Элементы TOPCon в условиях влажного тепла: почему
Содержание
Краткий ответ: TOPCon занял большую часть рынка высокоэффективного кристаллического кремния, и открытый вопрос теперь не в эффективности, а в том, как элемент ведёт себя после нескольких лет эксплуатации в условиях влажного тепла. Стандартный ускоренный тест проводится при 85 °C и 85% относительной влажности — DH85 — который предназначен для того, чтобы влага проникала в инкапсулянт и стек элементов быстрее, чем в полевых условиях. Слоистая структура здесь имеет значение: туннельный оксид толщиной около 10 нм под легированным слоем поликремния достаточно тонок, чтобы химия границы раздела, а не объёмный материал, определяла надёжность. Температуры ламинации около 150 °C и собственная влагопроницаемость инкапсулянта вносят вклад в один и тот же путь отказа. Характеризационные инструменты класса QL200 используются для отслеживания того, что воздействие влажного тепла делает с пассивацией, а не только того, упала ли мощность.
Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech
Введение
TOPCon занял большую часть рынка высокоэффективных c-Si, но долгосрочная надёжность в полевых условиях всё ещё остаётся труднодостижимой целью. Одно слабое место постоянно проявляется в исследованиях влажного тепла: задний пассивирующий стек. Недавнее исследование (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) точно установило, что на самом деле идёт не так, когда соли натрия попадают на поверхность ячейки и находятся при 85°C/85% RH. Кратко — задний слой SiNₓ является уязвимым местом, и тонкая плёнка ALD AlOₓ исправляет большую часть проблемы.
Ключевые выводы сразу
Тыльный слой SiNₓ является слабым местом при влажном тепле. Ацетат натрия (CH₃COONa) снизил тыльное напряжение холостого хода (Voc) на 5,8% и увеличил последовательное сопротивление (Rₛ) на 450%.
Натриевые соли ускоряют поверхностное окисление и потерю азота. XPS показал, что соотношение Si/N на тыльной стороне выросло с 1,3 до 23, а O/N — с 1,6 до 53.
Барьер из Al₂O₃ толщиной 10 нм, нанесенный методом ALD, дал большое преимущество — потеря эффективности преобразования (PCE) при загрязнении CH₃COONa снизилась с 16% до всего 0,4%.
Фронтальная пассивация гораздо прочнее. Многослойная структура AlOₓ/SiOᵧNᵣ блокирует диффузию натрия, поэтому загрязнение там привело к потере PCE 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 формулировке, но сложнее в ответе: почему TOPCon-элементы теряют производительность при влажном тепле в присутствии натриевых солей, и почему тыльная 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. Фронтальный и тыльный стеки построены по-разному — фронтальный состоит из AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, тыльный — из SiNₓ поверх легированного поли-Si — и их коррозионная стойкость никогда не сравнивалась напрямую (Feldmann et al., 2014). Кроме того, считалось, что два распространенных загрязнителя (CH₃COONa и NaCl) ведут себя одинаково, но это не так (Li et al., 2021).
Это важно для реальных денег. Фотоэлектрические станции продаются с обещанием 25-летнего срока службы (Peters et al., 2021), и отказ задней стороны, проявляющийся при повышенной влажности, — именно то, что подрывает это обещание.
Подход
Рабочий процесс был приближен к реальному производственному циклу: промышленные TOPCon-элементы → локальное напыление раствора натриевой соли на фронтальную или тыльную поверхность → ускоренное воздействие влажного тепла (85°C/85% отн. влажности) → электрическая и химическая характеризация → тестирование барьера из AlOₓ, нанесённого методом ALD → выяснение механизма защиты.
Что здесь нового
С теоретической стороны, это первое исследование, указывающее на потерю азота в тыльном слое SiNₓ как основную причину падения Voc. С практической стороны, слой AlOₓ толщиной 10 нм наносится на стандартном промышленном ALD-оборудовании и стоит лишь около 0,01% абсолютной эффективности. А с методологической точки зрения, команда разработала испытание на уровне ячейки, где 20 часов соответствуют нескольким годам outdoor-старения (Sen et al., 2023).
