UVID dalam Sel Suria TOPCon: Ujian IV Tanpa Sentuh Mengesan Kemerosotan Pasivasi dan Kehilangan Kecekapan 6.72%

Pengenalan

Sel solar TOPCon kini menguasai pasaran PV berkat pasivasi permukaan yang kuat dan sentuhan selektif pembawa. Tetapi operasi luar mendedahkan kelemahan sebenar: degradasi teraruh UV, atau UVID. Selepas penyinaran UV60, kecekapan menurun sebanyak 6.72%.

Kebanyakan kajian terdahulu menyalahkan UVID pada foton tenaga tinggi yang memecahkan ikatan Si–H dan membebaskan hidrogen bebas. Itu hanya sebahagian daripada cerita. Spektrum UV suria merangkumi julat tenaga 3.1–4.43 eV yang luas, jadi interaksinya dengan lapisan permukaan hadapan melampaui laluan pecah tunggal Si–H. Dan susunan Al₂O₃ / SiNₓ hadapan jauh lebih lemah terhadap UV berbanding bahagian belakang.

Penguji IV tanpa sentuhan banyak membantu di sini. Ia tidak merosakkan, menggunakan sifar bahan guna, beroperasi pada kelajuan milisaat, berfungsi dengan reka bentuk BC dan tanpa basbar, serta menarik parameter IV, EQE dan PL dalam satu tangkapan.

Kajian ini menggunakan ToF-SIMS dan XPS profil-mendalam untuk mengesan taburan unsur dan perubahan ikatan kimia dalam lapisan Al₂O₃ / SiNₓ sebelum dan selepas UV60. Penemuan: pemecahan ikatan N–H adalah sumber hidrogen kedua di samping Si–H. Ikatan Al–O dalam Al₂O₃ amorfus dipecahkan oleh UV dan menjana sejumlah besar kekosongan oksigen. Mekanisme hidrogen dan oksigen bertindan dan memburukkan penggabungan semula permukaan, memberikan arah yang jelas untuk meningkatkan kebolehpercayaan pasivasi.

Kaedah Eksperimen

(a) Gambarajah struktur sel solar TOPCon (b) sampel struktur hadapan simetri (c) sampel struktur belakang simetri

Sampel struktur hadapan simetri (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) dan sampel struktur belakang simetri (dengan lapisan SiOₓ/n⁺-poly-Si) telah disediakan. Penuaan UV dijalankan pada tahap modul. Sumber cahaya terutamanya UV-A dengan kira-kira 11% UV-B, pada 60°C dan kelembapan 30%.

Irradians spektrum sumber cahaya UV

Struktur Hadapan vs Belakang: Perbandingan Rintangan UV

Perubahan dalam (a) τeff pada kepekatan pembawa suntikan 1×10¹⁵ cm⁻³, (b) iVoc, dan (c) J₀ sebelah tunggal untuk sampel struktur hadapan dan belakang simetri semasa pendedahan UV

Struktur belakang simetri hampir tidak merosot selepas pendedahan UV 60 kWh·m⁻². Lapisan polisi-Si setebal 120 nm menyerap hampir semua cahaya UV dan memberikan perlindungan yang berkesan.

Struktur hadapan menceritakan kisah yang berbeza. τeff menurun daripada 2895.6 μs kepada 1552.8 μs. iVoc jatuh daripada 735.5 mV kepada 715.2 mV. J₀ sebelah tunggal melonjak kepada 18.4 fA·cm⁻², kira-kira tiga kali ganda nilai awal. Pasivasi Al₂O₃ / SiNₓ merosot dengan teruk.

Evolusi Komposisi Kimia

Profil kedalaman intensiti (a) hidrogen dan (b) oksigen dalam sampel struktur hadapan simetri yang digilap sebelum dan selepas UV60, diukur dengan ToF-SIMS

ToF-SIMS menunjukkan kepekatan hidrogen meningkat dengan jelas selepas pendedahan UV, terutamanya di dalam lapisan SiNₓ. Profil kedalaman XPS N 1s menunjukkan bahawa pada antara muka SiNₓ / Al₂O₃, pecahan ikatan N–H jatuh daripada 9.64% kepada 5.97%. Jadi pemecahan ikatan N–H adalah sumber hidrogen kedua selain Si–H. Hidrogen yang dibebaskan meresap ke arah kawasan permukaan SiNₓ dan bergabung semula dengan silikon di sana, itulah sebabnya pecahan N–H sebenarnya meningkat berhampiran permukaan itu.

