Degradação por Temperatura e Dinâmica de LeTID em Células Solares de Contato Traseiro Tipo n

Introdução do Produto

Células solares de contato traseiro interdigitado (IBC) movem ambos os contatos metálicos de polaridade para a parte traseira. A frente não tem sombreamento de linhas de grade, então as vantagens ópticas da texturização e do revestimento antirreflexo são totalmente aproveitadas. Combinado com boa passivação e processo de contato, o IBC tipo n pode atingir tensão de circuito aberto e densidade de corrente muito altas.

A contrapartida é uma sensibilidade estrutural incorporada ao design. Portadores minoritários fotogerados precisam viajar lateralmente pela base antes que o emissor interdigitado traseiro possa coletá-los. O desempenho do dispositivo depende fortemente da vida útil do volume e da qualidade da passivação traseira. Uma vez que a recombinação da interface traseira ou o vazamento de contato sejam termicamente ativados, a densidade de corrente de saturação no escuro J0 aumenta desproporcionalmente, e a Voc sofre o impacto.

Esse é exatamente o ponto de entrada deste trabalho. Em uma célula IBC tipo n, três conjuntos de evidências são colocados no mesmo ambiente térmico para que se encaixem: medições de J-V iluminado de 25 a 85°C, um experimento de estresse LeTID realizado sob um sol a 45 a 85°C por até 960 minutos, e análise de I-V no escuro na mesma faixa de temperatura.

Projeto Experimental

Esquema da seção transversal da célula IBC tipo n: contatos traseiros interdigitados de emissor p+ e BSF n+, texturização frontal e ARC.

A célula de teste tem área de 258,3 cm², espessura de wafer de 151 ± 6 μm, período interdigitado traseiro de cerca de 480 μm, e larguras de dedos do emissor e BSF de aproximadamente 250 μm e 90 μm. As medições iluminadas foram realizadas em AM1.5G, 100 mW/cm². Em cada ponto de temperatura, após estabilização térmica, cinco varreduras foram calculadas em média. O estresse LeTID foi medido diretamente na temperatura de estresse, sem resfriamento no meio do teste, e registrado em intervalos exponenciais de 1, 2, 4, 8 minutos e assim por diante. Cada parâmetro foi normalizado para seu valor inicial, o que separa a dinâmica de degradação intrínseca do efeito instantâneo do coeficiente de temperatura.

Sensibilidade Térmica em Estado Estacionário

Evolução térmica normalizada de quatro parâmetros em relação aos seus próprios valores a 25°C.

A 25°C, a célula apresenta Jsc em torno de 38,6 mA/cm², Voc em torno de 0,743 V, FF em torno de 79% e eficiência em torno de 22,7%. Ao aquecer para 85°C, o Jsc aumenta apenas cerca de 3% (+0,0203 mA·cm⁻²·K⁻¹, aproximadamente +0,05%/K). O Voc cai linearmente a −1,4 mV/K (cerca de −0,2%/°C). A eficiência cai cerca de 9%, e o FF quase não se altera.

O pequeno aumento de corrente vem do estreitamento da banda proibida. Sob a relação de Varshni, a borda de absorção se desloca para comprimentos de onda mais longos, então a fotogeração recebe um leve impulso. A rápida queda de tensão vem do crescimento exponencial de J0(T), governado pela concentração intrínseca de portadores e pela atividade de recombinação. O Voc escala com ln(Jsc/J0), então um aumento moderado em J0 é suficiente para causar uma perda mensurável.

Este coeficiente de temperatura situa-se na faixa de −1,3 a −1,6 mV/K, comum em dispositivos de silício cristalino de alta qualidade. Ele marca uma célula limitada por recombinação, e não por resistência ou transporte. Após a normalização, a classificação é igualmente clara: a 85°C, o Voc cai cerca de 15%, a eficiência cerca de 9%, o FF permanece dentro de ±1%, e o Jsc na verdade ganha cerca de 3%.

Dinâmica do LeTID

Dinâmica de degradação do LeTID.