Логическая цепочка легко прослеживается: загрязнение тыльной стороны вызывает резкое падение Voc, что прямо указывает на отказ пассивации. Затем XPS подтверждает реакцию окисления SiNₓ и открываемый ею путь диффузии натрия. Добавьте слой AlOₓ, блокирующий натрий, и PL-визуализация подтверждает подавление дефектов.
Методы
Подготовка образцов
| Позиция | Детали |
|---|---|
| Структура ячейки | n-тип TOPCon. Фронт: эмиттер с борной диффузией + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC. Тыл: SiO₂/фосфор-легированный поли-Si + SiNₓ, ARC |
| Загрязнитель | 0,155 моль/л раствор CH₃COONa или NaCl, 0,3 г на образец, локальное напыление |
| ALD-барьер | 10 нм AlOₓ, осаждение при 150°C (Leadmicro QL200) |
| Влажное тепло | 85°C/85% отн. влажности, 20 часов (климатическая камера ASLi) |
Как это измерялось
Параметры I-V (Pmax, Voc, FF, Jsc) через систему LOANA (pv-tools).
Качество пассивации через эффективное время жизни неосновных носителей (τ_eff).
Химия поверхности через 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 сократил интенсивность PL на 37,3% (Рис. 3a). Та же обработка на фронтальной стороне стоила только 0,87% PCE. Та же соль, но совершенно разный результат в зависимости от того, на какую сторону она попадает.
Химическое разложение пассивации
XPS на тыльной поверхности показал резкий рост доли связи Si-O (Рис. 5b), при этом атомное отношение O/N выросло с 1,6 в контрольной группе до 53 в группе с CH₃COONa. Механизм — потеря азота: влажное тепло гидролизует SiNₓ и разрушает пассивацию поверхности.
Что делает барьер AlOₓ
С барьером из AlOₓ толщиной 10 нм, нанесенным методом ALD, потеря PCE при загрязнении тыльной стороны CH₃COONa снизилась с 16% до 0,4%, а Voc остался стабильным (Рис. 6a). SEM-EDS показал снижение содержания натрия на 86% в образцах с AlOₓ (Рис. 6c), а PL не выявил активации дефектов (Рис. 6b). Барьер делает именно то, что нужно — не пропускает 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 потерю PCE при DH85 ниже 1% (Рис. 6a). А фронтальный многослойный барьер AlOₓ/SiOᵧNᵣ по своей природе устойчив к коррозии, поэтому загрязнение там почти не влияет на характеристики.
Почему это полезно
Барьер AlOₓ можно напрямую внедрить в массовое производство TOPCon на таких установках, как Leadmicro QL200. В более долгосрочной перспективе сочетание AlOₓ с SiNₓ в герметизации двухстекольных модулей может продлить срок службы электростанций во влажных регионах.
Немного предыстории
Структура TOPCon: туннельный оксид (SiO₂) плюс легированный поликремниевый пассивирующий контакт, который снижает рекомбинацию на металле (Feldmann et al., 2014).
ALD: послойный рост нанопленки, обеспечивающий равномерное покрытие AlOₓ нанометровой толщины.
Тестирование DH: ускоренное старение при 85°C/85% относительной влажности для имитации деградации модулей во влажном климате.
Пассивация SiNₓ: гидрированный нитрид кремния, хорош для антиотражения и пассивации поверхности, но содержит оборванные связи и легко гидролизуется.
Ссылки
Tong H. и др., Mitigating contaminant-induced degradation in TOPCon solar cells via ALD AlOₓ barrier, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188
Feldmann F. и др., Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.
Li X. и др., Ускоренные испытания TOPCon-ячеек на воздействие влажного тепла с использованием NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.
Peters I.M. и др., Ценность стабильности в фотовольтаике, Joule 5 (2021) 3137–3153.
Мнение Ooitech
Что здесь бросается в глаза, так это то, насколько большая часть истории надежности связана с задним пассивирующим стеком, а не с заголовком конструкции ячейки. На реальной линии дополнительный шаг 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 комплексные линии по производству модулей под ключ, поэтому внимательно следим за подобными результатами — небольшие корректировки процесса на ранних этапах часто определяют, выдержит ли завод 25 лет. Если хотите узнать больше о производстве, канал Ooitech на YouTube (www.youtube.com/ooitech) стоит подписаться.
