Исследование UVID ячеек TOPCon: бесконтактное IV-тестирование отслеживает деградацию пассивации и потерю эффективности на 6,72%
Содержание
UVID TOPCon-элемента и бесконтактное IV-тестирование
TOPCon-солнечные элементы заняли лидирующие позиции на фотоэлектрическом рынке благодаря сильной пассивации поверхности и селективным контактам носителей. Однако при эксплуатации на открытом воздухе они подвержены ультрафиолетовой деградации, или UVID. В этом исследовании эффективность преобразования снизилась на 6,72% после воздействия UV60.
Более ранние работы часто связывали UVID в основном с разрывом связей Si–H высокоэнергетическими фотонами и выделением подвижного водорода. Солнечный ультрафиолетовый спектр охватывает гораздо более широкий диапазон энергий фотонов от 3,1–4,43 эВ, поэтому его взаимодействие с материалами фронтальной поверхности нельзя объяснить только разрывом связей Si–H. Фронтальный стек Al₂O₃/SiNₓ также демонстрирует гораздо более слабую устойчивость к УФ-излучению, чем структура тыльной стороны.
Бесконтактный IV-тестер Millennial Solar обеспечивает неразрушающее тестирование без расходных материалов и скорость измерения на уровне миллисекунд. Он совместим с конструкциями с задними контактами и без шин и может получать многомерные параметры IV, EQE и PL за одну последовательность тестов.
В этом исследовании использовались времяпролетная масс-спектрометрия вторичных ионов, или ToF-SIMS, вместе с профильной рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией, или XPS, для отслеживания распределения элементов и изменений химических связей в слоях Al₂O₃/SiNₓ до и после воздействия UV60. Результаты показывают, что разрыв связей N–H действует как второй источник водорода в дополнение к разрыву связей Si–H. УФ-облучение также повреждает связи Al–O в аморфном Al₂O₃, создавая большое количество кислородных вакансий. Совместные механизмы водорода и кислорода увеличивают поверхностную рекомбинацию и обеспечивают более четкую основу для повышения надежности пассивирующих слоев.
Методика эксперимента
Millennial Solar
(a) Схематическая структура TOPCon-солнечного элемента; (b) симметричный образец фронтальной структуры; (c) симметричный образец тыльной структуры.
Были подготовлены две симметричные структуры образцов. Фронтальная структура была SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. Тыльная структура включала слои SiOₓ/n⁺-poly-Si. УФ-старение проводилось на уровне модуля с использованием источника света с преобладанием УФ-А и приблизительно 11% УФ-В. Условия испытаний: 60°C и относительная влажность 30%.
| Образец для испытаний | Условие или конфигурация |
|---|---|
| Фронтальный симметричный образец | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Тыльный симметричный образец | Структура, содержащая слои SiOₓ/n⁺-poly-Si |
| Источник УФ-излучения | Преимущественно УФ-А, с приблизительно 11% УФ-В |
| Температура испытаний | 60°C |
| Относительная влажность | 30% |
| Максимальная зарегистрированная доза УФ-излучения | 60 кВт·ч·м⁻², обозначенная как UV60 |
| Основные методы анализа | ToF-SIMS и профильный XPS |
Спектральная облученность источника ультрафиолетового света.
УФ-стойкость фронтальной и тыльной структур
Millennial Solar
Изменения в симметричных образцах фронтальной и тыльной структур во время УФ-облучения: (a) эффективное время жизни носителей, τeff, при концентрации инжектированных носителей 1 × 10¹⁵ см⁻³; (b) подразумеваемое напряжение холостого хода, iVoc; и (c) плотность тока насыщения с одной стороны, J₀.
Симметричная тыльная структура показала лишь незначительную деградацию после 60 кВт·ч·м⁻² УФ-облучения. Ее слой поликремния толщиной 120 нм поглощал почти все падающее УФ-излучение и обеспечивал эффективную защиту нижележащего интерфейса.
Симметричная фронтальная структура деградировала гораздо сильнее:
Эффективное время жизни носителей, τeff, упало с 2 895,6 мкс до 1 552,8 мкс.
Подразумеваемое напряжение холостого хода, iVoc, снизилось с 735,5 мВ до 715,2 мВ.
J₀ с одной стороны увеличилась до 18,4 фА·см⁻², что примерно в три раза превышает ее первоначальное значение.
Пассивационные свойства Al₂O₃/SiNₓ существенно ухудшились.
Эти результаты подтверждают, что фронтальный стек SiNₓ/Al₂O₃ значительно более уязвим к ультрафиолетовому облучению, чем тыльная структура SiOₓ/poly-Si.
Эволюция химического состава
Millennial Solar
Профили глубины ToF-SIMS (a) водорода и (b) кислорода в полированных симметричных образцах с фронтальной структурой до и после воздействия UV60.
ToF-SIMS показал явное увеличение концентрации водорода после ультрафиолетового облучения, особенно внутри слоя SiNₓ. Анализ профилей глубины сигнала N 1s XPS показал, что доля связей N–H на границе раздела SiNₓ/Al₂O₃ уменьшилась с 9.64% до 5.97%. Это подтверждает, что разрыв связей N–H является еще одним важным источником водорода наряду с диссоциацией связей Si–H.
