Estudo UVID de Célula TOPCon: Teste IV sem Contato Rastreia Degradação da Passivação e Perda de Eficiência de 6,72%
Índice
UVID em Célula TOPCon e Teste IV sem Contato
As células solares TOPCon ganharam posição de liderança no mercado fotovoltaico devido à sua forte passivação superficial e contatos seletivos de portadores. A operação ao ar livre, no entanto, as expõe à degradação induzida por ultravioleta, ou UVID. Neste estudo, a eficiência de conversão caiu 6,72% após exposição UV60.
Trabalhos anteriores frequentemente associavam UVID principalmente a fótons de alta energia quebrando ligações Si–H e liberando hidrogênio móvel. O espectro ultravioleta solar cobre uma faixa de energia de fótons muito mais ampla de 3,1–4,43 eV, portanto sua interação com materiais da superfície frontal não pode ser explicada apenas pela quebra de ligações Si–H. A pilha frontal de Al₂O₃/SiNₓ também mostra resistência UV muito mais fraca do que a estrutura traseira.
O testador IV sem contato Millennial Solar fornece testes não destrutivos sem consumíveis e velocidade de medição em milissegundos. É compatível com designs de células de contato traseiro e sem barramento e pode obter parâmetros IV, EQE e PL multidimensionais em uma única sequência de teste.
Este estudo utilizou espectrometria de massa de íons secundários por tempo de voo, ou ToF-SIMS, juntamente com espectroscopia de fotoelétrons de raios X de perfil de profundidade, ou XPS, para rastrear a distribuição elementar e mudanças nas ligações químicas nas camadas de Al₂O₃/SiNₓ antes e após exposição UV60. Os resultados mostram que a quebra de ligações N–H atua como uma segunda fonte de hidrogênio além da quebra de ligações Si–H. A exposição UV também danifica ligações Al–O em Al₂O₃ amorfo, criando grandes números de vacâncias de oxigênio. Os mecanismos combinados de hidrogênio e oxigênio aumentam a recombinação superficial e fornecem uma base mais clara para melhorar a confiabilidade da camada de passivação.
Método Experimental
Millennial Solar
(a) Estrutura esquemática da célula solar TOPCon; (b) amostra simétrica de estrutura frontal; (c) amostra simétrica de estrutura traseira.
Duas amostras de estrutura simétrica foram preparadas. A estrutura frontal foi SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. A estrutura traseira incluía camadas de SiOₓ/n⁺-poly-Si. O envelhecimento UV foi realizado em nível de módulo usando uma fonte de luz dominada por UV-A com aproximadamente 11% de UV-B. As condições de teste foram 60°C e 30% de umidade relativa.
| Item de teste | Condição ou configuração |
|---|---|
| Amostra simétrica frontal | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Amostra simétrica traseira | Estrutura contendo camadas de SiOₓ/n⁺-poly-Si |
| Fonte UV | Principalmente UV-A, com aproximadamente 11% de UV-B |
| Temperatura de teste | 60°C |
| Umidade relativa | 30% |
| Dose máxima de UV relatada | 60 kWh·m⁻², identificado como UV60 |
| Principais métodos de análise | ToF-SIMS e XPS de perfil de profundidade |
Irradiância espectral da fonte de luz ultravioleta.
Resistência UV das Estruturas Frontal e Traseira
Millennial Solar
Mudanças nas amostras simétricas de estrutura frontal e traseira durante exposição UV: (a) tempo de vida efetivo dos portadores, τeff, a uma concentração de portadores injetados de 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) tensão de circuito aberto implícita, iVoc; e (c) densidade de corrente de saturação de um lado, J₀.
A estrutura traseira simétrica apresentou apenas degradação menor após 60 kWh·m⁻² de exposição UV. Sua camada de polissilício de 120 nm absorveu quase toda a radiação UV incidente e forneceu proteção eficaz à interface subjacente.
A estrutura frontal simétrica degradou-se muito mais severamente:
O tempo de vida efetivo dos portadores, τeff, caiu de 2.895,6 μs para 1.552,8 μs.
A tensão de circuito aberto implícita, iVoc, diminuiu de 735,5 mV para 715,2 mV.
A J₀ de um lado aumentou para 18,4 fA·cm⁻², aproximadamente três vezes seu valor inicial.
O desempenho de passivação do Al₂O₃/SiNₓ deteriorou-se substancialmente.
Esses resultados confirmam que a pilha frontal SiNₓ/Al₂O₃ é consideravelmente mais vulnerável à exposição ultravioleta do que a estrutura traseira SiOₓ/poly-Si.
Evolução da Composição Química
Millennial Solar
Perfis de profundidade ToF-SIMS de (a) hidrogênio e (b) intensidade de oxigênio em amostras polidas de estrutura frontal simétrica antes e após exposição UV60.
ToF-SIMS mostrou um aumento claro na concentração de hidrogênio após exposição ultravioleta, especialmente dentro da camada de SiNₓ. A análise de perfil de profundidade do sinal XPS N 1s descobriu que a proporção de ligações N–H na interface SiNₓ/Al₂O₃ diminuiu de 9,64% para 5,97%. Isso confirma que a quebra de ligações N–H é outra fonte importante de hidrogênio, juntamente com a dissociação de ligações Si–H.
