TOPCon Cells Sa Ilalim ng Damp Heat: Bakit

Mabilis na sagot: Kinuha na ng TOPCon ang karamihan ng high-efficiency crystalline silicon market, at ang bukas na tanong ay hindi na efficiency kundi kung paano kumikilos ang cell pagkatapos ng mga taon sa field sa ilalim ng damp heat. Ang standard accelerated test ay tumatakbo sa 85 °C at 85% relative humidity — DH85 — na dinisenyo upang itulak ang moisture papasok sa encapsulant at cell stack nang mas mabilis kaysa sa gagawin ng field conditions. Mahalaga dito ang layered structure: ang tunnel oxide na humigit-kumulang 10 nm sa ilalim ng doped polysilicon layer ay sapat na manipis kaya ang interface chemistry, hindi ang bulk material, ang nagpapasya sa reliability. Ang lamination temperatures na malapit sa 150 °C at ang sariling moisture permeability ng encapsulant ay parehong nag-aambag sa parehong failure path. Ang mga characterisation tool sa QL200 class ay ginagamit upang subaybayan kung ano ang ginagawa ng damp-heat exposure sa passivation hindi lamang kung bumaba ang power.

PV Module Manufacturing · ni Jerry, Ooitech

Introduction

TOPCon ay kinuha na ang karamihan ng high-efficiency c-Si market, ngunit ang long-term field reliability ay isa pa ring moving target. Isang weak spot ang patuloy na lumalabas sa damp-heat studies: ang rear passivation stack. Isang kamakailang pag-aaral (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) ang nagpunto kung ano talaga ang nagiging mali kapag ang sodium salts ay dumapo sa cell surface at nanatili sa ilalim ng 85°C/85% RH. Ang maikling bersyon — ang rear SiNₓ layer ang soft spot, at ang manipis na ALD AlOₓ film ang nag-aayos sa karamihan nito.

Mga pangunahing natuklasan sa unahan

• Ang rear SiNₓ layer ang damp-heat weak point. Ang sodium acetate (CH₃COONa) ay nagpababa sa rear open-circuit voltage (Voc) ng 5.8% at nagpataas sa series resistance (Rₛ) ng 450%.

• Pinapabilis ng sodium salts ang surface oxidation at nitrogen loss. Ipinakita ng XPS na ang rear Si/N atomic ratio ay tumalon mula 1.3 patungong 23, at ang O/N mula 1.6 patungong 53.

• Ang 10nm ALD Al₂O₃ barrier ay gumawa ng malaking pagkakaiba — ang PCE loss sa ilalim ng CH₃COONa contamination ay bumaba mula 16% patungong 0.4% lamang.

• Ang front passivation ay mas matibay. Hinaharang ng AlOₓ/SiOᵧNᵣ multilayer ang sodium diffusion, kaya ang contamination doon ay nagkakahalaga lamang ng 0.87% PCE.

• Magkaiba ang kilos ng dalawang contaminants: ang sodium acetate ay umaatake sa metal contact, habang ang sodium chloride (NaCl) ay pangunahing nag-o-oxidize sa passivation layer.

Background

Ang pangunahing tanong ay simple sabihin, mas mahirap sagutin: bakit bumababa ang performance ng TOPCon cells sa ilalim ng damp heat kapag may sodium salts, at bakit mas malala ang tama sa rear passivation (Kyranaki et al., 2022)?

Nasaan ang mga gaps

Karamihan ng naunang gawain ay nakatuon sa metal contact corrosion (Iqbal et al., 2023), ngunit walang sistematikong tumingin sa chemical breakdown ng passivation layer mismo. Magkaiba ang pagkakagawa ng front at rear stacks — ang front ay AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ang rear ay SiNₓ sa ibabaw ng doped poly-Si — at ang kanilang corrosion resistance ay hindi pa direktang naikukumpara (Feldmann et al., 2014). Bukod dito, ang dalawang karaniwang contaminants (CH₃COONa vs. NaCl) ay inaakalang pareho ang kilos, at hindi sila pareho (Li et al., 2021).

Mahalaga ang pagkuha nito nang tama para sa tunay na pera. Ang mga PV plant ay ibinebenta sa 25-taong lifetime promise (Peters et al., 2021), at ang rear-side failure mode na lumalabas sa ilalim ng humidity ay eksaktong uri ng bagay na kumakain niyon.

Paraan

Ang workflow ay pinanatiling malapit sa tunay na production flow: industrial TOPCon cells → lokal na spray ng sodium salt sa front o rear surface → accelerated damp heat (85°C/85% RH) → electrical at chemical characterization → subukan ang ALD AlOₓ barrier → alamin ang protection mechanism.

Ano ang bago dito

Sa panig ng teorya, ito ang unang pag-aaral na tumutukoy sa nitrogen loss sa rear SiNₓ layer bilang pangunahing dahilan ng pagbaba ng Voc. Sa praktikal na panig, ang 10nm AlOₓ layer ay tumatakbo sa standard industrial ALD tooling at nagkakahalaga lamang ng humigit-kumulang 0.01% sa absolute efficiency. At sa metodolohiya, bumuo ang team ng cell-level DH test kung saan ang 20 oras ay kumakatawan sa ilang taon ng outdoor aging (Sen et al., 2023).