Oksigen menceritakan kisah yang sama penting. Oksigen dalam lapisan Al₂O₃ menurun sedikit, manakala oksigen pada antara muka SiNₓ/Al₂O₃ dan Al₂O₃/Si meningkat. Ini menunjukkan ikatan Al–O pecah dan oksigen bebas berhijrah ke luar. Tenaga ikatan Al–O dalam kristal ideal adalah kira-kira 5.3 eV. Tetapi dalam Al₂O₃ amorfus, ion aluminium yang kurang terkoordinasi dan kekosongan oksigen memerangkap elektron dan menjadi bercas negatif, menurunkan tenaga pengaktifan untuk pemecahan ikatan Al–O bersebelahan kepada kira-kira 2.4 eV. Ini bermakna cahaya UV 400 nm (3.1 eV) cukup untuk memecahkannya.

Spektrum XPS profil kedalaman N 1s pada antara muka berbeza lapisan Al₂O₃/SiNₓ sebelum dan selepas UV60, dengan lengkung dipasang untuk ikatan N–Si (397.5 eV) dan N–H (399.5 eV)

XPS O 1s menunjukkan oksigen kekisi (OI) bertukar menjadi kekosongan oksigen (OII). Dalam spektrum Al 2p, pecahan Al₂O₃ jatuh daripada 69.99% kepada 60.36% manakala Al–OH meningkat daripada 30.01% kepada 39.64%. Dalam spektrum Si 2p, Si²⁺ meningkat manakala silikon valensi lebih tinggi menurun. Elektron yang dibebaskan apabila kekosongan oksigen terbentuk mengurangkan silikon daripada keadaan pengoksidaan yang lebih tinggi. Secara keseluruhan, perubahan dalam ikatan oksigen, aluminium dan silikon ini menunjukkan kualiti filem Al₂O₃ telah pun terjejas.

Kemerosotan Prestasi Elektrik

Keluk EQE dan pemantulan sel solar TOPCon sebelum dan selepas UV60

Perubahan dalam kerintangan sentuhan hadapan sel solar TOPCon semasa pendedahan UV60

Reflektans kekal pada dasarnya tidak berubah selepas UV60. EQE menunjukkan penurunan sederhana dalam kawasan panjang gelombang pendek di bawah 500 nm, sepadan dengan penggabungan semula permukaan hadapan yang lebih kuat. Kerintangan sentuhan hadapan meningkat hampir secara linear dengan dos UV, mencapai 4.1 mΩ·cm², kira-kira 8.6 kali lebih tinggi. Puncanya: hidrogen bebas dan oksigen yang dihasilkan dalam lapisan pasif meresap ke antara muka elektrod dan mengambil bahagian dalam tindak balas redoks. UV juga menukar molekul air pada permukaan perak kepada radikal hidroksil, dan bersama-sama ia menghakis elektrod logam.

Kadar kemerosotan prestasi elektrik semasa pendedahan UV60: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff

Voc menurun 3.46% relatif, didorong oleh kemerosotan pasif permukaan hadapan dan peningkatan J₀. FF jatuh 2.82%, didorong oleh kerintangan sentuhan hadapan yang lebih tinggi. Jsc hanya menurun 0.64%, kerana kehilangan EQE panjang gelombang pendek adalah terhad. Kehilangan kecekapan penukaran fotoelektrik akhir mencapai 6.72%.

Kesimpulan

Struktur SiNₓ/Al₂O₃ hadapan sel TOPCon jauh lebih lemah terhadap UV berbanding struktur belakang. Di bawah UV, ikatan Si–H dan N–H putus secara berurutan dan membebaskan hidrogen bebas. Ikatan Al–O dalam Al₂O₃ amorf putus di bawah UV, membebaskan oksigen bebas dan mewujudkan sejumlah besar kekosongan oksigen. Al₂O₃ bertukar ke arah Al–OH dan valensi silikon beralih. Kedua-dua mekanisme kemerosotan ini, hidrogen dan oksigen, bertindih dan memburukkan penggabungan semula permukaan. Tambah kenaikan mendadak dalam kerintangan sentuhan hadapan, dan hasilnya ialah kehilangan kecekapan 6.72%. Kerja ini menawarkan rujukan berguna untuk memahami UVID TOPCon dan untuk meningkatkan kebolehpercayaan jangka panjang lapisan pasif.

Pandangan Ooitech

UVID terus membuktikan bahawa susunan hadapan adalah tempat kebolehpercayaan benar-benar diuji, jadi cara anda membina dan mengawal pemendapan dan enkapsulasi SiNₓ/Al₂O₃ pada barisan modul sama pentingnya dengan resipi sel. Pada barisan modul TOPCon dan PERC turnkey kami, kami melihat pengajaran yang sama berlaku pada bahagian layup, laminasi dan EL, pilihan proses kecil menentukan sama ada panel bertahan di luar rumah selama bertahun-tahun. Jika anda mahukan lebih banyak pandangan praktikal dari lantai kilang, saluran YouTube Ooitech di www.youtube.com/ooitech patut diikuti.