Фронтальная пленка SiNx для TOPCon побеждает с большим отрывом: на 3-4 Вт больше мощности модуля
Содержание
Краткий ответ: Толщина фронтального плёночного нитрида кремния на TOPCon-элементе оказывается способной дать измеримую мощность модуля. Сравнение линий между двумя группами элементов с разными рецептами фронтальной плёнки дало разницу в выходной мощности модуля от 3 Вт до 4 Вт, при этом лучший рецепт дал прирост около 2,8 Вт. SiNx работает и как антиотражающее покрытие, и как источник водородной пассивации, и эти две задачи тянут оптимальную толщину в разные стороны: слишком тонкая — и отражение растёт, слишком толстая — и оптическое поведение и пассивация плёнки меняются. Рассматриваемые рецепты находились в диапазоне от 15 нм до 45 нм, при этом несколько слоёв были между 20 нм и 30 нм. Поскольку слой в любом случае осаждается на одном и том же этапе PECVD, прирост не требует затрат на оборудование — это изменение рецепта, поэтому оптимизация фронтальной плёнки является одним из самых дешёвых оставшихся рычагов повышения эффективности на TOPCon-линии.
Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech
Введение в продукт
Вы провели сравнение на линии. Две группы TOPCon ячеек, разные рецептуры фронтальной плёнки.
Группа градиентной пленки: градиентный стек SiNx/SiOxNy/SiOx (с слоями SiOx/SiOxNy с низким показателем преломления)
Группа чистого SiNx: чистый многослойный SiNx
Результат оказался обратным.
Уровень ячеек: градиентная группа была на 0.05%-0.1% выше по эффективности, чем группа чистого SiNx. На ячейке градиентная пленка явно выглядела лучше.
Уровень модуля: после ламинации в 66-ячеечные модули 210×210, группа чистого SiNx фактически была на 3-4 Вт выше по мощности (измерено на линии).
"Группа с более низкой эффективностью ячеек в итоге получила более высокую мощность модуля." Отдел качества постоянно спрашивал почему, и нельзя просто ответить "выигрыш при упаковке".
Эта статья использует одну солидную научную работу, чтобы объяснить эту контринтуитивную оптическую математику.
Технические параметры
Эффективность ячейки ≠ мощность модуля. Между ними стоит ламинация.
Запомните одну вещь: эффективность ячейки и мощность модуля — это не простое умножение.
Используя 66-ячеечный модуль TOPCon 210×210 с ячейками класса 25.7% в качестве базового, данные линии показывают, что разрыв в эффективности ячеек в 0.1% соответствует примерно 2.8 Вт мощности модуля. По этому коэффициенту:
| Сравнение | Разрыв на уровне ячеек | Ожидаемый разрыв модуля | Измеренный результат модуля |
|---|---|---|---|
| Градиентная пленка против чистого SiNx | +0.05%-0.1% (градиентная выше) | +1.4-2.8 Вт (градиентная должна выиграть) | Чистый SiNx +3-4 Вт (обратный результат) |
Направление полностью перевернулось. Преимущество на уровне ячеек было потеряно при ламинации.
Мощность модуля — это не прямое умножение эффективности ячейки. Стекло, инкапсулянт и задняя пленка даёт выигрыш в оптической связи (положительный), но также несоответствие токов и потери на распределение (отрицательный). Итог — измеренная мощность. Разные антиотражающие рецептуры дают совершенно разные итоги после ламинации, и это корень «проигрыша на ячейке, выигрыша на модуле».
Этот механизм уже был установлен Zhang et al. 2019 (Energies, DOI:10.3390/en12061168) на платформе PERC, подтверждено симуляцией SunSolve и измерениями модуля.
Технические преимущества
Одна статья по PERC ясно объясняет инверсию
Zhang 2019 исследовал фронтальное трехслойное антиотражающее покрытие на моно-PERC. Первые два слоя оставались фиксированными SiNx (20нм/45нм). Менялся только третий слой.
План A: третий слой 15нм SiNx (показатель преломления 1.99)
План B3: третий слой 30нм SiOx (показатель преломления 1.46)
Используя оптическую симуляцию SunSolve (включая пирамидальную текстуру), они рассчитали средневзвешенное отражение WAR (300-1100нм):
| План | Третий слой | WAR (300-1100нм) |
|---|---|---|
| A | 15нм SiNx | 3.12% |
| B3 | 30нм SiOx | 2.78% |
| B5 | 50нм SiOx | 2.46% (толще, ниже) |
На уровне ячейки B3 отражает меньше, чем A, измеренный Isc выше на 62мА, КПД 21.50% против 21.35% (+0.15% абс.). Пленка с низкопреломляющим слоем SiOx просто выигрывает на ячейке.
