UVID в солнечных элементах TOPCon: бесконтактное IV-тестирование отслеживает деградацию пассивации и потерю эффективности на 6,72%
Содержание
Введение
TOPCon солнечные элементы теперь доминируют на рынке фотоэлектрических систем благодаря сильной пассивации поверхности и селективным контактам. Но эксплуатация на открытом воздухе выявляет реальное слабое место: УФ-индуцированную деградацию, или UVID. После облучения UV60 эффективность падает на целых 6,72%.
Большинство более ранних работ объясняли UVID разрывом Si–H связей высокоэнергетическими фотонами и высвобождением свободного водорода. Это лишь часть истории. Солнечный УФ-спектр охватывает широкий диапазон энергий 3,1–4,43 эВ, поэтому его взаимодействие с передними слоями выходит далеко за рамки одного пути разрыва Si–H. И передний стек Al₂O₃ / SiNₓ гораздо слабее против УФ, чем тыльная сторона.
Бесконтактный IV-тестер здесь очень помогает. Он неразрушающий, не требует расходных материалов, работает на миллисекундной скорости, совместим с BC и бесшинными конструкциями, и получает параметры IV, EQE и PL за один проход.
В этом исследовании используются ToF-SIMS и послойный XPS для отслеживания распределения элементов и изменений химических связей в слоях Al₂O₃ / SiNₓ до и после UV60. Результат: разрыв N–H связей является вторым источником водорода наряду с Si–H. Связи Al–O в аморфном Al₂O₃ разрываются под действием УФ и генерируют большое количество кислородных вакансий. Механизмы водорода и кислорода накладываются друг на друга и усиливают поверхностную рекомбинацию, что дает четкое направление для повышения надежности пассивации.
Метод эксперимента
(a) Схема структуры TOPCon солнечного элемента (b) симметричный образец передней структуры (c) симметричный образец тыльной структуры
Были подготовлены симметричные образцы передней структуры (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) и симметричные образцы тыльной структуры (со слоем SiOₓ/n⁺-poly-Si). УФ-старение проводилось на уровне модуля. Источник света был в основном УФ-А с примерно 11% УФ-В, при 60°C и влажности 30%.
Спектральная облученность источника УФ-света
Передняя и тыльная структура: сравнение УФ-стойкости
Изменения (a) τeff при концентрации инжекционных носителей 1×10¹⁵ см⁻³, (b) iVoc и (c) односторонней J₀ для симметричных образцов передней и тыльной структуры во время УФ-облучения
Симметричная тыльная структура почти не деградировала после 60 кВт·ч·м⁻² УФ-облучения. Её слой поли-Si толщиной 120 нм поглощает почти весь УФ-свет и обеспечивает эффективную защиту.
Фронтальная структура показала другую картину. τeff упал с 2895,6 мкс до 1552,8 мкс. iVoc снизился с 735,5 мВ до 715,2 мВ. Односторонний J₀ вырос до 18,4 фА·см⁻², примерно в три раза превысив исходное значение. Пассивация Al₂O₃ / SiNₓ сильно деградировала.
Эволюция химического состава
Профили интенсивности по глубине (a) водорода и (b) кислорода в полированном симметричном образце с фронтальной структурой до и после УФ60, измеренные методом ToF-SIMS
ToF-SIMS показывает, что концентрация водорода после УФ-облучения заметно возрастает, особенно внутри слоя SiNₓ. Профилирование по глубине методом XPS N 1s показывает, что на границе раздела SiNₓ / Al₂O₃ доля связи N–H снизилась с 9,64% до 5,97%. Таким образом, разрыв связи N–H является вторым источником водорода помимо Si–H. Освободившийся водород диффундирует к поверхности слоя SiNₓ и рекомбинирует там с кремнием, поэтому доля N–H вблизи этой поверхности фактически возрастает.
Кислород играет не менее важную роль. Содержание кислорода в слое Al₂O₃ незначительно снизилось, тогда как на границах SiNₓ/Al₂O₃ и Al₂O₃/Si оно увеличилось. Это указывает на разрыв связей Al–O и миграцию свободного кислорода наружу. Энергия связи Al–O в идеальном кристалле составляет около 5,3 эВ. Однако в аморфном Al₂O₃ недостаточно координированные ионы алюминия и кислородные вакансии захватывают электроны и приобретают отрицательный заряд, снижая энергию активации разрыва соседних связей Al–O примерно до 2,4 эВ. Это означает, что УФ-свет с длиной волны 400 нм (3,1 эВ) достаточен для их разрыва.
Спектры XPS N 1s с профилированием по глубине на различных границах раздела слоя Al₂O₃/SiNₓ до и после УФ60 с подобранными кривыми для связей N–Si (397,5 эВ) и N–H (399,5 эВ)
XPS O 1s показывает превращение решёточного кислорода (OI) в кислородные вакансии (OII). В спектрах Al 2p доля Al₂O₃ снизилась с 69,99% до 60,36%, тогда как Al–OH выросла с 30,01% до 39,64%. В спектрах Si 2p увеличилось содержание Si²⁺, тогда как кремний с более высокой валентностью снизился. Электроны, высвобождающиеся при образовании кислородных вакансий, восстанавливают кремний из высших степеней окисления. В совокупности эти изменения в связях кислорода, алюминия и кремния показывают, что качество плёнки Al₂O₃ уже пострадало.
Деградация электрических характеристик
Кривые EQE и отражения солнечного элемента TOPCon до и после УФ60
Изменение удельного контактного сопротивления фронтальной стороны солнечного элемента TOPCon во время облучения УФ60
Отражательная способность практически не изменилась после УФ60. EQE показал умеренное снижение в коротковолновой области ниже 500 нм, что соответствует более сильной рекомбинации на фронтальной поверхности. Контактное удельное сопротивление фронтальной стороны росло почти линейно с дозой УФ, достигнув 4,1 мОм·см², что примерно в 8,6 раза выше. Причина: свободный водород и кислород, образующиеся в пассивирующем слое, диффундируют к границе раздела электрода и участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. УФ также превращает молекулы воды на поверхности серебра в гидроксильные радикалы, и вместе они разъедают металлический электрод.
Скорости деградации электрических характеристик при воздействии УФ60: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff
Voc снизился на 3,46% относительно, из-за деградации пассивации фронтальной поверхности и роста J₀. FF упал на 2,82%, из-за увеличения контактного удельного сопротивления фронтальной стороны. Jsc снизился всего на 0,64%, поскольку потери EQE в коротковолновой области были ограничены. Итоговая потеря эффективности фотоэлектрического преобразования составила 6,72%.
Заключение
Фронтальная структура SiNₓ/Al₂O₃ элементов TOPCon значительно слабее к УФ, чем тыльная структура. Под воздействием УФ связи Si–H и N–H разрываются последовательно и высвобождают свободный водород. Связи Al–O в аморфном Al₂O₃ разрываются под УФ, высвобождая свободный кислород и создавая большое количество кислородных вакансий. Al₂O₃ превращается в Al–OH, а валентность кремния смещается. Эти два механизма деградации — водородный и кислородный — накладываются друг на друга и усиливают поверхностную рекомбинацию. Добавьте резкий рост контактного удельного сопротивления фронтальной стороны, и в результате получается потеря эффективности 6,72%. Эта работа дает полезную основу для понимания UVID в TOPCon и для повышения долгосрочной надежности пассивирующих слоев.
Мнение Ooitech
UVID продолжает доказывать, что фронтальный стек — это то, где надежность действительно подвергается испытанию, поэтому то, как вы строите и контролируете осаждение и инкапсуляцию SiNₓ/Al₂O₃ на линии модулей, имеет такое же значение, как и рецептура ячейки. На наших линиях модулей TOPCon и PERC под ключ мы видим тот же урок на этапах укладки, ламинации и EL: небольшие технологические решения определяют, будут ли панели выдерживать на открытом воздухе годами. Если вы хотите больше практических взглядов с производственного цеха, канал Ooitech на YouTube по адресу www.youtube.com/ooitech стоит подписаться.
