Температурная деградация и динамика LeTID в n-типа тыльноконтактных солнечных элементах

Введение в продукт

Солнечные элементы с межпальцевым тыльным контактом (IBC) перемещают оба полярных металлических контакта на тыльную сторону. Передняя сторона не имеет затенения от шин, поэтому оптические преимущества текстурирования и антиотражающего покрытия проявляются в полной мере. В сочетании с хорошей пассивацией и процессом контактирования, n-типа IBC может достигать очень высокого напряжения холостого хода и плотности тока.

Компромисс заключается в структурной чувствительности, заложенной в конструкцию. Фотогенерированные неосновные носители должны перемещаться латерально по базе, прежде чем тыльный межпальцевый эмиттер сможет их собрать. Производительность устройства сильно зависит 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 n-типа IBC элементе три набора доказательств 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 под одним солнцем при 45-85°C в течение до 960 минут, и темновой I-V анализ в том же диапазоне температур.

Экспериментальный дизайн

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

Тестовый элемент имеет площадь 258,3 см², толщину пластины 151 ± 6 мкм, тыльный межпальцевый период около 480 мкм, и ширину пальцев эмиттера и BSF примерно 250 мкм и 90 мкм. 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 середине теста, и регистрировался с экспоненциальными интервалами 1, 2, 4, 8 минут и так далее. Каждый параметр был нормализован к его начальному значению, что отделяет внутреннюю динамику деградации от мгновенного эффекта температурного коэффициента.

Стационарная температурная чувствительность

Нормированная тепловая 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 (примерно −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 усиливается. Быстрое падение напряжения объясняется экспоненциальным ростом J0(T), определяемым концентрацией собственных носителей и активностью рекомбинации. 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 нормировки 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 мягче. Через 960 минут Voc падает примерно до 0.69 В, Jsc остается в пределах ±2% на протяжении всего эксперимента, FF слегка колеблется, и никакой регенерации в пределах экспериментального окна не наблюдается. 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 возрастает с температурой. Наклон в области низких напряжений показывает четкое снижение шунтового сопротивления, тогда как область высоких 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 SRH при высокой температуре.

Аррениусовский анализ шунтовой проводимости дает хорошую линейную аппроксимацию зависимости ln(1/Rsh) от 1/T (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, но нельзя исключить вклад собственной концентрации носителей. Таким образом, это подтверждает термически активированное поведение утечек, не определяя конкретный тип дефекта.

Единая структура и экстраполяция на полевые условия

Три линии доказательств сходятся в одной феноменологической структуре: J0(t, T) = J0,intr(T) + A·Ndef(t, T). Поверх внутреннего тока насыщения находится термически активируемый вклад дефектов, который эволюционирует со временем и температурой. Это затем преобразуется в потерю 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. Эта структура не идентифицирует конкретный тип дефекта.

Экстраполяция на условия наружной эксплуатации: при высокой облученности температура ячеек модуля часто составляет от 50 до 65°C. Используя −1,4 мВ/К, 60°C относительно 25°C означает около 49 мВ потери напряжения, а ускоренная температурой LeTID добавляет зависящую от времени потерю сверх этого. Выводы применимы только к измеренной ячейке. Для тыльноконтактных TOPCon и тыльноконтактных HJT они служат лишь качественным ориентиром: величина деградации, энергия активации и динамика регенерации зависят от схемы пассивирующего контакта каждого типа, качества интерфейса, распределения водорода и термической стабильности и заслуживают специального сравнительного исследования. Для высокоэффективных тыльноконтактных устройств в теплом климате устойчивость напряжения и долгосрочный выход энергии в конечном счете зависят от стабильности тыльной пассивации и управления дефектами.

Мнение Ooitech

Что нас здесь поражает, так это то, как много из этих 49 мВ потерь на открытом воздухе приходится на тыльную сторону, где качество пассивации и контактов определяет долгосрочный Voc. На модульной линии история та же: то, как вы режете, стригуете и ламинируете IBC-элемент, определяет, сохранится ли эта тыльная стабильность в полевых условиях. Построив линии под ключ для IBC и HPBC-компоновок, мы видим устойчивость к LeTID как проблему процесса и материалов, а не только элемента. Стоит подписаться на наш канал YouTube www.youtube.com/ooitech если хотите увидеть, как на самом деле собираются модули с задними контактами.