TOPCon Cell UVID Study: Sinusubaybayan ng Non-Contact IV Testing
Talaan ng Nilalaman
Mabilis na sagot: UVID, ultraviolet-induced degradation, ay isang reliability mechanism sa TOPCon cells na hindi nakikita ng mga karaniwang power measurement dahil unti-unti itong lumalala sa ilalim ng ilaw sa halip na agad na pagbaba. Ginagamit ang non-contact IV testing upang subaybayan ito: sinusukat ang cell nang hindi hinahawakan ang metallisation, kaya ang parehong cell ay maaaring paulit-ulit na masukat sa isang accelerated exposure nang hindi nagdudulot ng contact damage na makakagulo sa resulta. Ang mga stress condition sa pag-aaral na ito ay may kinalaman sa UV exposure sa 60 °C, na may mga pagsukat sa mga spectral range malapit sa 120 nm, 400 nm at 500 nm, gamit ang mga sample set na may label na UV60. Ang halaga ng non-contact measurement ay ginagawa nitong curve na maaaring subaybayan ang UVID mula sa isang destructive end-of-test observation, na siyang nagpapahintulot na masuri ang isang process change sa halip na tanggapin o tanggihan lamang.
PV Module Manufacturing · ni Jerry, Ooitech
TOPCon Cell UVID at Non-Contact IV Testing
Ang mga TOPCon solar cells ay nakakuha ng nangungunang posisyon sa photovoltaic market dahil sa kanilang malakas na surface passivation at carrier-selective contacts. Gayunpaman, ang outdoor operation ay naglalantad sa kanila sa ultraviolet-induced degradation, o UVID. Sa pag-aaral na ito, bumaba ang conversion efficiency ng 6.72% pagkatapos ng UV60 exposure.
Mas naunang mga gawa ay madalas na iniuugnay ang UVID pangunahin sa high-energy photons na sumisira sa Si–H bonds at naglalabas ng mobile hydrogen. Ang solar ultraviolet spectrum ay sumasaklaw sa mas malawak na photon-energy range na 3.1–4.43 eV, kaya ang interaksyon nito sa front-surface materials ay hindi maipapaliwanag ng Si–H bond breaking lamang. Ang front Al₂O₃/SiNₓ stack ay nagpapakita rin ng mas mahinang UV resistance kaysa sa rear-side structure.
Ang Millennial Solar non-contact IV tester ay nagbibigay ng non-destructive testing na walang consumables at may millisecond-level na bilis ng pagsukat. Ito ay compatible sa back-contact at busbarless cell designs at makakakuha ng multidimensional IV, EQE at PL parameters sa isang test sequence.
Ginamit ng pag-aaral na ito ang time-of-flight secondary ion mass spectrometry, o ToF-SIMS, kasama ang depth-profile X-ray photoelectron spectroscopy, o XPS, upang subaybayan ang elemental distribution at chemical-bond changes sa Al₂O₃/SiNₓ layers bago at pagkatapos ng UV60 exposure. Ipinapakita ng mga resulta na ang N–H bond breaking ay nagsisilbing pangalawang hydrogen source bukod sa Si–H bond breaking. Ang UV exposure ay nakakasira rin sa Al–O bonds sa amorphous Al₂O₃, na lumilikha ng maraming oxygen vacancies. Ang pinagsamang hydrogen at oxygen mechanisms ay nagpapataas ng surface recombination at nagbibigay ng mas malinaw na batayan para sa pagpapabuti ng passivation-layer reliability.
Experimental Method
Millennial Solar
(a) Schematic structure ng TOPCon solar cell; (b) symmetric front-structure sample; (c) symmetric rear-structure sample.
Dalawang symmetric sample structures ang inihanda. Ang front structure ay SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. Kasama sa rear structure ang SiOₓ/n⁺-poly-Si layers. Ang UV aging ay isinagawa sa module level gamit ang light source na pinangungunahan ng UV-A na may humigit-kumulang 11% UV-B. Ang mga test condition ay 60°C at 30% relative humidity.
| Test item | Condition o configuration |
|---|---|
| Front symmetric sample | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Rear symmetric sample | Structure na naglalaman ng SiOₓ/n⁺-poly-Si layers |
| UV source | Pangunahing UV-A, na may humigit-kumulang 11% UV-B |
| Test temperature | 60°C |
| Relative humidity | 30% |
| Maximum reported UV dose | 60 kWh·m⁻², kinilala bilang UV60 |
| Mga pangunahing paraan ng pagsusuri | ToF-SIMS at depth-profile XPS |
Spectral irradiance ng ultraviolet light source.
