Estudo UVID de células TOPCon: Teste IV sem contato rastreia
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Resposta rápida: A UVID, degradação induzida por ultravioleta, é um mecanismo de confiabilidade em células TOPCon que as medições de potência padrão não detectam porque se desenvolve gradualmente sob iluminação em vez de aparecer como uma perda imediata. O teste IV sem contato é usado para rastreá-la: a célula é medida sem sondar a metalização, de modo que a mesma célula pode ser medida repetidamente através de uma exposição acelerada sem introduzir danos de contato que confundiriam o resultado. As condições de estresse neste estudo envolvem exposição a UV a 60 °C, com medições em faixas espectrais próximas a 120 nm, 400 nm e 500 nm, usando conjuntos de amostras rotulados UV60. O valor da medição sem contato é que ela transforma a UVID de uma observação destrutiva no final do teste em uma curva que você pode acompanhar, o que permite que uma mudança de processo seja avaliada em vez de apenas aceita ou rejeitada.
Fabricação de Módulos Fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech
TOPCon Teste UVID e IV sem contato de células
As células solares TOPCon conquistaram uma posição de liderança no mercado fotovoltaico devido à sua forte passivação de superfície 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 a UVID principalmente a fótons de alta energia que quebram ligações Si–H e liberam 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 os materiais da superfície frontal não pode ser explicada apenas pela quebra de ligações Si–H. A pilha frontal de Al₂O₃/SiNₓ também apresenta resistência UV muito mais fraca do que a estrutura traseira.
O testador IV sem contato Millennial Solar oferece testes não destrutivos, sem consumíveis e com velocidade de medição em nível de milissegundos. É compatível com designs de células com contato traseiro e sem barramento e pode obter parâmetros multidimensionais de IV, EQE e PL 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 com perfil de profundidade, ou XPS, para rastrear a distribuição elementar e as mudanças de ligações químicas nas camadas de Al₂O₃/SiNₓ antes e após a 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 as ligações Al–O no Al₂O₃ amorfo, criando grandes quantidades de vacâncias de oxigênio. Os mecanismos combinados de hidrogênio e oxigênio aumentam a recombinação de superfície 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 estruturas de amostra simétricas foram preparadas. A estrutura frontal foi SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. A estrutura traseira incluiu 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 UV máxima relatada | 60 kWh·m⁻², identificada 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 a exposição UV: (a) tempo de vida efetivo dos portadores, τeff, em 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 simétrica traseira mostrou apenas degradação menor após 60 kWh·m⁻² de exposição UV. Sua camada de poly-Si de 120 nm absorveu quase toda a radiação UV incidente e forneceu proteção eficaz à interface subjacente.
A estrutura simétrica frontal 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.
O 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 de SiNₓ/Al₂O₃ é consideravelmente mais vulnerável à exposição ultravioleta do que a estrutura traseira de SiOₓ/poly-Si.
Evolução da Composição Química
Millennial Solar
Perfis de profundidade ToF-SIMS de (a) hidrogênio e (b) intensidade de oxigênio em amostras simétricas polidas de estrutura frontal antes e após exposição UV60.
O ToF-SIMS mostrou um aumento claro na concentração de hidrogênio após a exposição ultravioleta, especialmente dentro da camada de SiNₓ. A análise de perfil de profundidade do sinal XPS de 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 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 a cair.
A evolução do oxigênio também foi crítica. A concentração de oxigênio dentro da camada de Al₂O₃ diminuiu ligeiramente, enquanto aumentou tanto na interface SiNₓ/Al₂O₃ quanto na Al₂O₃/Si. Essa distribuição indica que o oxigênio liberado pela quebra de ligações Al–O difundiu 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 de 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 de O 1s mostraram uma conversão de oxigênio de rede, identificado como OI, para componentes relacionados a vacâncias de oxigênio, identificados como OII. Nos espectros de 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 de Si 2p também mostraram um aumento de Si²⁺ e uma diminuição dos estados de oxidação mais elevados do silício. Os elétrons liberados durante a formação de vacâncias de oxigênio reduziram o silício a partir de estados de oxidação mais elevados. Essas mudanças coordenadas nas ligações de oxigênio, alumínio e silício indicam danos amplos 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 depois da exposição a UV60.
A refletância permaneceu praticamente inalterada após a exposição a UV60. A EQE apresentou um declínio moderado na região de comprimento de onda curto abaixo de 500 nm, o que corresponde a uma recombinação mais forte na superfície frontal.
Variação da resistividade do contato frontal da célula solar TOPCon durante a exposição a UV60.
A resistividade do contato frontal aumentou quase linearmente com a dose de 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 de 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 a exposição a 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 por causa do aumento acentuado da 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 a exposição a UV60.
A estrutura frontal de SiNₓ/Al₂O₃ da célula solar TOPCon, portanto, tem resistência ultravioleta muito menor do que a estrutura traseira. Sob exposição a UV, as ligações Si–H e N–H se quebram e liberam hidrogênio móvel. As ligações Al–O no Al₂O₃ amorfo também são danificadas, liberando oxigênio e gerando uma alta densidade de vacâncias de oxigênio. Ao mesmo tempo, o Al₂O₃ se desloca em direção a Al–OH e a distribuição dos estados de oxidação do silício muda.
Os mecanismos de degradação relacionados a hidrogênio e oxigênio atuam em conjunto para intensificar a recombinação superficial. O aumento associado na resistividade do contato frontal adiciona uma perda elétrica separada, levando à degradação de eficiência de 6,72%. Essas descobertas oferecem uma referência útil para entender o UVID do TOPCon e melhorar a confiabilidade de longo prazo das pilhas de passivação do lado frontal.
Visão da Ooitech
O ponto-chave é que o UVID do 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 em ambiente externo. O monitoramento por IV sem contato, EQE e PL pode ajudar a identificar essas perdas mais cedo, sem adicionar danos por contato mecânico a projetos de células cada vez mais delicados.