Но на уровне модуля график переворачивается. Раздел 3.3 говорит прямо:
«Поскольку инкапсулянт EVA поглощает коротковолновый свет, спектральное преимущество ячейки с 30нм SiOx частично маскируется... выигрыш мощности модуля составляет всего 0.9Вт... добавление SiOx в модуль сократило выигрыш на уровне ячейки на 57%».
Конкретика:
Коэффициент CTM: 30нм SiOx 96.1% против 15нм SiNx 96.5%. У SiOx он фактически ниже.
Преимущество +0.15% на уровне ячейки потеряло 57% своего выигрыша после ламинации.
Выигрыш мощности модуля всего 0.9W.
Это объяснение на уровне ячеек для вашего случая. Градиентная группа (с низкопреломляющими слоями SiOx/SiOxNy, как у Zhang's B3) выигрывает 0.05-0.1% на уровне ячеек за счет антиотражения в коротковолновой области. Но после ламинации EVA поглощает коротковолновый свет <380nm, коротковолновый край градиентной группы подавляется, CTM падает, и при том же классе эффективности чистая группа SiNx ее обгоняет.
Применение продукта
Где разрыв и насколько он велик
① На уровне ячеек: градиентная группа выигрывает 0.05%-0.1%, примерно 1.4-2.8W
По базовой линии 66-ячеечной 210 TOPCon (0.1% эффективности ячейки ≈ 2.8W мощности модуля), градиентная группа на 0.05%-0.1% выше на уровне ячеек, что должно означать 1.4-2.8W выше на модуле.
② На уровне модуля: чистая SiNx на самом деле выше на 3-4W (измерено на линии)
Измерено, мощность модуля чистой группы SiNx на 3-4W выше, чем у градиентной группы. Добавив небольшое преимущество на уровне ячеек, это означает, что чистая группа SiNx вносит 4.4-6.8W больше только на этапе упаковки. По сравнению с базовой линией 720W, это разница в выигрыше от упаковки на 0.61%-0.94%.
③ Подтверждение из литературы: "сокращение на 57%" Zhang 2019 (платформа PERC)
Результаты Zhang на PERC хорошо согласуются: пленка с третьим слоем SiOx выигрывает +0.15% на уровне ячеек, но после ламинации выигрыш сокращается на 57%, а коэффициент CTM падает на 0.4 пункта.
В пересчете на 66-ячеечную 210 TOPCon, преимущество 0.1% на уровне ячеек после ламинации оставляет только около 0.04%, и модуль вполне может инвертироваться. Тот же источник, та же причина, что и ваш результат на линии "чистая SiNx выше на 3-4W".
④ Почему градиентная группа отстает на уровне модуля?
Градиентная пленка с SiOx/SiOxNy имеет основное преимущество в антиотражении в коротковолновой области 300-500nm. Но именно этот диапазон сильнее всего поглощается стеклом и EVA в модуле. Коротковолновый край градиентной пленки напрямую съедается упаковочными материалами. Между тем, чистая многослойная SiNx эффективно работает в основной области >400nm от видимого до ближнего инфракрасного (остается эффективной после ламинации, где квантовый отклик кремния выше), поэтому она дает больше выгоды на уровне модуля.
Внедрение на линию: не судите только по эффективности ячеек
① Можно ли запустить это на линии сейчас?
Оба могут. Чистый многослойный SiNx — это зрелый путь. Градиентная плёнка (SiNx/SiOxNy/SiOx) также может быть выполнена на трубчатом PECVD, просто добавляется ещё один слой покрытия плюс ещё один шаг контроля соотношения N/O и согласования толщины трёх слоёв.
Недавно в отрасли TOPCon вновь продвигают подход «многослойный SiNx на фронтальной плёнке» для замены процесса «многослойный нитрид-оксид на фронтальной плёнке». Данные, которые вы видели, — это подтверждение этой тенденции на уровне линий. Дело не в том, что градиентная плёнка плоха, а в том, что она не прошла испытание ламинацией.
② Стоит ли оно того?
Зависит от того, как считать. Если смотреть только на эффективность ячейки, градиентная плёнка выглядит на 0,05–0,1% привлекательнее. Но на уровне модуля чистый многослойный SiNx выигрывает на 3–4 Вт, а при текущей цене за ватт для модулей TOPCon это реальный запас для премии.