UV Resistance ng Front at Rear Structures
Millennial Solar
Mga pagbabago sa symmetric front- at rear-structure samples sa panahon ng UV exposure: (a) effective carrier lifetime, τeff, sa injected carrier concentration na 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) implied open-circuit voltage, iVoc; at (c) single-side saturation current density, J₀.
Ang simetriko na istrukturang panglikod ay nagpakita lamang ng maliit na pagkasira pagkatapos ng 60 kWh·m⁻² ng pagkakalantad sa UV. Ang 120 nm na poly-Si layer nito ay sumipsip ng halos lahat ng bumabagsak na UV radiation at nagbigay ng epektibong proteksyon sa pinagbabatayan na interface.
Ang simetriko na istrukturang pangharap ay mas malubhang nagdegrade:
Epektibong carrier lifetime, τeff, ay bumaba mula 2,895.6 μs hanggang 1,552.8 μs.
Ang ipinahiwatig na open-circuit voltage, iVoc, ay bumaba mula sa 735.5 mV hanggang 715.2 mV.
Ang single-side J₀ ay tumaas sa 18.4 fA·cm⁻², humigit-kumulang tatlong beses ang paunang halaga nito.
Ang pagganap ng Al₂O₃/SiNₓ passivation ay lubhang lumala.
Kinukumpirma ng mga resultang ito na ang front SiNₓ/Al₂O₃ stack ay mas madaling maapektuhan ng ultraviolet exposure kaysa sa rear SiOₓ/poly-Si structure.
Ebolusyon ng Kemikal na Komposisyon
Millennial Solar
ToF-SIMS depth profiles ng (a) hydrogen at (b) oxygen intensity sa polished symmetric front-structure samples bago at pagkatapos ng UV60 exposure.
Ang ToF-SIMS ay nagpakita ng malinaw na pagtaas sa hydrogen concentration pagkatapos ng ultraviolet exposure, lalo na sa loob ng SiNₓ layer. Ang depth-profile analysis ng N 1s XPS signal ay natuklasan na ang proporsyon ng N–H bonds sa SiNₓ/Al₂O₃ interface ay bumaba mula sa 9.64% hanggang 5.97%. Kinukumpirma nito na ang N–H bond breaking ay isa pang mahalagang pinagmumulan ng hydrogen kasama ng Si–H bond dissociation.
Ang ilan sa mga inilabas na hydrogen ay nag-diffuse patungo sa SiNₓ surface at muling nag-bond sa silicon. Ipinapaliwanag nito kung bakit ang lokal na N–H proporsyon na malapit sa surface ay tumaas sa halip na patuloy na bumaba.
Ang oxygen evolution ay kritikal din. Ang oxygen concentration sa loob ng Al₂O₃ layer ay bahagyang bumaba, habang ito ay tumaas sa parehong SiNₓ/Al₂O₃ at Al₂O₃/Si interfaces. Ang distribusyong ito ay nagpapahiwatig na ang oxygen na inilabas ng Al–O bond breaking ay nag-diffuse palabas mula sa Al₂O₃ film.
Ang Al–O bond energy sa isang ideal na kristal ay humigit-kumulang 5.3 eV. Ang amorphous Al₂O₃ ay iba. Ang mga under-coordinated aluminum ion at negatively charged oxygen vacancies ay maaaring magpababa ng activation energy para sa pagbasag ng katabing Al–O bonds hanggang sa humigit-kumulang 2.4 eV. Ang isang 400 nm ultraviolet photon ay may dalang humigit-kumulang 3.1 eV, na sapat na upang mag-trigger ng prosesong ito.
N 1s depth-profile XPS spectra sa iba't ibang Al₂O₃/SiNₓ interfaces bago at pagkatapos ng UV60 exposure, kabilang ang fitted N–Si bonds sa 397.5 eV at N–H bonds sa 399.5 eV.
Ang O 1s XPS results ay nagpakita ng conversion mula sa lattice oxygen, na kinilala bilang OI, patungo sa oxygen-vacancy-related components, na kinilala bilang OII. Sa Al 2p spectra, ang Al₂O₃ proportion ay bumaba mula 69.99% to 60.36%, habang ang Al–OH ay tumaas mula 30.01% to 39.64%.
