UVID sa TOPCon Solar Cells: Non-Contact IV Testing

Introduksyon

TOPCon Ang mga solar cell ngayon ay nangingibabaw sa PV market salamat sa matibay na surface passivation at carrier-selective contacts. Ngunit ang outdoor operation ay naglalantad ng tunay na kahinaan: UV induced degradation, o UVID. Pagkatapos ng UV60 irradiation, ang efficiency ay bumababa ng hanggang 6.72%.

Karamihan sa mga naunang pag-aaral ay sinisi ang UVID sa high-energy photons na sumisira sa Si–H bonds at naglalabas ng free hydrogen. Bahagi lamang iyon ng kuwento. Ang solar UV spectrum ay sumasaklaw sa malawak na 3.1–4.43 eV energy range, kaya ang interaksyon nito sa front-surface layers ay lumalampas sa isang Si–H rupture pathway lamang. At ang front Al₂O₃ / SiNₓ stack ay mas mahina laban sa UV kaysa sa rear side.

Malaki ang naitutulong ng non-contact IV tester dito. Ito ay non-destructive, gumagamit ng zero consumables, tumatakbo sa millisecond speed, gumagana sa BC at busbar-free designs, at nakakakuha ng IV, EQE at PL parameters sa isang shot.

Ginagamit ng pag-aaral na ito ang ToF-SIMS at depth-profiling XPS upang subaybayan ang element distribution at chemical bond changes sa Al₂O₃ / SiNₓ layers bago at pagkatapos ng UV60. Ang natuklasan: ang N–H bond breaking ay pangalawang hydrogen source kasama ng Si–H. Ang Al–O bonds sa amorphous Al₂O₃ ay nasisira ng UV at bumubuo ng maraming oxygen vacancies. Ang hydrogen at oxygen mechanisms ay nagsasama-sama at nagpapalala sa surface recombination, na nagbibigay ng malinaw na direksyon para sa pagpapabuti ng passivation reliability.

Eksperimental na Paraan

(a) TOPCon solar cell structure schematic (b) symmetric front-structure sample (c) symmetric rear-structure sample

Ang symmetric front-structure samples (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) at symmetric rear-structure samples (may SiOₓ/n⁺-poly-Si layer) ay inihanda. Ang UV aging ay isinagawa sa module level. Ang light source ay pangunahing UV-A na may humigit-kumulang 11% UV-B, sa ilalim ng 60°C at 30% humidity.

Spectral irradiance ng UV light source

Front vs Rear Structure: Paghahambing ng UV Resistance

Mga pagbabago sa (a) τeff sa injection carrier concentration na 1×10¹⁵ cm⁻³, (b) iVoc, at (c) single-side J₀ para sa symmetric front- at rear-structure samples sa panahon ng UV exposure

Ang simetriko na istrukturang panglikod ay halos hindi nagbago pagkatapos ng 60 kWh·m⁻² ng UV exposure. Ang 120 nm na makapal na poly-Si layer nito ay halos sinisipsip ang lahat ng UV light at nagbibigay ng epektibong shielding.

Ang istrukturang pangharap ay iba ang kuwento. Bumaba ang τeff mula 2895.6 μs hanggang 1552.8 μs. Bumaba ang iVoc mula 735.5 mV hanggang 715.2 mV. Ang single-side J₀ ay tumaas sa 18.4 fA·cm⁻², halos tatlong beses ang paunang halaga. Ang Al₂O₃ / SiNₓ passivation ay labis na nagbago.

Ebolusyon ng Kemikal na Komposisyon

Intensity depth profiles ng (a) hydrogen at (b) oxygen sa pinakintab na simetriko na pangharap na istrukturang sample bago at pagkatapos ng UV60, na sinusukat ng ToF-SIMS

Ipinapakita ng ToF-SIMS na ang konsentrasyon ng hydrogen ay malinaw na tumataas pagkatapos ng UV exposure, lalo na sa loob ng SiNₓ layer. Ang N 1s XPS depth profiling ay nagpapakita na sa SiNₓ / Al₂O₃ interface, ang N–H bond fraction ay bumaba mula 9.64% hanggang 5.97%. Kaya ang N–H bond breaking ay ang pangalawang pinagmumulan ng hydrogen bukod sa Si–H. Ang napalayang hydrogen ay nagdidi-puso patungo sa SiNₓ surface region at muling nagsasama sa silicon doon, kaya ang N–H fraction ay talagang tumataas malapit sa surface na iyon.