Madaling sundan ang logic chain: ang rear contamination ay nagdudulot ng matinding pagbaba ng Voc, na direktang tumutukoy sa passivation failure. Kinukumpirma naman ng XPS ang SiNₓ oxidation reaction at ang sodium diffusion path na binubuksan nito. Idagdag ang AlOₓ layer, harangin ang sodium, at kinukumpirma ng PL imaging na napipigilan ang mga defect.

Mga Paraan

Paghahanda ng sample

Paano ito sinukat

• I-V parameters (Pmax, Voc, FF, Jsc) sa pamamagitan ng LOANA system (pv-tools).

• Kalidad ng passivation sa pamamagitan ng effective minority carrier lifetime (τ_eff).

• Surface chemistry sa pamamagitan ng XPS at SEM-EDS.

Mga resulta at talakayan

Electrical degradation

Malinaw na ang rear side ang sensitibo. Ang CH₃COONa sa rear ay nagpababa ng Voc ng 5.8%, nagpataas ng Rₛ ng 450% (Table 1), at nagbawas ng PL intensity ng 37.3% (Fig. 3a). Ang parehong treatment sa front ay nagkakahalaga lamang ng 0.87% PCE. Parehong asin, ibang-iba ang kinalabasan depende sa kung aling mukha ang tinatamaan.

Chemical breakdown ng passivation

Ipinakita ng XPS sa rear surface na tumalon ang Si-O bond fraction (Fig. 5b), kung saan ang O/N atomic ratio ay mula 1.6 sa control patungong 53 sa CH₃COONa group. Ang mekanismo ay nitrogen loss — hinihidrolisa ng damp heat ang SiNₓ at sinisira ang surface passivation.

Ano ang ginagawa ng AlOₓ barrier

Sa pagkakaroon ng 10nm ALD AlOₓ, ang PCE loss sa ilalim ng rear CH₃COONa contamination ay bumaba mula 16% patungong 0.4%, at nanatili ang Voc (Fig. 6a). Ipinakita ng SEM-EDS na bumaba ng 86% ang sodium content sa AlOₓ samples (Fig. 6c), at ipinakita ng PL na walang defect activation (Fig. 6b). Ginagawa ng barrier ang eksaktong gusto mo — pinapanatiling labas ang sodium.

Konklusyon

Mga pangunahing takeaway

Ang rear SiNₓ layer ay nahihidrolisa at nag-o-oxidize sa ilalim ng damp heat at sodium salt, na nagpapababa ng Voc at nagpapataas ng Rₛ (sinusuportahan ng XPS/EDS, Fig. 4-5). Hinaharang ng 10nm AlOₓ layer ang sodium diffusion at pinapanatiling mas mababa sa 1% ang DH85 PCE loss (Fig. 6a). At ang front AlOₓ/SiOᵧNᵣ multilayer ay likas na corrosion-resistant, kaya halos hindi nagrerehistro ang contamination doon.

Bakit ito kapaki-pakinabang

Ang AlOₓ barrier ay maaaring direktang pumasok sa TOPCon mass production sa mga tool tulad ng Leadmicro QL200. Sa mas malayong panahon, ang pagpapares ng AlOₓ sa SiNₓ sa double-glass module encapsulation ay maaaring magpahaba ng buhay ng planta sa mga mahalumigmig na rehiyon.

Isang maliit na background

• TOPCon structure: isang tunnel oxide (SiO₂) at doped poly-Si passivating contact, na nagpapababa ng recombination sa metal (Feldmann et al., 2014).

• ALD: layer-by-layer na paglaki ng nano-film, na nagbibigay ng pantay na nanometer-scale na AlOₓ coverage.

• DH testing: 85°C/85% RH accelerated aging upang gayahin ang pagkasira ng module sa mahalumigmig na klima.

• SiNₓ passivation: hydrogenated silicon nitride, mabuti para sa anti-reflection at surface passivation, ngunit may dalang dangling bonds at madaling mag-hydrolyze.

Mga Sanggunian

• Tong H. et al., Mitigating contaminant-induced degradation in TOPCon solar cells via ALD AlOₓ barrier, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188

• Feldmann F. et al., Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.

• Li X. et al., Accelerated damp-heat testing of TOPCon cells using NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.

• Peters I.M. et al., The value of stability in photovoltaics, Joule 5 (2021) 3137–3153.

Pananaw ng Ooitech

Ang kapansin-pansin dito ay kung gaano kalaki ang bahagi ng reliability story na nasa rear passivation stack, hindi sa headline ng cell design. Sa isang tunay na linya, ang dagdag na 10nm ALD AlOₓ step ay murang seguro para sa mga proyektong may mahalumigmig na klima, at umaangkop ito sa standard na produksyon ng module nang walang masyadong abala. Gumagawa kami ng turnkey module lines mula simula hanggang dulo, kaya sinusubaybayan namin nang mabuti ang mga natuklasang tulad nito — ang maliliit na pagbabago sa proseso sa upstream ay madalas na nagtatakda kung tatagal ang isang planta nang 25 taon. Kung gusto mo ng higit pa mula sa factory floor, ang Ooitech YouTube channel (www.youtube.com/ooitech) ay sulit na i-follow.