Выбор фронтальной плёнки должен основываться на двух показателях: эффективность ячейки плюс выигрыш при упаковке. Не смотрите только на одно число на уровне ячейки, иначе вы окажетесь как группа с градиентной плёнкой: выиграете по ячейке, но потеряете по модулю.
③ Стабильно ли это?
Это нужно проверять отдельно. Обе плёнки многослойные, и долгосрочная надёжность (стабильность плёнки при влажном тепле, совместимость с разными инкапсулянтами) должна быть измерена. Более ранние работы команды Hoex из UNSW уже показали, что TOPCon чрезвычайно чувствителен к составам инкапсулянтов. Просветляющая плёнка и инкапсулянт связаны. Если меняете покрытие, выбор инкапсулянта, возможно, придётся скорректировать.
Совет для работников линии: при сравнении двух процессов фронтальной плёнки не сравнивайте только эффективность ячейки. Разрыв в 0,05–0,1% на уровне ячейки выглядит малым, но модуль может инвертироваться на несколько ватт. Измеряйте и эффективность ячейки, и мощность модуля, особенно для высококлассных модулей, стремящихся к премии за класс мощности.
Ограничения: о чём статья умалчивает
Zhang 2019 — это доказательства на платформе PERC, а не TOPCon. Но оптика фронтального просветления имеет общее происхождение: EVA поглощает коротковолновый свет, плёнки SiOx теряют коротковолновую границу, CTM падает. Это общее правило оптики упаковки, и фронтальная плёнка TOPCon следует ему. Этот случай на линии — TOPCon, направление совпадает со статьёй. Рекомендуем повторить это на вашей собственной линии с EQE-спектральной характеристикой плюс раздельным измерением отражения до и после ламинации.
Механизм — это вывод данной статьи, а не окончательный вердикт. Физическое объяснение того, что "чистый многослойный SiNx имеет более высокий прирост при упаковке" (эффективный спектр обрезан + низкое паразитное поглощение), требует данных спектральной характеристики EQE и разделения отражения/поглощения до и после ламинации, чтобы точно установить. Этот материал дает физическую основу и направление. Какой диапазон доминирует и откуда берется паразитное поглощение, ожидает данных линейчатого спектра.
Разрыв в приросте упаковки 0,61%-0,94% является оценкой порядка величины, рассчитанной обратно из 3-4 Вт и 0,05-0,1%. Разные инкапсулянты (EVA/POE/EPE) и разное стекло (с покрытием/без покрытия) изменят это число.
Двусторонние модули и инкапсулянт с УФ-отсечкой дополнительно изменяют использование коротковолнового излучения. Разрыв между двумя группами может перераспределиться в сценарии с двустекольным модулем и пропусканием УФ.
Резюме
Те же ячейки TOPCon, градиентная группа выигрывает 0,1% на уровне ячейки, а после упаковки теряет 4 Вт. Разница не только в эффективности, а в том, что экзамен, на котором находится антиотражающая пленка, изменился на этапе модуля.
Экзамен ячейки проверяет полный спектр коротковолнового излучения, и градиентная группа отвечает хорошо. Экзамен модуля проверяет эффективный спектр после упаковки, и группа чистого SiNx переворачивает ситуацию.
Та статья 2019 года по PERC уже говорила об этом: поместите SiOx в модуль, и прирост на уровне ячейки сократится на 57%. Инверсия 3-4 Вт, измеренная на линии, соответствует выводу статьи по направлению.
При выборе передней пленки не позволяйте этому единственному числу эффективности ячейки задавать темп. Учитывайте прирост упаковки в общей сумме.
Мнение Ooitech
Разрыв между ячейкой и модулем здесь — именно та ловушка, на которую мы обращаем внимание при передаче линии модулей. Покрытие, которое блестит на ячейке, может тихо терять ватты, когда сверху добавляются стекло и EVA, поэтому мы всегда говорим клиентам фиксировать выбор антиотражения на основе реальных данных CTM, а не лабораторной эффективности. Поскольку Ooitech строит только линии производства модулей, эта связь ячейка-модуль — именно то, где наша работа по ламинации и обучению процессу действительно окупается. Если вы хотите увидеть, как эти выборы проявляются на работающей линии TOPCon, на канале Ooitech YouTube (www.youtube.com/ooitech) есть много заводских видео, на которые стоит подписаться.
