TOPCon-ячейки во влажном тепле: почему задняя сторона выходит из строя первой
Содержание
Введение
TOPCon занял большую часть рынка высокоэффективных кристаллических кремниевых солнечных элементов, но долгосрочная надежность в полевых условиях остается нерешенной проблемой. Одно слабое место постоянно проявляется в исследованиях влажного тепла: задний пассивирующий слой. Недавнее исследование (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) выявило, что именно происходит, когда соли натрия попадают на поверхность элемента и находятся при 85°C/85% относительной влажности. Краткая версия — задний слой SiNₓ является уязвимым местом, и тонкая пленка ALD AlOₓ решает большую часть проблемы.
Основные результаты
Задний слой SiNₓ является слабым местом при воздействии влажного тепла. Ацетат натрия (CH₃COONa) снизил заднее напряжение холостого хода (Voc) на 5,8% и увеличил последовательное сопротивление (Rₛ) на 450%.
Соли натрия ускоряют окисление поверхности и потерю азота. XPS показал, что атомное отношение Si/N на задней стороне выросло с 1,3 до 23, а O/N — с 1,6 до 53.
Барьер из ALD Al₂O₃ толщиной 10 нм показал значительное улучшение — потери КПД при загрязнении CH₃COONa снизились с 16% до всего 0,4%.
Передняя пассивация гораздо более устойчива. Многослойная структура AlOₓ/SiOᵧNᵣ блокирует диффузию натрия, поэтому загрязнение там привело к потере КПД всего на 0,87%.
Два загрязнителя действуют по-разному: ацетат натрия атакует металлический контакт, а хлорид натрия (NaCl) в основном окисляет пассивирующий слой.
Предыстория
Основной вопрос прост в постановке, но сложен в ответе: почему TOPCon элементы теряют производительность во влажном тепле в присутствии солей натрия, и почему задняя пассивация страдает сильнее (Kyranaki et al., 2022)?
Где пробелы
Большинство предыдущих работ было сосредоточено на коррозии металлических контактов (Iqbal et al., 2023), но никто систематически не изучал химическое разрушение самого пассивирующего слоя. Передняя и задняя структуры построены по-разному — передняя состоит из AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, задняя — из SiNₓ поверх легированного поли-Si — и их коррозионная стойкость никогда не сравнивалась напрямую (Feldmann et al., 2014). Кроме того, два распространенных загрязнителя (CH₃COONa и NaCl) считались ведущими себя одинаково, но это не так (Li et al., 2021).
Правильное понимание этого важно для реальных денег. Фотоэлектрические станции продаются с обещанием срока службы 25 лет (Peters et al., 2021), и отказ задней стороны, проявляющийся при повышенной влажности, — это именно то, что сокращает этот срок.
Подход
Рабочий процесс был максимально приближен к реальному производственному процессу: промышленные TOPCon-элементы → локальное распыление соли натрия на переднюю или заднюю поверхность → ускоренное воздействие влажного тепла (85°C/85% отн. вл.) → электрическая и химическая характеристика → тестирование барьера из ALD AlOₓ → выяснение механизма защиты.
Что нового
С теоретической стороны, это первое исследование, указывающее на потерю азота в заднем слое SiNₓ как основную причину падения Voc. С практической стороны, слой AlOₓ толщиной 10 нм наносится на стандартном промышленном ALD-оборудовании и стоит всего около 0,01% абсолютной эффективности. А методологически команда разработала тест DH на уровне ячейки, где 20 часов соответствуют нескольким годам старения на открытом воздухе (Sen et al., 2023).
Логическая цепочка легко прослеживается: загрязнение задней стороны вызывает резкое падение Voc, что указывает на отказ пассивации. Затем XPS подтверждает реакцию окисления SiNₓ и открывающийся путь диффузии натрия. Добавьте слой AlOₓ, блокирующий натрий, и PL-изображения подтверждают подавление дефектов.
