Sel TOPCon di Bawah Haba Lembap: Mengapa Bahagian Belakang Gagal Terlebih Dahulu
Jadual Kandungan
Pengenalan
TOPCon telah menguasai sebahagian besar pasaran c-Si berkecekapan tinggi, tetapi kebolehpercayaan lapangan jangka panjang masih menjadi sasaran yang bergerak. Satu titik lemah terus muncul dalam kajian haba lembap: timbunan pasivasi belakang. Satu kajian terkini (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) telah mengenal pasti apa yang sebenarnya berlaku apabila garam natrium mendarat di permukaan sel dan berada di bawah 85°C/85% RH. Versi ringkas — lapisan SiNₓ belakang adalah titik lemah, dan filem ALD AlOₓ nipis membetulkan sebahagian besarnya.
Penemuan utama di hadapan
Lapisan SiNₓ belakang adalah titik lemah haba lembap. Natrium asetat (CH₃COONa) menurunkan voltan litar terbuka (Voc) belakang sebanyak 5.8% dan meningkatkan rintangan siri (Rₛ) sebanyak 450%.
Garam natrium mempercepatkan pengoksidaan permukaan dan kehilangan nitrogen. XPS menunjukkan nisbah atom Si/N belakang melonjak dari 1.3 kepada 23, dan O/N dari 1.6 kepada 53.
Penghalang ALD Al₂O₃ 10nm membuat perbezaan besar — kehilangan PCE di bawah pencemaran CH₃COONa menurun daripada 16% kepada hanya 0.4%.
Pasivasi hadapan jauh lebih tahan lasak. Berbilang lapisan AlOₓ/SiOᵧNᵣ menyekat resapan natrium, jadi pencemaran di sana hanya menyebabkan kehilangan PCE 0.87%.
Kedua-dua bahan cemar bertindak secara berbeza: natrium asetat menyerang sentuhan logam, manakala natrium klorida (NaCl) terutamanya mengoksidakan lapisan pasivasi.
Latar Belakang
Soalan teras mudah dinyatakan, lebih sukar dijawab: mengapa sel TOPCon kehilangan prestasi di bawah haba lembap apabila garam natrium hadir, dan mengapa pasivasi belakang lebih teruk terjejas (Kyranaki et al., 2022)?
Di mana jurangnya
Kebanyakan kerja terdahulu tertumpu pada kakisan sentuhan logam (Iqbal et al., 2023), tetapi tiada siapa yang pernah melihat secara sistematik kerosakan kimia lapisan pasivasi itu sendiri. Susunan hadapan dan belakang dibina secara berbeza — hadapan ialah AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, belakang ialah SiNₓ di atas pol-Si terdop — dan ketahanan kakisannya tidak pernah dibandingkan secara langsung (Feldmann et al., 2014). Selain itu, dua bahan cemar biasa (CH₃COONa vs. NaCl) disangka bertindak sama, tetapi ia tidak (Li et al., 2021).
Mendapatkan ini dengan betul adalah penting untuk wang sebenar. Loji PV dijual dengan janji jangka hayat 25 tahun (Peters et al., 2021), dan mod kegagalan sisi belakang yang muncul di bawah kelembapan adalah perkara yang boleh menjejaskan janji tersebut.
Pendekatan
Aliran kerja dikekalkan hampir dengan aliran pengeluaran sebenar: sel TOPCon industri → semburan tempatan garam natrium pada permukaan hadapan atau belakang → ujian haba lembap dipercepat (85°C/85% RH) → pencirian elektrik dan kimia → uji penghalang ALD AlOₓ → tentukan mekanisme perlindungan.
Apa yang baharu di sini
Dari segi teori, ini adalah kajian pertama yang menunjukkan kehilangan nitrogen dalam lapisan SiNₓ belakang sebagai pemacu utama penurunan Voc. Dari segi praktikal, lapisan AlOₓ 10nm berjalan pada alat ALD industri standard dan hanya menelan kos kira-kira 0.01% dalam kecekapan mutlak. Dan dari segi metodologi, pasukan membina ujian DH peringkat sel di mana 20 jam mewakili beberapa tahun penuaan luar (Sen et al., 2023).
Rantaian logik mudah diikuti: pencemaran belakang menyebabkan penurunan Voc yang tajam, yang terus menunjukkan kegagalan pasivasi. XPS kemudian mengesahkan tindak balas pengoksidaan SiNₓ dan laluan resapan natrium yang terbuka. Tambah lapisan AlOₓ, sekat natrium, dan pengimejan PL mengesahkan kecacatan ditindas.