Часть высвободившегося водорода диффундировала к поверхности SiNₓ и снова связывалась с кремнием. Это объясняет, почему локальная доля N–H вблизи поверхности увеличилась, а не продолжила снижаться.
Эволюция кислорода также была критической. Концентрация кислорода внутри слоя Al₂O₃ незначительно снизилась, в то время как на границах раздела SiNₓ/Al₂O₃ и Al₂O₃/Si она увеличилась. Такое распределение указывает на то, что кислород, высвобождаемый при разрыве связей Al–O, диффундировал наружу из пленки Al₂O₃.
Энергия связи Al–O в идеальном кристалле составляет около 5.3 эВ. Аморфный Al₂O₃ отличается. Недостаточно координированные ионы алюминия и отрицательно заряженные кислородные вакансии могут снизить энергию активации разрыва соседних связей Al–O примерно до 2.4 эВ. Фотон ультрафиолета с длиной волны 400 нм несет около 3.1 эВ, что уже достаточно для запуска этого процесса.
Спектры XPS N 1s с профилированием по глубине на различных границах раздела Al₂O₃/SiNₓ до и после воздействия UV60, включая подгонку связей N–Si при 397.5 эВ и связей N–H при 399.5 эВ.
Результаты XPS O 1s показали переход от решеточного кислорода, идентифицированного как OI, к компонентам, связанным с кислородными вакансиями, идентифицированным как OII. В спектрах Al 2p доля Al₂O₃ снизилась с 69.99% до 60.36%, в то время как Al–OH увеличилась с 30.01% до 39.64%.
Спектры Si 2p также показали увеличение Si²⁺ и уменьшение более высоких степеней окисления кремния. Электроны, высвобождаемые при образовании кислородных вакансий, восстанавливали кремний из более высоких степеней окисления. Эти согласованные изменения в связях кислорода, алюминия и кремния указывают на обширное повреждение пленки Al₂O₃, а не на единичную изолированную реакцию разрыва связи.
Деградация электрических характеристик
Millennial Solar
Кривые EQE и отражения солнечного элемента TOPCon до и после воздействия UV60.
Отражение осталось практически неизменным после воздействия UV60. EQE показало умеренное снижение в коротковолновой области ниже 500 нм, что соответствует более сильной рекомбинации на фронтальной поверхности.
Изменение удельного контактного сопротивления фронтального контакта солнечного элемента TOPCon во время воздействия UV60.
Удельное контактное сопротивление фронтального контакта увеличивалось почти линейно с дозой УФ-излучения, достигнув 4.1 мОм·см², что примерно в 8.6 раз превышает его начальное значение. Предложенный механизм связан с подвижным водородом и кислородом, генерируемыми внутри пассивирующих слоев. Эти частицы диффундируют к границе раздела с электродом и участвуют в окислительно-восстановительных реакциях.
УФ-излучение также может превращать молекулы воды на поверхности серебра в гидроксильные радикалы. Вместе эти реакции способствуют коррозии металлического электрода и повышают контактное сопротивление.
Деградация электрических характеристик солнечного элемента TOPCon во время воздействия UV60: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; и (d) КПД.
Итоговые электрические потери распределились по нескольким параметрам:
Voc снизился на 3.46%, в основном из-за деградации пассивации фронтальной поверхности и увеличения J₀.
FF снизился на 2.82%, главным образом из-за резкого роста удельного контактного сопротивления фронтального контакта.
Jsc снизился всего на 0.64%, так как потери EQE были ограничены в основном коротковолновой областью.
КПД преобразования снизился на 6.72% после воздействия UV60.
Таким образом, фронтальная структура SiNₓ/Al₂O₃ солнечного элемента TOPCon обладает гораздо меньшей стойкостью к ультрафиолету, чем тыльная структура. Под воздействием УФ-излучения связи Si–H и N–H разрываются, высвобождая подвижный водород. Связи Al–O в аморфном Al₂O₃ также повреждаются, высвобождая кислород и создавая высокую плотность кислородных вакансий. В то же время Al₂O₃ переходит в Al–OH, а распределение степеней окисления кремния изменяется.
Механизмы деградации, связанные с водородом и кислородом, действуют совместно, усиливая поверхностную рекомбинацию. Сопутствующее увеличение удельного контактного сопротивления фронтального контакта добавляет отдельные электрические потери, что приводит к измеренной деградации КПД на 6.72%. Эти результаты служат полезным ориентиром для понимания UVID в TOPCon и повышения долгосрочной надежности фронтальных пассивирующих стопок.
Мнение Ooitech
Ключевой момент заключается в том, что UVID в TOPCon нельзя рассматривать как простую проблему связей Si–H. Химию пассивации, контроль кислородных вакансий и стабильность металлизации необходимо оценивать совместно, особенно при квалификации процессов производства модулей для длительной эксплуатации на открытом воздухе. Бесконтактные измерения IV, EQE и отслеживание PL могут помочь выявить эти потери раньше, не добавляя механических повреждений от контакта все более хрупким конструкциям ячеек.
