Деградация температуры и динамика LeTID

Краткий ответ: Ячейки с межпальцевыми задними контактами переносят оба полюсных контакта на заднюю сторону, и температурное поведение такой архитектуры отличается от ячейки с передними контактами. Этот анализ охватывает температурную деградацию и деградацию, вызванную светом и повышенной температурой (LeTID), в IBC-ячейках в диапазоне условий от 25 °C до 85 °C, с заявленными напряжениями холостого хода около 0,743 В и 0,69 В для сравниваемых структур. Деградация такого рода частично обратима, что затрудняет её правильную интерпретацию: ячейка, которая восстанавливается после снятия нагрузки, всё ещё может безвозвратно потерять производительность, и тест, фиксирующий только конечное значение, не может разделить эти два случая. Температура измерения имеет такое же значение, как и температура нагрузки, поскольку как деградация, так и восстановление термически активированы.

Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech

Введение в продукт

Солнечные элементы с межпальцевыми тыльными контактами (IBC) переносят оба металлических контакта полярности на тыльную сторону. На фронтальной стороне нет затенения от шин, поэтому оптические преимущества текстурирования и антиотражающего покрытия проявляются в полной мере. В сочетании с хорошей пассивацией и процессом контактирования n-тип IBC может достигать очень высокого напряжения холостого хода и плотности тока.

Оборотная сторона — структурная чувствительность, заложенная в конструкцию. Фотогенерированным неосновным носителям приходится перемещаться латерально по базе, прежде чем тыльный межпальцевый эмиттер сможет их собрать. Характеристики устройства сильно зависят от объемного времени жизни и качества тыльной пассивации. Как только рекомбинация на тыльном интерфейсе или утечка контакта термически активируются, темновая плотность тока насыщения J0 возрастает непропорционально, и Voc страдает.

Именно это является отправной точкой данной работы. На солнечном элементе n-типа IBC три набора данных помещаются в одну и ту же термическую среду, чтобы они согласовывались: освещенные J-V измерения от 25 до 85°C, эксперимент по стрессу LeTID, проводимый при одном солнце при 45–85°C в течение до 960 минут, и анализ темновых I-V в том же диапазоне температур.

Экспериментальный дизайн

Схема поперечного сечения солнечного элемента n-типа IBC: тыльные межпальцевые p+ эмиттер и n+ BSF контакты, фронтальное текстурирование и ARC.

Испытуемый элемент имеет площадь 258,3 см², толщину пластины 151 ± 6 мкм, период тыльных межпальцевых контактов около 480 мкм и ширину пальцев эмиттера и BSF примерно 250 мкм и 90 мкм соответственно. Освещенные измерения проводились при AM1.5G, 100 мВт/см². При каждой температуре после термической стабилизации усреднялись пять сканирований. Стресс LeTID измерялся непосредственно при температуре стресса, без охлаждения в процессе теста, и регистрировался с экспоненциальными интервалами 1, 2, 4, 8 минут и так далее. Каждый параметр нормализовался к его начальному значению, что отделяет внутреннюю динамику деградации от мгновенного эффекта температурного коэффициента.

Стационарная температурная чувствительность

Нормализованная температурная эволюция четырех параметров относительно их собственных значений при 25°C.

При 25°C ячейка показывает Jsc около 38.6 мА/см², Voc около 0.743 В, FF около 79% и эффективность около 22.7%. При нагреве до 85°C Jsc возрастает лишь примерно на 3% (+0.0203 мА·см⁻²·К⁻¹, примерно +0.05%/К). Voc линейно падает со скоростью −1.4 мВ/К (около −0.2%/°C). Эффективность снижается примерно на 9%, а FF почти не меняется.

Небольшое увеличение тока связано с сужением запрещенной зоны. Согласно соотношению Варшни, край поглощения смещается в сторону более длинных волн, поэтому фотогенерация немного возрастает. Быстрое падение напряжения объясняется экспоненциальным ростом J0(T), определяемым концентрацией собственных носителей и рекомбинационной активностью. Voc масштабируется как ln(Jsc/J0), поэтому умеренный рост J0 достаточен для измеримой потери.

Этот температурный коэффициент находится в диапазоне от −1.3 до −1.6 мВ/К, характерном для высококачественных кристаллических кремниевых устройств. Он указывает на ячейку с ограничением по рекомбинации, а не по сопротивлению или транспорту. После нормализации ранжирование столь же очевидно: при 85°C Voc падает примерно на 15%, эффективность — примерно на 9%, FF остается в пределах ±1%, а Jsc фактически увеличивается примерно на 3%.

Динамика LeTID

Динамика деградации LeTID.