Методы
Подготовка образцов
| Пункт | Детали |
|---|---|
| Структура ячейки | n-тип TOPCon. Передняя сторона: эмиттер с диффузией бора + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC. Задняя сторона: SiO₂/фосфор-легированный поли-Si + SiNₓ, ARC |
| Загрязнитель | 0,155 моль/л раствор CH₃COONa или NaCl, 0,3 г на образец, локальное распыление |
| ALD-барьер | 10 нм AlOₓ, осажденный при 150°C (Leadmicro QL200) |
| Влажное тепло | 85°C/85% отн. вл., 20 часов (камера климатическая ASLi) |
Как измерялось
I-V параметры (Pmax, Voc, FF, Jsc) с помощью системы LOANA (pv-tools).
Качество пассивации через эффективное время жизни неосновных носителей (τ_eff).
Химия поверхности с помощью XPS и SEM-EDS.
Результаты и обсуждение
Электрическая деградация
Тыльная сторона явно является чувствительной. CH₃COONa на тыльной стороне снизил Voc на 5,8%, увеличил Rₛ на 450% (Таблица 1) и уменьшил интенсивность PL на 37,3% (Рис. 3a). Та же обработка на лицевой стороне привела к потере всего 0,87% PCE. Одна и та же соль, но совершенно разные результаты в зависимости от того, на какую поверхность она попадает.
Химическое разрушение пассивации
XPS на тыльной поверхности показал резкое увеличение доли связей Si-O (Рис. 5b), при этом атомное отношение O/N выросло с 1,6 в контрольном образце до 53 в группе с CH₃COONa. Механизм заключается в потере азота — влажное тепло гидролизует SiNₓ и разрушает поверхностную пассивацию.
Что делает барьер AlOₓ
С 10-нм слоем ALD AlOₓ потери PCE при загрязнении тыльной стороны CH₃COONa снизились с 16% до 0,4%, а Voc остался неизменным (Рис. 6a). SEM-EDS показал снижение содержания натрия на 86% в образцах с AlOₓ (Рис. 6c), а PL не показал активации дефектов (Рис. 6b). Барьер делает именно то, что нужно — удерживает натрий.
Заключение
Основные выводы
Тыльный слой SiNₓ гидролизуется и окисляется под воздействием влажного тепла и натриевой соли, что приводит к снижению Voc и увеличению Rₛ (подтверждено XPS/EDS, Рис. 4-5). Слой AlOₓ толщиной 10 нм блокирует диффузию натрия и удерживает потери PCE при DH85 ниже 1% (Рис. 6a). А лицевой многослойный AlOₓ/SiOᵧNᵣ обладает внутренней коррозионной стойкостью, поэтому загрязнение там практически не проявляется.
Почему это полезно
Барьер AlOₓ может быть напрямую внедрен в массовое производство TOPCon на оборудовании, таком как Leadmicro QL200. В более отдаленной перспективе сочетание AlOₓ с SiNₓ в двухстекольной герметизации модулей может продлить срок службы электростанций во влажных регионах.
Немного предыстории
Структура TOPCon: туннельный оксид (SiO₂) плюс легированный поли-Si пассивирующий контакт, который снижает рекомбинацию на металле (Feldmann et al., 2014).
ALD: послойный рост нанопленок, обеспечивающий равномерное покрытие AlOₓ нанометрового масштаба.
DH-тестирование: ускоренное старение при 85°C/85% относительной влажности для имитации деградации модулей во влажном климате.
Пассивация SiNₓ: гидрированный нитрид кремния, хорош для антиотражения и поверхностной пассивации, но содержит оборванные связи и легко гидролизуется.
Ссылки
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.
Мнение Ooitech
Что здесь примечательно, так это то, насколько много в истории надежности связано с задним пассивирующим слоем, а не с заголовком конструкции ячейки. На реальной производственной линии дополнительный слой ALD AlOₓ толщиной 10 нм — это дешевая страховка для проектов во влажном климате, и он легко вписывается в стандартное производство модулей без особых хлопот. Мы строим модульные линии под ключ от начала до конца, поэтому внимательно следим за такими результатами — небольшие изменения в процессе на ранних этапах часто определяют, выдержит ли завод 25 лет. Если хотите узнать больше с производственного цеха, канал Ooitech на YouTube (www.youtube.com/ooitech) стоит подписаться.
