Kajian UVID Sel TOPCon: Ujian IV Tanpa Sentuh Mengesan Degradasi Pasif dan Kehilangan Kecekapan 6.72%
Jadual Kandungan
UVID Sel TOPCon dan Ujian IV Tanpa Sentuhan
Sel suria TOPCon telah mendapat kedudukan utama dalam pasaran fotovoltaik kerana pasivasi permukaan yang kuat dan sentuhan selektif pembawa. Operasi luar, bagaimanapun, mendedahkannya kepada degradasi teraruh ultraungu, atau UVID. Dalam kajian ini, kecekapan penukaran menurun sebanyak 6.72% selepas pendedahan UV60.
Kerja awal sering mengaitkan UVID terutamanya dengan foton tenaga tinggi yang memutuskan ikatan Si–H dan membebaskan hidrogen mudah alih. Spektrum ultraungu suria meliputi julat tenaga foton yang lebih luas iaitu 3.1–4.43 eV, jadi interaksinya dengan bahan permukaan hadapan tidak dapat dijelaskan oleh pemutusan ikatan Si–H sahaja. Tindanan Al₂O₃/SiNₓ hadapan juga menunjukkan rintangan UV yang lebih lemah berbanding struktur sisi belakang.
Penguji IV tanpa sentuhan Millennial Solar menyediakan ujian tidak memusnahkan tanpa bahan guna dan kelajuan pengukuran peringkat milisaat. Ia serasi dengan reka bentuk sel sentuhan belakang dan tanpa basbar dan boleh mendapatkan parameter IV, EQE dan PL pelbagai dimensi dalam satu urutan ujian.
Kajian ini menggunakan spektrometri jisim ion sekunder masa penerbangan, atau ToF-SIMS, bersama-sama dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X profil kedalaman, atau XPS, untuk menjejaki taburan unsur dan perubahan ikatan kimia dalam lapisan Al₂O₃/SiNₓ sebelum dan selepas pendedahan UV60. Keputusan menunjukkan bahawa pemutusan ikatan N–H bertindak sebagai sumber hidrogen kedua selain pemutusan ikatan Si–H. Pendedahan UV juga merosakkan ikatan Al–O dalam Al₂O₃ amorf, mewujudkan sejumlah besar kekosongan oksigen. Gabungan mekanisme hidrogen dan oksigen meningkatkan penggabungan semula permukaan dan menyediakan asas yang lebih jelas untuk meningkatkan kebolehpercayaan lapisan pasivasi.
Kaedah Eksperimen
Millennial Solar
(a) Struktur skematik sel suria TOPCon; (b) sampel struktur hadapan simetri; (c) sampel struktur belakang simetri.
Dua sampel struktur simetri telah disediakan. Struktur hadapan adalah SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. Struktur belakang termasuk lapisan SiOₓ/n⁺-poly-Si. Penuaan UV dijalankan pada tahap modul menggunakan sumber cahaya yang didominasi oleh UV-A dengan kira-kira 11% UV-B. Keadaan ujian ialah 60°C dan 30% kelembapan relatif.
| Item ujian | Keadaan atau konfigurasi |
|---|---|
| Sampel simetri hadapan | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Sampel simetri belakang | Struktur yang mengandungi lapisan SiOₓ/n⁺-poly-Si |
| Sumber UV | Terutamanya UV-A, dengan kira-kira 11% UV-B |
| Suhu ujian | 60°C |
| Kelembapan relatif | 30% |
| Dos UV maksimum yang dilaporkan | 60 kWh·m⁻², dikenal pasti sebagai UV60 |
| Kaedah analisis utama | ToF-SIMS dan XPS profil kedalaman |
Kecerahan spektrum sumber cahaya ultraviolet.
Rintangan UV Struktur Hadapan dan Belakang
Millennial Solar
Perubahan dalam sampel struktur hadapan dan belakang simetri semasa pendedahan UV: (a) jangka hayat pembawa berkesan, τeff, pada kepekatan pembawa suntikan 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) voltan litar terbuka tersirat, iVoc; dan (c) ketumpatan arus tepu sebelah tunggal, J₀.