Parte do hidrogênio liberado difundiu-se em direção à superfície do SiNₓ e se ligou novamente ao silício. Isso explica por que a proporção local de N–H próxima à superfície aumentou em vez de continuar caindo.
A evolução do oxigênio também foi crítica. A concentração de oxigênio dentro da camada de Al₂O₃ diminuiu ligeiramente, enquanto aumentou nas interfaces SiNₓ/Al₂O₃ e Al₂O₃/Si. Essa distribuição indica que o oxigênio liberado pela quebra de ligações Al–O difundiu-se para fora do filme de Al₂O₃.
A energia de ligação Al–O em um cristal ideal é de cerca de 5,3 eV. O Al₂O₃ amorfo é diferente. Íons de alumínio subcoordenados e vacâncias de oxigênio carregadas negativamente podem reduzir a energia de ativação para quebrar ligações Al–O adjacentes para cerca de 2,4 eV. Um fóton ultravioleta de 400 nm carrega cerca de 3,1 eV, o que já é suficiente para desencadear esse processo.
Espectros XPS de perfil de profundidade N 1s em diferentes interfaces Al₂O₃/SiNₓ antes e após exposição UV60, incluindo ligações N–Si ajustadas em 397,5 eV e ligações N–H em 399,5 eV.
Os resultados de XPS O 1s mostraram uma conversão de oxigênio de rede, identificado como OI, para componentes relacionados a vacâncias de oxigênio, identificados como OII. Nos espectros Al 2p, a proporção de Al₂O₃ caiu de 69,99% para 60,36%, enquanto Al–OH aumentou de 30,01% para 39,64%.
Os espectros Si 2p também mostraram um aumento em Si²⁺ e uma diminuição em estados de oxidação mais altos do silício. Elétrons liberados durante a formação de vacâncias de oxigênio reduziram o silício de estados de oxidação mais altos. Essas mudanças coordenadas nas ligações de oxigênio, alumínio e silício indicam danos extensos ao filme de Al₂O₃, em vez de uma única reação isolada de quebra de ligação.
Degradação do Desempenho Elétrico
Millennial Solar
Curvas de EQE e refletância da célula solar TOPCon antes e após exposição UV60.
A refletância permaneceu quase inalterada após exposição UV60. A EQE mostrou uma queda moderada na região de comprimento de onda curto abaixo de 500 nm, que corresponde a uma recombinação mais forte na superfície frontal.
Mudança na resistividade do contato frontal da célula solar TOPCon durante exposição UV60.
A resistividade do contato frontal aumentou quase linearmente com a dose UV, atingindo 4,1 mΩ·cm², cerca de 8,6 vezes seu valor inicial. O mecanismo proposto está ligado ao hidrogênio e oxigênio móveis gerados dentro das camadas de passivação. Essas espécies se difundem em direção à interface do eletrodo e participam de reações de oxidação-redução.
A radiação UV também pode converter moléculas de água na superfície da prata em radicais hidroxila. Juntas, essas reações promovem a corrosão do eletrodo metálico e aumentam a resistência de contato.
Degradação do desempenho elétrico da célula solar TOPCon durante exposição UV60: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; e (d) eficiência.
As perdas elétricas finais foram distribuídas entre vários parâmetros:
Voc diminuiu 3,46%, principalmente devido à degradação da passivação da superfície frontal e ao aumento de J₀.
FF diminuiu 2,82%, principalmente devido ao aumento acentuado na resistividade do contato frontal.
Jsc diminuiu apenas 0,64%, pois a perda de EQE foi limitada principalmente à região de comprimento de onda curto.
A eficiência de conversão diminuiu 6,72% após exposição UV60.
A estrutura frontal SiNₓ/Al₂O₃ da célula solar TOPCon tem, portanto, resistência ultravioleta muito menor do que a estrutura traseira. Sob exposição UV, as ligações Si–H e N–H se quebram e liberam hidrogênio móvel. As ligações Al–O em Al₂O₃ amorfo também são danificadas, liberando oxigênio e gerando uma alta densidade de vacâncias de oxigênio. Ao mesmo tempo, o Al₂O₃ se desloca para Al–OH e a distribuição do estado de oxidação do silício muda.
Os mecanismos de degradação relacionados ao hidrogênio e oxigênio atuam juntos para intensificar a recombinação superficial. O aumento concomitante na resistividade do contato frontal adiciona uma perda elétrica separada, levando à degradação de eficiência medida de 6,72%. Essas descobertas oferecem uma referência útil para entender o UVID em TOPCon e melhorar a confiabilidade de longo prazo das pilhas de passivação frontal.
Visão da Ooitech
O ponto principal é que o UVID em TOPCon não pode ser tratado como um simples problema de ligação Si–H. A química da passivação, o controle de vacâncias de oxigênio e a estabilidade da metalização precisam ser avaliados em conjunto, especialmente ao qualificar processos de produção de módulos para longa vida útil ao ar livre. O monitoramento não contato de IV, EQE e PL pode ajudar a identificar essas perdas mais cedo, sem adicionar danos mecânicos de contato a projetos de células cada vez mais delicados.
