TOPCon Cell UVID Study: Non-Contact IV Testing Tracks Passivation Degradation at 6.72% Efficiency Loss
Talaan ng Nilalaman
TOPCon Cell UVID at Non-Contact IV Testing
Ang mga TOPCon solar cell ay nakakuha ng nangungunang posisyon sa photovoltaic market dahil sa kanilang malakas na surface passivation at carrier-selective contacts. Ang operasyon sa labas, gayunpaman, ay naglalantad sa kanila sa ultraviolet-induced degradation, o UVID. Sa pag-aaral na ito, ang conversion efficiency ay bumaba ng 6.72% pagkatapos ng UV60 exposure.
Ang mga naunang pag-aaral ay madalas na iniuugnay ang UVID pangunahin sa high-energy photons na pumutol 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 maipaliwanag ng Si–H bond breaking lamang. Ang front Al₂O₃/SiNₓ stack ay nagpapakita rin ng mas mahinang UV resistance kumpara sa rear-side structure.
Ang Millennial Solar non-contact IV tester ay nagbibigay ng non-destructive testing na walang consumables at millisecond-level na bilis ng pagsukat. Ito ay compatible sa back-contact at busbarless cell designs at maaaring makakuha ng multidimensional IV, EQE at PL parameters sa isang test sequence.
Ang pag-aaral na ito ay gumamit ng time-of-flight secondary ion mass spectrometry, o ToF-SIMS, kasama ng 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. Ang mga resulta ay nagpapakita na ang N–H bond breaking ay nagsisilbing pangalawang hydrogen source bukod sa Si–H bond breaking. Ang UV exposure ay sumisira rin sa Al–O bonds sa amorphous Al₂O₃, na lumilikha ng malaking bilang ng 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.
Eksperimental na Paraan
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. Ang istraktura sa likuran ay may kasamang SiOₓ/n⁺-poly-Si layers. Ang UV aging ay isinagawa sa antas ng module gamit ang isang light source na pinangungunahan ng UV-A na may humigit-kumulang 11% UV-B. Ang mga kondisyon ng pagsubok ay 60°C at 30% relative humidity.
| Item ng pagsubok | Kondisyon o configuration |
|---|---|
| Front symmetric sample | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Rear symmetric sample | Istraktura na naglalaman ng SiOₓ/n⁺-poly-Si layers |
| UV source | Pangunahing UV-A, na may humigit-kumulang 11% UV-B |
| Temperatura ng pagsubok | 60°C |
| Relative humidity | 30% |
| Maximum na naiulat na UV dose | 60 kWh·m⁻², na kinilala bilang UV60 |
| Pangunahing pamamaraan 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 symmetric rear structure ay nagpakita lamang ng maliit na degradation pagkatapos ng 60 kWh·m⁻² ng UV exposure. Ang 120 nm poly-Si layer nito ay sumipsip ng halos lahat ng incident UV radiation at nagbigay ng epektibong proteksyon sa pinagbabatayan na interface.
Ang symmetric front structure ay mas matinding nag-degrade:
Effective carrier lifetime, τeff, ay bumagsak mula 2,895.6 μs hanggang 1,552.8 μs.
Implied open-circuit voltage, iVoc, ay bumaba mula 735.5 mV hanggang 715.2 mV.
Single-side J₀ ay tumaas sa 18.4 fA·cm⁻², humigit-kumulang tatlong beses ng initial value nito.
Ang Al₂O₃/SiNₓ passivation performance ay lubhang lumala.
Ang mga resultang ito ay nagpapatunay na ang front SiNₓ/Al₂O₃ stack ay mas madaling maapektuhan ng ultraviolet exposure kaysa sa rear SiOₓ/poly-Si structure.
Ebolusyon ng Chemical Composition
Millennial Solar
Mga profile ng lalim ng ToF-SIMS ng (a) hydrogen at (b) intensity ng oxygen sa pinakintab na simetriko na front-structure na mga sample bago at pagkatapos ng UV60 exposure.