Struktur belakang simetri hanya menunjukkan degradasi kecil selepas 60 kWh·m⁻² pendedahan UV. Lapisan poly-Si setebal 120 nm menyerap hampir semua sinaran UV yang tiba dan memberikan perlindungan berkesan kepada antara muka di bawahnya.
Struktur hadapan simetri merosot dengan lebih teruk:
Jangka hayat pembawa berkesan, τeff, jatuh daripada 2,895.6 μs kepada 1,552.8 μs.
Voltan litar terbuka tersirat, iVoc, menurun daripada 735.5 mV kepada 715.2 mV.
J₀ sebelah tunggal meningkat kepada 18.4 fA·cm⁻², kira-kira tiga kali ganda nilai awalnya.
Prestasi pasif Al₂O₃/SiNₓ merosot dengan ketara.
Keputusan ini mengesahkan bahawa timbunan SiNₓ/Al₂O₃ hadapan jauh lebih terdedah kepada pendedahan ultraviolet berbanding struktur SiOₓ/poly-Si belakang.
Evolusi Komposisi Kimia
Millennial Solar
Profil kedalaman ToF-SIMS bagi (a) keamatan hidrogen dan (b) oksigen dalam sampel struktur hadapan simetri yang digilap sebelum dan selepas pendedahan UV60.
ToF-SIMS menunjukkan peningkatan jelas kepekatan hidrogen selepas pendedahan ultraungu, terutamanya di dalam lapisan SiNₓ. Analisis profil kedalaman isyarat XPS N 1s mendapati bahawa bahagian ikatan N–H pada antara muka SiNₓ/Al₂O₃ menurun daripada 9.64% kepada 5.97%. Ini mengesahkan bahawa pemutusan ikatan N–H adalah satu lagi sumber hidrogen penting selain pemisahan ikatan Si–H.
Sebahagian hidrogen yang dibebaskan meresap ke arah permukaan SiNₓ dan mengikat semula dengan silikon. Ini menjelaskan mengapa bahagian N–H tempatan berhampiran permukaan meningkat dan bukannya terus menurun.
Evolusi oksigen juga kritikal. Kepekatan oksigen di dalam lapisan Al₂O₃ menurun sedikit, manakala ia meningkat pada kedua-dua antara muka SiNₓ/Al₂O₃ dan Al₂O₃/Si. Taburan ini menunjukkan bahawa oksigen yang dibebaskan oleh pemutusan ikatan Al–O meresap keluar dari filem Al₂O₃.
Tenaga ikatan Al–O dalam hablur ideal adalah kira-kira 5.3 eV. Al₂O₃ amorf adalah berbeza. Ion aluminium yang kurang terkoordinasi dan kekosongan oksigen bercas negatif boleh menurunkan tenaga pengaktifan untuk memutuskan ikatan Al–O bersebelahan kepada sekitar 2.4 eV. Foton ultraungu 400 nm membawa kira-kira 3.1 eV, yang sudah mencukupi untuk mencetuskan proses ini.
Spektrum XPS profil kedalaman N 1s pada antara muka Al₂O₃/SiNₓ yang berbeza sebelum dan selepas pendedahan UV60, termasuk ikatan N–Si yang dipadankan pada 397.5 eV dan ikatan N–H pada 399.5 eV.
Keputusan XPS O 1s menunjukkan penukaran daripada oksigen kekisi, dikenal pasti sebagai OI, kepada komponen berkaitan kekosongan oksigen, dikenal pasti sebagai OII. Dalam spektrum Al 2p, bahagian Al₂O₃ menurun daripada 69.99% kepada 60.36%, manakala Al–OH meningkat daripada 30.01% kepada 39.64%.