Kaedah
Penyediaan sampel
| Item | Butiran |
|---|---|
| Struktur sel | n-type TOPCon. Hadapan: pemancar terdop boron + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC. Belakang: SiO₂/pol-Si terdop fosforus + SiNₓ, ARC |
| Bahan cemar | Larutan 0.155 mol/L CH₃COONa atau NaCl, 0.3 g setiap sampel, semburan tempatan |
| Penghalang ALD | 10nm AlOₓ, dimendapkan pada 150°C (Leadmicro QL200) |
| Haba lembap | 85°C/85% RH, 20 jam (kebuk persekitaran ASLi) |
Cara ia diukur
Parameter I-V (Pmax, Voc, FF, Jsc) melalui sistem LOANA (pv-tools).
Kualiti pasif melalui jangka hayat pembawa minoriti berkesan (τ_eff).
Kimia permukaan melalui XPS dan SEM-EDS.
Keputusan dan perbincangan
Degradasi elektrik
Bahagian belakang jelas merupakan bahagian yang sensitif. CH₃COONa di belakang menurunkan Voc sebanyak 5.8%, meningkatkan Rₛ sebanyak 450% (Jadual 1), dan mengurangkan keamatan PL sebanyak 37.3% (Rajah 3a). Rawatan yang sama di hadapan hanya menyebabkan kehilangan PCE sebanyak 0.87%. Garam yang sama, hasil yang sangat berbeza bergantung pada muka yang terkena.
Pecahan kimia pasif
XPS pada permukaan belakang menunjukkan pecahan ikatan Si-O meningkat dengan mendadak (Rajah 5b), dengan nisbah atom O/N daripada 1.6 dalam kawalan kepada 53 dalam kumpulan CH₃COONa. Mekanismenya adalah kehilangan nitrogen — haba lembap menghidrolisis SiNₓ dan merosakkan pasif permukaan.
Apa yang dilakukan oleh penghalang AlOₓ
Dengan kehadiran AlOₓ ALD 10nm, kehilangan PCE di bawah pencemaran CH₃COONa belakang menurun daripada 16% kepada 0.4%, dan Voc kekal stabil (Rajah 6a). SEM-EDS menunjukkan kandungan natrium menurun sebanyak 86% dalam sampel AlOₓ (Rajah 6c), dan PL menunjukkan tiada pengaktifan kecacatan (Rajah 6b). Penghalang melakukan apa yang anda mahukan — menghalang natrium daripada masuk.
Kesimpulan
Kesimpulan utama
Lapisan SiNₓ belakang menghidrolisis dan teroksida di bawah haba lembap dan garam natrium, yang menurunkan Voc dan meningkatkan Rₛ (disokong oleh XPS/EDS, Rajah 4-5). Lapisan AlOₓ 10nm menyekat resapan natrium dan mengekalkan kehilangan PCE DH85 di bawah 1% (Rajah 6a). Dan lapisan berbilang AlOₓ/SiOᵧNᵣ hadapan secara intrinsik tahan kakisan, jadi pencemaran di sana hampir tidak memberi kesan.
Mengapa ia berguna
Penghalang AlOₓ boleh terus digunakan dalam pengeluaran besar-besaran TOPCon pada alat seperti Leadmicro QL200. Melihat lebih jauh, menggabungkan AlOₓ dengan SiNₓ dalam enkapsulasi modul kaca berganda boleh memanjangkan jangka hayat loji di kawasan lembap.
Sedikit latar belakang
Struktur TOPCon: oksida terowong (SiO₂) ditambah sentuhan pasif pol-Si terdop, yang mengurangkan penggabungan semula pada logam (Feldmann et al., 2014).
ALD: pertumbuhan filem nano lapisan demi lapisan, memberikan liputan AlOₓ skala nanometer seragam.
Ujian DH: penuaan dipercepatkan 85°C/85% RH untuk meniru degradasi modul dalam iklim lembap.
Pasif SiNₓ: silikon nitrida terhidrogenasi, baik untuk anti-pantulan dan pasif permukaan, tetapi ia membawa ikatan tergantung dan mudah terhidrolisis.
Rujukan
Tong H. et al., Mitigating contaminant-induced degradation in TOPCon solar cells via ALD AlOₓ barrier, 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.
Pandangan Ooitech
Apa yang menonjol di sini ialah sebahagian besar cerita kebolehpercayaan terletak pada timbunan pasif belakang, bukan tajuk reka bentuk sel. Pada barisan sebenar, langkah tambahan ALD AlOₓ 10nm adalah insurans murah untuk projek iklim lembap, dan ia sesuai dengan pengeluaran modul standard tanpa banyak kerumitan. Kami membina barisan modul turnkey dari hujung ke hujung, jadi kami memerhatikan penemuan seperti ini dengan teliti — pelarasan proses kecil di hulu sering menentukan sama ada loji bertahan selama 25 tahun. Jika anda mahukan lebih banyak dari lantai kilang, saluran YouTube Ooitech (www.youtube.com/ooitech) patut diikuti.