Ipinakita ng ToF-SIMS ang isang malinaw na pagtaas sa konsentrasyon ng hydrogen pagkatapos ng ultraviolet exposure, lalo na sa loob ng SiNₓ layer. Ang pagsusuri ng depth-profile ng N 1s XPS signal ay natagpuan na ang proporsyon ng N–H bonds sa SiNₓ/Al₂O₃ interface ay bumaba mula 9.64% hanggang 5.97%. Kinukumpirma nito na ang pagkasira ng N–H bond ay isa pang mahalagang pinagmumulan ng hydrogen kasama ng paghihiwalay ng Si–H bond.
Ang ilan sa mga inilabas na hydrogen ay kumalat patungo sa ibabaw ng SiNₓ at muling nag-bond sa silicon. Ipinapaliwanag nito kung bakit ang lokal na proporsyon ng N–H malapit sa ibabaw ay tumaas sa halip na patuloy na bumaba.
Ang ebolusyon ng oxygen ay kritikal din. Ang konsentrasyon ng oxygen sa loob ng Al₂O₃ layer ay bahagyang bumaba, habang ito ay tumaas sa parehong SiNₓ/Al₂O₃ at Al₂O₃/Si interfaces. Ang distribusyon na ito ay nagpapahiwatig na ang oxygen na inilabas ng pagkasira ng Al–O bond ay kumalat palabas mula sa Al₂O₃ film.
Ang enerhiya ng Al–O bond sa isang ideal na kristal ay humigit-kumulang 5.3 eV. Ang amorphous Al₂O₃ ay iba. Ang under-coordinated na aluminum ions at negatively charged oxygen vacancies ay maaaring magpababa ng activation energy para sa pagkasira ng katabing Al–O bonds sa humigit-kumulang 2.4 eV. Ang isang 400 nm ultraviolet photon ay nagdadala ng humigit-kumulang 3.1 eV, na sapat na upang simulan ang prosesong ito.
N 1s depth-profile XPS spectra sa iba't ibang Al₂O₃/SiNₓ interfaces bago at pagkatapos ng UV60 exposure, kasama 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 proporsyon ng Al₂O₃ ay bumaba mula 69.99% hanggang 60.36%, habang ang Al–OH ay tumaas mula 30.01% hanggang 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 sa panahon ng pagbuo ng oxygen-vacancy ay nagbawas ng silicon mula sa mas mataas na oxidation states. Ang mga koordinadong pagbabagong ito sa oxygen, aluminum at silicon bonding ay nagpapahiwatig ng malawak na pinsala sa Al₂O₃ film sa halip na isang solong isolated bond-breaking reaction.
Pagkasira ng Electrical Performance
Millennial Solar
Mga kurba ng EQE at reflectance ng TOPCon solar cell bago at pagkatapos ng UV60 exposure.
Ang reflectance ay nanatiling 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 beses 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 kumakalat patungo sa electrode interface at nakikilahok sa oxidation-reduction reactions.
Ang UV radiation ay maaari ring mag-convert ng mga molekula ng tubig sa ibabaw ng silver 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 matalim na pagtaas ng front contact resistivity.
Bumaba ang Jsc ng 0.64% lamang, dahil ang pagkawala ng EQE 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 lumilikha ng mataas na density ng oxygen vacancies. Kasabay nito, ang Al₂O₃ ay lumilipat patungo sa Al–OH at ang distribusyon ng silicon oxidation-state ay nagbabago.
Ang hydrogen- at oxygen-related degradation mechanisms ay nagtutulungan upang palakasin ang surface recombination. Ang kasamang pagtaas ng front contact resistivity ay nagdaragdag ng hiwalay na electrical loss, na humahantong sa nasukat na 6.72% na pagkasira ng efficiency. Ang mga natuklasang ito ay nagbibigay 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 isang simpleng problema ng Si–H bond. Ang passivation chemistry, oxygen-vacancy control at metallization stability ay kailangang suriin nang magkasama, lalo na kapag kumukuha ng mga proseso ng produksyon ng module para sa mahabang serbisyo sa labas. Ang non-contact IV, EQE at PL tracking ay maaaring makatulong na matukoy ang mga pagkalugi na ito nang mas maaga nang hindi nagdaragdag ng mekanikal na contact damage sa lalong maselang disenyo ng cell.
