TOPCon Cell UVID Study: Non-Contact IV Testing Tracks Passivation Degradation at 6.72% Efficiency Loss
Talaan ng mga 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. Gayunpaman, ang outdoor operation 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 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 lamang ng Si–H bond breaking. 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 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. Ang mga resulta ay nagpapakita na ang N–H bond breaking ay nagsisilbing pangalawang hydrogen source bilang karagdagan sa Si–H bond breaking. Ang UV exposure ay nakakasira 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.
Paraan ng Eksperimento
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 likurang istraktura ay may kasamang SiOₓ/n⁺-poly-Si na mga layer. Ang UV aging ay isinagawa sa antas ng modyul gamit ang pinagmumulan ng liwanag na dominado 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 p конфigurasyon |
|---|---|
| Harap na simetrikong sample | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Likurang simetrikong sample | Istraktura na naglalaman ng SiOₓ/n⁺-poly-Si na mga layer |
| Pinagmumulan ng UV | Pangunahing UV-A, na may humigit-kumulang 11% UV-B |
| Temperatura ng pagsubok | 60°C |
| Relative humidity | 30% |
| Pinakamataas na naiulat na dosis ng UV | 60 kWh·m⁻², kinilala bilang UV60 |
| Pangunahing pamamaraan ng pagsusuri | ToF-SIMS at depth-profile XPS |
Spectral irradiance ng pinagmumulan ng ultraviolet na liwanag.
UV Resistance ng Harap at Likurang Istraktura
Millennial Solar
Mga pagbabago sa simetrikong harap- at likurang-istraktura na mga sample sa panahon ng UV exposure: (a) epektibong 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 simetrikong likurang istraktura ay nagpakita lamang ng maliit na pagkasira pagkatapos ng 60 kWh·m⁻² ng UV exposure. Ang 120 nm poly-Si layer nito ay sumipsip ng halos lahat ng insidente na UV radiation at nagbigay ng epektibong proteksyon sa pinagbabatayan na interface.
Ang simetrikong harap na istraktura ay mas malubhang nasira:
Epektibong carrier lifetime, τeff, ay bumaba mula sa 2,895.6 μs hanggang 1,552.8 μs.
Implied open-circuit voltage, iVoc, ay bumaba mula sa 735.5 mV hanggang 715.2 mV.
Single-side J₀ ay tumaas sa 18.4 fA·cm⁻², humigit-kumulang tatlong beses ng paunang halaga nito.
Ang Al₂O₃/SiNₓ passivation performance ay lumala nang malaki.
Ang mga resultang ito ay nagpapatunay na ang harap na SiNₓ/Al₂O₃ stack ay mas madaling maapektuhan ng ultraviolet exposure kaysa sa likurang SiOₓ/poly-Si na istraktura.
Ebolusyon ng Kemikal na Komposisyon
Millennial Solar
ToF-SIMS depth profiles ng (a) hydrogen at (b) oxygen intensity sa pinakintab na simetrikong front-structure samples bago at pagkatapos ng UV60 exposure.
Ipinakita ng ToF-SIMS ang malinaw na pagtaas sa konsentrasyon ng hydrogen pagkatapos ng ultraviolet exposure, lalo na sa loob ng SiNₓ layer. Ang depth-profile analysis ng N 1s XPS signal ay natagpuan na ang proporsyon ng N–H bonds sa SiNₓ/Al₂O₃ interface ay bumaba mula sa 9.64% hanggang 5.97%. Kinukumpirma nito na ang pagkasira ng N–H bond ay isa pang mahalagang pinagmumulan ng hydrogen kasama ng Si–H bond dissociation.
Ang ilan sa mga inilabas na hydrogen ay kumalat patungo sa SiNₓ surface at muling nag-bond sa silicon. Ipinapaliwanag nito kung bakit ang lokal na N–H proporsyon malapit sa surface 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 Al–O bond energy sa isang ideal na kristal ay humigit-kumulang 5.3 eV. Ang amorphous Al₂O₃ ay iba. Ang under-coordinated aluminum ions at negatibong 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 Al₂O₃ proporsyon ay bumaba mula sa 69.99% hanggang 60.36%, habang ang Al–OH ay tumaas mula sa 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 oxygen-vacancy formation ay nagbawas ng silicon mula sa mas mataas na oxidation states. Ang mga koordinadong pagbabago sa oxygen, aluminum at silicon bonding ay nagpapahiwatig ng malawak na pinsala sa Al₂O₃ film sa halip na isang solong nakahiwalay na 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 maikling-wavelength na rehiyon na mas mababa sa 500 nm, na tumutugma sa mas malakas na recombination sa harap na ibabaw.
Pagbabago sa front contact resistivity ng TOPCon solar cell sa panahon ng UV60 exposure.
Ang front contact resistivity ay tumaas halos linearly sa UV dose, na umabot sa 4.1 mΩ·cm², mga 8.6 beses ang paunang halaga nito. Ang iminungkahing mekanismo ay nauugnay sa mobile hydrogen at oxygen na nabuo sa loob ng mga passivation layers. Ang mga species na ito ay kumakalat patungo sa electrode interface at nakikilahok sa mga oxidation-reduction reactions.
Ang UV radiation ay maaari ring mag-convert ng mga molekula ng tubig sa pilak na ibabaw 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) kahusayan.
Ang huling electrical losses ay ipinamahagi sa ilang mga parameter:
Ang Voc ay bumaba ng 3.46%, pangunahin dahil sa pagkasira ng front-surface passivation at pagtaas ng J₀.
Ang FF ay bumaba ng 2.82%, pangunahin dahil sa matalim na pagtaas ng front contact resistivity.
Ang Jsc ay bumaba lamang ng 0.64%, dahil ang EQE loss ay limitado pangunahin sa maikling-wavelength na rehiyon.
Ang conversion efficiency ay bumaba ng 6.72% pagkatapos ng UV60 exposure.
Ang front SiNₓ/Al₂O₃ na istraktura ng TOPCon solar cell ay samakatuwid 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 sa front contact resistivity ay nagdaragdag ng hiwalay na electrical loss, na humahantong sa nasukat na 6.72% na pagkasira ng kahusayan. 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, kontrol ng oxygen-vacancy, at katatagan ng metallization ay kailangang suriin nang magkasama, lalo na kapag kino-kwalipika ang mga proseso ng produksyon ng module para sa mahabang serbisyo sa labas. Ang non-contact IV, EQE, at PL tracking ay makakatulong na matukoy ang mga pagkalugi na ito nang mas maaga nang hindi nagdaragdag ng mekanikal na contact damage sa lalong marupok na mga disenyo ng cell.