A medição em estado estacionário responde apenas "quão quente". O experimento de estresse LeTID preenche "como isso muda ao longo do tempo". A 85°C, o Voc cai rapidamente nos primeiros 10 a 30 minutos, depois se aproxima lentamente de uma quase saturação. Em temperaturas mais baixas, a queda é muito mais suave. Após 960 minutos, o Voc cai para cerca de 0,69 V, o Jsc permanece dentro de ±2% durante todo o processo, o FF oscila ligeiramente, e nenhuma regeneração aparece dentro da janela experimental. Como as medições foram feitas na temperatura de estresse após a estabilização térmica, a queda inicial de tensão deve ser atribuída à rápida ativação de estados de defeito, e não a um equilíbrio térmico transitório. O Jsc estável indica que a fotogeração e a extração em curto-circuito não foram afetadas, então a perda dominante não é limitada por geração. Os autores também observam uma limitação: não há experimento de controle com recozimento no escuro, então a contribuição de um efeito puramente térmico não pode ser totalmente descartada.

Verificação em Estado Escuro

Comportamento elétrico no escuro e canais de fuga: (a) curvas J-V no escuro, (b) resistência diferencial, (c) resistências de shunt e série extraídas, (d) análise de Arrhenius da condutância de shunt dando Ea ≈ 1,10 eV.

A curva I-V no escuro aborda o mesmo problema a partir de fora do regime iluminado. A corrente direta aumenta acentuadamente com a temperatura. A inclinação em baixa polarização mostra a resistência shunt caindo claramente, enquanto a região de alta corrente muda pouco. Assim, a evolução da resistência induzida pela temperatura é dominada pela ativação de fuga, não pela degradação da resistência em série. O fator de idealidade permanece entre 1,05 e 1,25, o que significa que a recombinação por difusão domina, com uma possível contribuição SRH em alta temperatura.

Uma análise de Arrhenius da condutância shunt fornece um bom ajuste linear de ln(1/Rsh) contra 1/T (R² = 0,97), com uma energia de ativação de 1,10 ± 0,08 eV. Isso é comparável ao bandgap do silício (cerca de 1,12 eV) e está dentro da faixa relatada de LeTID de 0,8 a 1,2 eV. Uma energia de ativação na escala do bandgap é frequentemente associada à condução assistida por defeitos de nível profundo, mas uma contribuição da concentração intrínseca de portadores não pode ser excluída. Portanto, isso apoia um comportamento de fuga termicamente ativado sem identificar uma espécie específica de defeito.

Estrutura Unificada e Extrapolação de Campo

Três linhas de evidência convergem em uma estrutura fenomenológica: J0(t, T) = J0,intr(T) + A·Ndef(t, T). Além da corrente de saturação intrínseca, há uma contribuição de defeito termicamente ativada que evolui com o tempo e a temperatura. Isso então se converte em perda de tensão através de Voc = (nkT/q)·ln(Jsc/(J0 + 1)). O aumento da recombinação e a ativação de fuga ocorrem em paralelo dentro da mesma expressão. O coeficiente de temperatura em estado estacionário, a dinâmica de LeTID e a evolução da fuga no escuro estão assim interligados. A estrutura não identifica uma identidade específica de defeito.

Extrapolando para operação ao ar livre: sob alta irradiância, as temperaturas das células do módulo frequentemente ficam entre 50 e 65°C. Usando −1,4 mV/K, 60°C em relação a 25°C significa cerca de 49 mV de perda de tensão, e o LeTID acelerado pela temperatura adiciona perda dependente do tempo além disso. As conclusões se aplicam apenas à célula medida. Para TOPCon de contato traseiro e HJT de contato traseiro, elas são apenas uma referência qualitativa: a magnitude da degradação, a energia de ativação e a dinâmica de regeneração dependem do esquema de contato passivante de cada um, da qualidade da interface, da distribuição de hidrogênio e da estabilidade térmica, e merecem um estudo comparativo dedicado. Para dispositivos de contato traseiro de alta eficiência em climas quentes, a robustez da tensão e o rendimento energético de longo prazo dependem, em última análise, da estabilidade da passivação traseira e do gerenciamento de defeitos.

Visão da Ooitech

O que nos chama atenção aqui é o quanto dessa perda externa de 49 mV vive no lado traseiro, onde a passivação e a qualidade do contato definem o Voc de longo prazo. Na linha de módulos, a história é a mesma: como você corta, conecta e lamina uma célula IBC decide se essa estabilidade traseira sobrevive no campo. Tendo construído linhas turnkey para layouts IBC e HPBC, vemos a robustez LeTID como um problema de processo e materiais tanto quanto de célula. Vale a pena acompanhar nosso canal no YouTube www.youtube.com/ooitech se você quiser ver como os módulos de contato traseiro são realmente construídos.