Spektrum Si 2p juga menunjukkan peningkatan dalam Si²⁺ dan penurunan dalam keadaan pengoksidaan silikon yang lebih tinggi. Elektron yang dibebaskan semasa pembentukan kekosongan oksigen mengurangkan silikon daripada keadaan pengoksidaan yang lebih tinggi. Perubahan terkoordinasi dalam ikatan oksigen, aluminium dan silikon ini menunjukkan kerosakan meluas pada filem Al₂O₃ dan bukannya tindak balas pemutusan ikatan tunggal yang terpencil.
Kemerosotan Prestasi Elektrik
Millennial Solar
Lengkung EQE dan pemantulan sel solar TOPCon sebelum dan selepas pendedahan UV60.
Pemantulan kekal hampir tidak berubah selepas pendedahan UV60. EQE menunjukkan penurunan sederhana di kawasan panjang gelombang pendek di bawah 500 nm, yang sepadan dengan penggabungan semula yang lebih kuat di permukaan hadapan.
Perubahan dalam kerintangan sentuhan hadapan sel solar TOPCon semasa pendedahan UV60.
Kerintangan sentuhan hadapan meningkat hampir secara linear dengan dos UV, mencapai 4.1 mΩ·cm², kira-kira 8.6 kali nilai awalnya. Mekanisme yang dicadangkan berkaitan dengan hidrogen dan oksigen mudah alih yang dihasilkan di dalam lapisan pasif. Spesies ini meresap ke arah antara muka elektrod dan mengambil bahagian dalam tindak balas pengoksidaan-penurunan.
Sinaran UV juga boleh menukar molekul air pada permukaan perak kepada radikal hidroksil. Bersama-sama, tindak balas ini menggalakkan kakisan elektrod logam dan meningkatkan rintangan sentuhan.
Degradasi prestasi elektrik sel solar TOPCon semasa pendedahan UV60: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; dan (d) kecekapan.
Kehilangan elektrik akhir diagihkan merentasi beberapa parameter:
Voc menurun sebanyak 3.46%, terutamanya disebabkan oleh degradasi pasif permukaan hadapan dan peningkatan J₀.
FF menurun sebanyak 2.82%, terutamanya disebabkan oleh peningkatan mendadak dalam kerintangan sentuhan hadapan.
Jsc menurun hanya 0.64%, kerana kehilangan EQE terhad terutamanya pada kawasan panjang gelombang pendek.
Kecekapan penukaran menurun sebanyak 6.72% selepas pendedahan UV60.
Oleh itu, struktur SiNₓ/Al₂O₃ hadapan sel solar TOPCon mempunyai rintangan ultraviolet yang jauh lebih rendah daripada struktur belakang. Di bawah pendedahan UV, ikatan Si–H dan N–H putus dan membebaskan hidrogen mudah alih. Ikatan Al–O dalam Al₂O₃ amorf juga rosak, membebaskan oksigen dan menjana ketumpatan tinggi kekosongan oksigen. Pada masa yang sama, Al₂O₃ beralih ke arah Al–OH dan taburan keadaan pengoksidaan silikon berubah.
Mekanisme degradasi berkaitan hidrogen dan oksigen berfungsi bersama untuk memperhebatkan penggabungan semula permukaan. Peningkatan kerintangan sentuhan hadapan yang mengiringi menambah kehilangan elektrik yang berasingan, membawa kepada degradasi kecekapan 6.72% yang diukur. Penemuan ini menawarkan rujukan berguna untuk memahami UVID TOPCon dan meningkatkan kebolehpercayaan jangka panjang timbunan pasif sisi hadapan.
Pandangan Ooitech
Perkara utama ialah UVID TOPCon tidak boleh dianggap sebagai masalah ikatan Si–H yang mudah. Kimia pasif, kawalan kekosongan oksigen dan kestabilan metalisasi perlu dinilai bersama, terutamanya apabila melayakkan proses pengeluaran modul untuk perkhidmatan luar yang panjang. Penjejakan IV tanpa sentuhan, EQE dan PL boleh membantu mengenal pasti kerugian ini lebih awal tanpa menambah kerosakan sentuhan mekanikal pada reka bentuk sel yang semakin halus.
