UVID sa TOPCon Solar Cells: Non-Contact IV Testing na Sumusubaybay sa Pagkasira ng Passivation at 6.72% na Pagkawala ng Efficiency

Panimula

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

Karamihan sa mga naunang pag-aaral ay sinisi ang UVID sa high-energy photons na bumabasag sa Si–H bonds at naglalabas ng libreng hydrogen. Iyon ay bahagi lamang 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 higit pa sa isang solong Si–H rupture pathway. 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, walang consumables, mabilis sa millisecond speed, gumagana sa BC at busbar-free designs, at kumukuha ng IV, EQE at PL parameters sa isang pag-scan lamang.

Ang pag-aaral na ito ay gumagamit ng 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 nababasag ng UV at lumilikha ng maraming oxygen vacancies. Ang hydrogen at oxygen mechanisms ay nagpapatong-patong 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 mga 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 simetrikong likurang istraktura ay halos hindi bumaba pagkatapos ng 60 kWh·m⁻² ng UV exposure. Ang 120 nm nitong kapal na poly-Si layer ay sumisipsip ng halos lahat ng UV light at nagbibigay ng epektibong proteksyon.

Ang harapang istraktura ay nagkuwento ng ibang bagay. 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 nang husto sa 18.4 fA·cm⁻², halos tatlong beses ng unang halaga. Ang Al₂O₃ / SiNₓ passivation ay lubhang nasira.

Ebolusyon ng Kemikal na Komposisyon

Intensity depth profiles ng (a) hydrogen at (b) oxygen sa pinakintab na simetrikong harapang-istraktura na sample bago at pagkatapos ng UV60, sinusukat gamit ang ToF-SIMS

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

Ang oxygen ay nagkukuwento ng parehong mahalagang bagay. Bahagyang bumaba ang oxygen sa Al₂O₃ layer, habang tumaas ang oxygen sa mga interface ng SiNₓ/Al₂O₃ at Al₂O₃/Si. Ito ay nagpapahiwatig ng pagkasira ng Al–O bonds at paglabas ng malayang oxygen palabas. Ang Al–O bond energy sa isang ideal na kristal ay humigit-kumulang 5.3 eV. Ngunit sa amorphous Al₂O₃, ang mga under-coordinated aluminum ions at oxygen vacancies ay kumukuha ng mga electron at nagiging negatibo, na nagpapababa sa 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 interface 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 na ang lattice oxygen (OI) ay nagko-convert sa oxygen vacancies (OII). Sa Al 2p spectra, bumaba ang bahagi ng Al₂O₃ mula 69.99% hanggang 60.36% habang tumaas ang Al–OH mula 30.01% hanggang 39.64%. Sa Si 2p spectra, tumaas ang Si²⁺ habang bumaba ang mas mataas na valence na silicon. Ang mga electron na inilalabas kapag nabubuo ang oxygen vacancies ay nagbabawas 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 naapektuhan 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 halos hindi nagbago pagkatapos ng UV60. Ang EQE ay nagpakita ng katamtamang pagbaba sa maikling-wavelength na rehiyon na mas mababa sa 500 nm, na tumutugma sa mas malakas na front-surface recombination. Ang front contact resistivity ay umakyat halos linearly sa UV dose, 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 kumakalat sa electrode interface at nakikilahok sa redox reactions. Ang UV ay nagko-convert din ng mga water molecule sa silver surface tungo sa hydroxyl radicals, at magkasama nilang kinakalawang ang metal electrode.

Mga rate ng pagkasira ng electrical performance sa panahon ng UV60 exposure: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff

Ang Voc ay bumaba ng 3.46% relative, dulot ng pagkasira ng front-surface passivation at pagtaas ng J₀. Ang FF ay bumaba ng 2.82%, dulot ng mas mataas na front contact resistivity. Ang Jsc ay bumaba lamang ng 0.64%, dahil limitado ang pagkawala ng short-wavelength EQE. Ang huling pagkawala ng photoelectric conversion efficiency 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 nasisira nang sunud-sunod 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 ang silicon valence ay nagbabago. Ang dalawang degradation mechanisms na ito, hydrogen at oxygen, ay nagtatambak at nagpapalala ng surface recombination. Idagdag ang matinding pagtaas sa front contact resistivity, at ang resulta ay 6.72% na pagkawala ng efficiency. Ang gawaing ito ay nagbibigay 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

Ang UVID ay patuloy na nagpapatunay na ang front stack ay kung saan talaga sinusubok ang reliability, kaya kung paano mo itatayo at kokontrolin ang 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 na nagaganap sa layup, lamination at EL side, ang maliliit na proseso na pagpipilian ay nagtatakda kung ang mga panel ay tatagal 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 na sundan.