Ang Si 2p spectra ay nagpakita rin ng pagtaas sa Si²⁺ at pagbaba sa mas mataas na silicon oxidation states. Ang mga electron na inilabas habang nabubuo ang oxygen-vacancy ay nagpababa ng silicon mula sa mas mataas na oxidation states. Ang mga coordinated na pagbabagong ito sa oxygen, aluminum at silicon bonding ay nagpapahiwatig ng malawak na pinsala sa Al₂O₃ film sa halip na isang nakahiwalay na bond-breaking reaction.
Pagkasira ng Electrical Performance
Millennial Solar
EQE at reflectance curves ng TOPCon solar cell bago at pagkatapos ng UV60 exposure.
Ang reflectance ay halos hindi nagbago pagkatapos ng UV60 exposure. Ang EQE ay nagpakita ng katamtamang pagbaba sa short-wavelength region na mas mababa sa 500 nm, na tumutugma sa mas malakas na recombination sa front surface.
Pagbabago sa front contact resistivity ng TOPCon solar cell sa panahon ng UV60 exposure.
Ang front contact resistivity ay tumaas nang halos linear sa UV dose, na umabot sa 4.1 mΩ·cm², mga 8.6 times ng paunang halaga nito. Ang iminungkahing mekanismo ay nauugnay sa mobile hydrogen at oxygen na nabuo sa loob ng passivation layers. Ang mga species na ito ay nag-diffuse patungo sa electrode interface at lumalahok sa oxidation-reduction reactions.
Ang UV radiation ay maaari ring mag-convert ng water molecules sa silver surface tungo sa hydroxyl radicals. Sama-sama, ang mga reaksyong ito ay nagtataguyod ng corrosion ng metal electrode at nagpapataas ng contact resistance.
Pagkasira ng electrical performance ng TOPCon solar cell sa panahon ng UV60 exposure: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; at (d) efficiency.
Ang huling electrical losses ay naipamahagi sa ilang mga parameter:
Bumaba ang Voc ng 3.46%, pangunahin dahil sa pagkasira ng front-surface passivation at pagtaas ng J₀.
Bumaba ang FF ng 2.82%, pangunahin dahil sa matinding pagtaas ng front contact resistivity.
Bumaba lamang ang Jsc ng 0.64%, dahil ang EQE loss ay limitado pangunahin sa short-wavelength region.
Bumaba ang conversion efficiency ng 6.72% pagkatapos ng UV60 exposure.
Ang front SiNₓ/Al₂O₃ structure ng TOPCon solar cell ay may mas mababang ultraviolet resistance kaysa sa rear structure. Sa ilalim ng UV exposure, ang Si–H at N–H bonds ay nasisira at naglalabas ng mobile hydrogen. Ang Al–O bonds sa amorphous Al₂O₃ ay nasisira rin, naglalabas ng oxygen at bumubuo ng mataas na density ng oxygen vacancies. Kasabay nito, ang Al₂O₃ ay lumilipat patungo sa Al–OH at nagbabago ang silicon oxidation-state distribution.
Ang hydrogen- at oxygen-related degradation mechanisms ay nagtutulungan upang palakasin ang surface recombination. Ang kasamang pagtaas sa front contact resistivity ay nagdaragdag ng hiwalay na electrical loss, na humahantong sa nasukat na 6.72% efficiency degradation. Ang mga natuklasang ito ay nag-aalok ng kapaki-pakinabang na sanggunian para sa pag-unawa sa TOPCon UVID at pagpapabuti ng pangmatagalang pagiging maaasahan ng front-side passivation stacks.
Pananaw ng Ooitech
Ang pangunahing punto ay ang TOPCon UVID ay hindi maaaring ituring bilang simpleng Si–H bond problem. Ang passivation chemistry, oxygen-vacancy control at metallization stability ay kailangang suriin nang sama-sama, lalo na kapag nag-qualify ng module production processes para sa mahabang outdoor service. Ang non-contact IV, EQE at PL tracking ay makakatulong na matukoy ang mga pagkalugi na ito nang mas maaga nang hindi nagdaragdag ng mechanical contact damage sa lalong delikadong cell designs.
Kaugnay: TOPCon UVID at ang r-UVID / ir-UVID split pinaghihiwalay ang pagkawala na ibinabalik ng light soak mula sa pagkawalang nananatili.
Karagdagang pagbabasa at datos sa background
Pampublikong sangguniang materyal sa paksang ito, na inilathala ng mga organisasyong nagpapanatili ng technology roadmap at market data ng industriya:
