UVID в солнечных элементах TOPCon: бесконтактное IV-тестирование

Краткий ответ: Исследование UVID на элементах TOPCon использует бесконтактное тестирование IV, поскольку деградация развивается со временем экспозиции, и само измерение не должно изменять то, что измеряется. Контактное измерение IV на элементе незначительно повреждает металлизацию, что накапливалось бы при повторных измерениях и делало бы кривую деградации нечитаемой. Бесконтактные методы считывают элемент оптически, поэтому один и тот же образец можно отслеживать в течение последовательности УФ-экспозиции. Условия стресса в этой работе используют УФ-экспозицию при 60 °C в спектральных диапазонах 120 нм, 400 нм и 500 нм, образцы обозначены UV60. Преимущество TOPCon перед более ранними архитектурами обусловлено его пассивацией поверхности и селективностью носителей, и UVID — это механизм, который атакует именно эти свойства, поэтому его отслеживают отдельно от характеристики влажного тепла.

Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech

Введение

TOPCon солнечные элементы сейчас доминируют на рынке фотоэлектрических систем благодаря сильной пассивации поверхности и селективным по носителям контактам. Но работа на открытом воздухе выявляет реальное слабое место: УФ-индуцированную деградацию, или UVID. После УФ60-облучения эффективность падает вплоть до 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 поверхностными слоями выходит далеко за рамки одного пути разрыва Si–H. И фронтальный 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 замер.

В этом исследовании используются ToF-SIMS и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия с профилированием по глубине 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.

Методика эксперимента

(a) Схема структуры TOPCon солнечного элемента (b) симметричный образец фронтальной структуры (c) симметричный образец тыльной структуры

Были подготовлены симметричные образцы фронтальной 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

Фронтальная и тыльная структура: сравнение УФ-стойкости

Изменения (a) τeff при концентрации инжектированных носителей 1×10¹⁵ см⁻³, (b) iVoc и (c) односторонней J₀ для симметричных образцов фронтальной и тыльной структуры во время УФ-облучения

Симметричная тыльная структура почти не деградировала после воздействия УФ-излучения в количестве 60 кВт·ч·м⁻². Её слой поли-Si толщиной 120 нм поглощает почти весь УФ-свет и обеспечивает эффективную защиту.

Фронтальная структура показала другую картину. τeff снизился с 2895,6 мкс до 1552,8 мкс. iVoc упал с 735,5 мВ до 715,2 мВ. Односторонняя J₀ выросла до 18,4 фА·см⁻², что примерно в три раза превышает 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 заметно возрастает после УФ-облучения, особенно внутри слоя SiNₓ. Профилирование по глубине методом XPS N 1s показывает, что на границе раздела SiNₓ / Al₂O₃ доля связей N–H снизилась с 9,64% до 5,97%. Таким образом, разрыв связей 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) способен разрывать эти связи.

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 доля Al–OH выросла с 30,01% до 39,64%. В спектрах Si 2p содержание Si²⁺ увеличилось, а содержание кремния в более высоких степенях окисления снизилось. Электроны, высвобождающиеся при образовании кислородных вакансий, восстанавливают кремний из более высоких степеней окисления. В совокупности эти изменения в связях кислорода, алюминия и кремния показывают, что качество плёнки Al₂O₃ уже ухудшилось.

Деградация электрических характеристик

Кривые EQE и отражения солнечного элемента TOPCon до и после УФ60

Изменение удельного контактного сопротивления фронтальной стороны солнечного элемента TOPCon в процессе воздействия 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-излучения, 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 с электродом 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 TOPCon-элементов значительно слабее к УФ-излучению, чем тыльная структура. Под воздействием УФ связи Si–H и N–H последовательно разрываются и высвобождают свободный водород. Связи Al–O в аморфном Al₂O₃ разрываются под действием 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 рекомбинацию на поверхности. 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 место, где надежность действительно проходит испытание, поэтому то, как вы строите и контролируете осаждение и инкапсуляцию SiNₓ/Al₂O₃ на линии модулей, имеет такое же значение, как и рецептура ячеек. 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 внешние условия в течение многих лет. Если вы хотите больше практических взглядов с производственного цеха, канал Ooitech на YouTube по адресу www.youtube.com/ooitech стоит подписаться.

Похожие: TOPCon UVID и разделение на r-UVID / ir-UVID объясняет, почему один и тот же модуль считывается по-разному в зависимости от того, когда выполняется измерение.

Дополнительные материалы и справочные данные

Публичные справочные материалы по этой теме, опубликованные организациями, которые поддерживают технологическую дорожную карту и рыночные данные отрасли:

• Fraunhofer ISE — Отчёт по фотовольтаике
• Министерство энергетики США — Фотовольтаика
• VDMA — Международная технологическая дорожная карта по фотовольтаике (ITRPV)