'de, düşük koordinasyonlu alüminyum iyonları ve oksijen boşlukları elektronları hapseder ve negatif yüklenir, komşu Al–O bağ kırılması için aktivasyon enerjisini yaklaşık 2.4 eV'ye düşürür. Bu, 400 nm UV ışığının (3.1 eV) onları kırmak için yeterli olduğu anlamına gelir.

UV60 öncesi ve sonrası Al₂O₃/SiNₓ tabakasının farklı arayüzlerinde N 1s derinlik profili XPS spektrumları, N–Si (397.5 eV) ve N–H (399.5 eV) bağları için uydurulmuş eğrilerle birlikte

O 1s XPS, kafes oksijeninin (OI) oksijen boşluklarına (OII) dönüştüğünü gösteriyor. Al 2p spektrumlarında, Al₂O₃ oranı %69.99'dan %60.36'ya düşerken Al–OH %30.01'den %39.64'e yükseldi. Si 2p spektrumlarında, Si²⁺ artarken daha yüksek değerlikli silikon azaldı. Oksijen boşlukları oluştuğunda açığa çıkan elektronlar, silikonu daha yüksek oksidasyon durumlarından indirger. Birlikte ele alındığında, oksijen, alüminyum ve silikon bağlarındaki bu değişiklikler Al₂O₃ filminin kalitesinin zaten zarar gördüğünü gösteriyor.

Elektriksel Performans Bozulması

UV60 öncesi ve sonrası TOPCon güneş hücresinin EQE ve yansıma eğrileri

UV60 maruziyeti sırasında TOPCon güneş hücresinin ön kontak özdirencindeki değişim

UV60 sonrası yansıtıcılık temelde değişmedi. EQE, 500 nm altındaki kısa dalga boyu bölgesinde, daha güçlü ön yüzey rekombinasyonuyla uyumlu olarak orta düzeyde bir düşüş gösterdi. Ön kontak özdirenci, UV dozuyla neredeyse doğrusal olarak artarak 4,1 mΩ·cm²'ye ulaştı ve yaklaşık 8,6 kat daha yüksek oldu. Neden: pasivasyon katmanında üretilen serbest hidrojen ve oksijen, elektrot arayüzüne difüze olur ve redoks reaksiyonlarına katılır. UV ayrıca gümüş yüzeyindeki su moleküllerini hidroksil radikallerine dönüştürür ve birlikte metal elektrodu korozyona uğratırlar.

UV60 maruziyeti sırasında elektriksel performans bozulma oranları: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff

Voc, ön yüzey pasivasyon bozulması ve artan J₀ nedeniyle %3,46 oranında düştü. FF, daha yüksek ön kontak özdirenci nedeniyle %2,82 düştü. Jsc, kısa dalga boyu EQE kaybı sınırlı olduğundan yalnızca %0,64 düştü. Nihai fotoelektrik dönüşüm verimliliği kaybı %6,72'ye ulaştı.

Sonuç

TOPCon hücrelerinin ön SiNₓ/Al₂O₃ yapısı, UV'ye karşı arka yapıdan çok daha zayıftır. UV altında, Si–H ve N–H bağları sırayla kırılır ve serbest hidrojen açığa çıkar. Amorf Al₂O₃'deki Al–O bağları UV altında kırılır, serbest oksijen açığa çıkar ve çok sayıda oksijen boşluğu oluşturur. Al₂O₃, Al–OH'ye dönüşür ve silisyum değerliği kayar. Hidrojen ve oksijen olmak üzere bu iki bozulma mekanizması birikir ve yüzey rekombinasyonunu kötüleştirir. Ön kontak özdirencindeki keskin artışı ekleyin, sonuç %6,72 verimlilik kaybıdır. Bu çalışma, TOPCon UVID'yi anlamak ve pasivasyon katmanlarının uzun vadeli güvenilirliğini iyileştirmek için yararlı bir referans sunmaktadır.

Ooitech'in Görüşü

UVID, ön yığının güvenilirliğin gerçekten test edildiği yer olduğunu kanıtlamaya devam ediyor; bu nedenle bir modül hattında SiNₓ/Al₂O₃ biriktirme ve kapsülleme işlemlerini nasıl kurduğunuz ve kontrol ettiğiniz, hücre reçetesi kadar önemlidir. Anahtar teslim TOPCon ve PERC modül hatlarımızda, aynı dersi layup, laminasyon ve EL tarafında görüyoruz; küçük proses seçimleri, panellerin yıllarca dış mekanda dayanıp dayanmayacağını belirler. Fabrika zemininden daha uygulamalı görüşler istiyorsanız, Ooitech YouTube kanalı www.youtube.com/ooitech takip etmeye değer.