Измерение в установившемся режиме отвечает только на вопрос «насколько горячо». Эксперимент по стрессу LeTID заполняет пробел «как это меняется со временем». При 85°C Voc быстро падает в первые 10–30 минут, затем медленно приближается к квазинасыщению. При более низких температурах спад гораздо более плавный. Через 960 минут Voc падает примерно до 0.69 В, Jsc остается в пределах ±2% на протяжении всего эксперимента, FF слегка колеблется, и регенерация не наблюдается в пределах экспериментального окна. Поскольку измерения проводились при температуре стресса после тепловой стабилизации, раннее падение напряжения следует объяснять быстрой активацией дефектных состояний, а не переходным тепловым равновесием. Стабильный Jsc указывает на то, что фотогенерация и экстракция короткого замыкания не были затронуты, поэтому доминирующая потеря не ограничена генерацией. Авторы также отмечают ограничение: отсутствует контрольный эксперимент с темновым отжигом, поэтому вклад чисто теплового эффекта не может быть полностью исключен.

Проверка в темновом состоянии

Темновое электрическое поведение и каналы утечки: (a) темновые J-V кривые, (b) дифференциальное сопротивление, (c) извлеченные шунтовое и последовательное сопротивления, (d) анализ Аррениуса шунтовой проводимости, дающий Ea ≈ 1.10 эВ.

Темновая I-V характеристика подходит к той же проблеме снаружи освещенного режима. Прямой ток заметно растет с температурой. Наклон в области малых смещений показывает четкое снижение шунтового сопротивления, тогда как область больших токов меняется мало. Таким образом, эволюция сопротивления, обусловленная температурой, определяется активацией утечек, а не деградацией последовательного сопротивления. Коэффициент идеальности сохраняется в диапазоне от 1,05 до 1,25, что означает доминирование диффузионной рекомбинации с возможным вкладом ШРХ (SRH) при высокой температуре.

Аррениусовский анализ шунтовой проводимости дает хорошую линейную аппроксимацию зависимости ln(1/Rш) от 1/Т (R² = 0,97) с энергией активации 1,10 ± 0,08 эВ. Это сопоставимо с шириной запрещенной зоны кремния (около 1,12 эВ) и попадает в опубликованный диапазон LeTID от 0,8 до 1,2 эВ. Энергия активации порядка ширины запрещенной зоны часто связывается с проводимостью, обусловленной глубокими уровнями дефектов, однако нельзя исключить вклад собственной концентрации носителей. Таким образом, это подтверждает термически активированное поведение утечек, не определяя конкретный тип дефекта.

Единая модель и экстраполяция на полевые условия

Три линии доказательств сходятся в одной феноменологической модели: J0(t, T) = J0,собств(T) + A·Nдеф(t, T). Поверх собственного тока насыщения добавляется термически активируемый вклад дефектов, который эволюционирует во времени и с температурой. Это затем преобразуется в потери напряжения через Voc = (nkT/q)·ln(Jsc/(J0 + 1)). Усиление рекомбинации и активация утечек действуют параллельно в одном и том же выражении. Таким образом, стационарный температурный коэффициент, динамика LeTID и эволюция темновых утечек связаны между собой. Модель не идентифицирует конкретный тип дефекта.

Экстраполяция на работу вне помещения: при высокой освещённости температура ячеек модуля часто составляет от 50 до 65°C. Используя −1,4 мВ/К, 60°C относительно 25°C означает потерю напряжения около 49 мВ, а ускоренная температурой LeTID добавляет к этому зависящие от времени потери. Выводы применимы только к измеренной ячейке. Для back-contact TOPCon и back-contact HJT они являются лишь качественным ориентиром: величина деградации, энергия активации и динамика регенерации зависят от схемы пассивирующих контактов каждого из них, качества интерфейса, распределения водорода и термической стабильности и заслуживают отдельного сравнительного исследования. Для высокоэффективных back-contact устройств в тёплом климате устойчивость к напряжению и долгосрочная выработка энергии в конечном счёте зависят от стабильности тыловой пассивации и управления дефектами.

Мнение Ooitech

Что здесь бросается в глаза, так это то, насколько значительная часть этих 49 мВ потерь на открытом воздухе приходится на тыльную сторону, где пассивация и качество контактов определяют долгосрочный Voc. На линии сборки модулей история та же: то, как вы нарезаете, стрингуете и ламинируете IBC-элемент, определяет, сохранится ли эта тыльная стабильность в полевых условиях. Поскольку мы построили линии под ключ для IBC и HPBC-конфигураций, мы рассматриваем устойчивость к LeTID как проблему процесса и материалов в той же мере, что и проблему элемента. Стоит подписаться на наш канал YouTube www.youtube.com/ooitech если вы хотите увидеть, как на самом деле собираются модули с задними контактами.