Ang oxygen ay nagkukuwento rin ng pantay na kahalagahan. Ang oxygen sa Al₂O₃ layer ay bahagyang bumaba, habang ang oxygen sa SiNₓ/Al₂O₃ at Al₂O₃/Si interfaces ay tumaas. Ito ay nagtuturo sa Al–O bonds na nasisira at ang libreng oxygen ay lumilipat palabas. Ang Al–O bond energy sa isang ideal na kristal ay humigit-kumulang 5.3 eV. Ngunit sa amorphous Al₂O₃, ang under-coordinated aluminum ions at oxygen vacancies ay nagtatrap ng mga electron at nagiging negatibong kargado, na nagpapababa ng activation energy para sa katabing Al–O bond rupture sa humigit-kumulang 2.4 eV. Ibig sabihin, ang 400 nm UV light (3.1 eV) ay sapat na upang masira ang mga ito.

N 1s depth-profiling XPS spectra sa iba't ibang interfaces ng Al₂O₃/SiNₓ layer bago at pagkatapos ng UV60, na may fitted curves para sa N–Si (397.5 eV) at N–H (399.5 eV) bonds

Ipinapakita ng O 1s XPS ang lattice oxygen (OI) na nagko-convert sa oxygen vacancies (OII). Sa Al 2p spectra, ang Al₂O₃ fraction ay bumaba mula 69.99% hanggang 60.36% habang ang Al–OH ay tumaas mula 30.01% hanggang 39.64%. Sa Si 2p spectra, tumaas ang Si²⁺ habang bumaba ang higher-valence silicon. Ang mga electron na inilabas kapag nabuo ang oxygen vacancies ay nagpapababa ng silicon mula sa mas mataas na oxidation states. Sa kabuuan, ang mga pagbabagong ito sa oxygen, aluminum at silicon bonding ay nagpapakita na ang kalidad ng Al₂O₃ film ay nagdusa na.

Pagkasira ng Electrical Performance

EQE at reflectance curves ng TOPCon solar cell bago at pagkatapos ng UV60

Pagbabago sa front contact resistivity ng TOPCon solar cell sa panahon ng UV60 exposure

Ang reflectance ay nanatiling halos hindi nagbago pagkatapos ng UV60. Ang EQE ay nagpakita ng katamtamang pagbaba sa short-wavelength region na mas mababa sa 500 nm, na tumutugma sa mas malakas na front-surface recombination. Ang front contact resistivity ay tumaas nang halos linear sa UV dose, na umabot sa 4.1 mΩ·cm², mga 8.6 beses na mas mataas. Ang dahilan: ang libreng hydrogen at oxygen na nabuo sa passivation layer ay nag-diffuse sa electrode interface at nakikilahok sa redox reactions. Ang UV ay nagko-convert din ng water molecules sa silver surface tungo sa hydroxyl radicals, at magkasama silang nagko-corrode sa metal electrode.

Mga rate ng pagbaba ng electrical performance habang UV60 exposure: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff

Bumaba ang Voc ng 3.46% relative, dahil sa pagbaba ng front-surface passivation at pagtaas ng J₀. Bumaba ang FF ng 2.82%, dahil sa mas mataas na front contact resistivity. Bumaba lang ang Jsc ng 0.64%, dahil limitado ang short-wavelength EQE loss. Ang huling photoelectric conversion efficiency loss ay umabot sa 6.72%.

Konklusyon

Ang front SiNₓ/Al₂O₃ structure ng TOPCon cells ay mas mahina laban sa UV kaysa sa rear structure. Sa ilalim ng UV, ang Si–H at N–H bonds ay sunod-sunod na nasisira at naglalabas ng libreng hydrogen. Ang Al–O bonds sa amorphous Al₂O₃ ay nasisira sa ilalim ng UV, naglalabas ng libreng oxygen at lumilikha ng maraming oxygen vacancies. Ang Al₂O₃ ay nagko-convert tungo sa Al–OH at nagbabago ang silicon valence. Ang dalawang degradation mechanisms na ito, hydrogen at oxygen, ay nagsasama-sama at nagpapalala ng surface recombination. Dagdag pa ang matinding pagtaas ng front contact resistivity, at ang resulta ay 6.72% efficiency loss. Ang gawaing ito ay nag-aalok ng kapaki-pakinabang na sanggunian para sa pag-unawa sa TOPCon UVID at para sa pagpapabuti ng pangmatagalang reliability ng passivation layers.

Pananaw ng Ooitech

Patuloy na pinapatunayan ng UVID na ang front stack ang lugar kung saan talagang sinusubok ang reliability, kaya ang paraan ng paggawa at pagkontrol sa SiNₓ/Al₂O₃ deposition at encapsulation sa isang module line ay kasinghalaga ng cell recipe. Sa aming turnkey TOPCon at PERC module lines, nakikita namin ang parehong aral sa layup, lamination at EL side, ang maliliit na pagpili sa proseso ang nagtatakda kung ang mga panel ay tumatagal sa labas sa loob ng maraming taon. Kung gusto mo ng mas hands-on na pananaw mula sa factory floor, ang Ooitech YouTube channel sa www.youtube.com/ooitech ay sulit i-follow.