Células TOPCon sob Calor Úmido: Por que
Índice
Resposta rápida: O TOPCon conquistou a maior parte do mercado de silício cristalino de alta eficiência, e a questão em aberto já não é a eficiência, mas como a célula se comporta após anos em campo sob calor úmido. O teste acelerado padrão é realizado a 85 °C e 85% de umidade relativa — DH85 —, projetado para forçar a umidade para dentro do encapsulante e da pilha de células mais rapidamente do que as condições de campo fariam. A estrutura em camadas é importante aqui: um óxido de túnel de cerca de 10 nm sob uma camada de polissilício dopado é fino o suficiente para que a química da interface, e não o material em massa, decida a confiabilidade. As temperaturas de laminação próximas de 150 °C e a própria permeabilidade à umidade do encapsulante contribuem para o mesmo caminho de falha. Ferramentas de caracterização da classe QL200 são usadas para rastrear o que a exposição ao calor úmido faz com a passivação, em vez de apenas verificar se a potência caiu.
Fabricação de Módulos Fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech
Introdução
TOPCon assumiu a maior parte do mercado de c-Si de alta eficiência, mas a confiabilidade em campo a longo prazo ainda é um alvo móvel. Um ponto fraco continua aparecendo em estudos de calor úmido: a pilha de passivação traseira. Um estudo recente (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) identificou o que realmente dá errado quando sais de sódio atingem a superfície da célula e permanecem sob 85°C/85% UR. Resumindo — a camada traseira de SiNₓ é o ponto frágil, e um filme fino de ALD AlOₓ corrige a maior parte disso.
Principais descobertas logo de início
A camada traseira de SiNₓ é o ponto fraco sob calor úmido. O acetato de sódio (CH₃COONa) reduziu a tensão de circuito aberto traseira (Voc) em 5,8% e elevou a resistência em série (Rₛ) em 450%.
Os sais de sódio aceleram a oxidação superficial e a perda de nitrogênio. O XPS mostrou a razão atômica Si/N traseira saltando de 1,3 para 23, e a O/N de 1,6 para 53.
Uma barreira de Al₂O₃ por ALD de 10nm fez uma grande diferença — a perda de PCE sob contaminação por CH₃COONa caiu de 16% para apenas 0,4%.
A passivação frontal é muito mais resistente. A multicamada AlOₓ/SiOᵧNᵣ bloqueia a difusão de sódio, então a contaminação ali custou apenas 0,87% de PCE.
Os dois contaminantes agem de forma diferente: o acetato de sódio ataca o contato metálico, enquanto o cloreto de sódio (NaCl) oxida principalmente a camada de passivação.
Contexto
A questão central é simples de enunciar, mais difícil de responder: por que as células TOPCon perdem desempenho sob calor úmido quando há sais de sódio presentes, e por que a passivação traseira é mais atingida (Kyranaki et al., 2022)?
Onde estão as lacunas
A maioria dos trabalhos anteriores focou na corrosão do contato metálico (Iqbal et al., 2023), mas ninguém havia examinado sistematicamente a decomposição química da própria camada de passivação. As pilhas frontal e traseira são construídas de forma diferente — a frontal é AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, a traseira é SiNₓ sobre poly-Si dopado — e sua resistência à corrosão nunca havia sido comparada diretamente (Feldmann et al., 2014). Além disso, pensava-se que os dois contaminantes comuns (CH₃COONa vs. NaCl) se comportavam da mesma forma, e não se comportam (Li et al., 2021).
Acertar isso importa para dinheiro real. As usinas fotovoltaicas são vendidas com a promessa de 25 anos de vida útil (Peters et al., 2021), e um modo de falha no lado traseiro que aparece sob umidade é exatamente o tipo de coisa que corrói essa promessa.
Abordagem
O fluxo de trabalho foi mantido próximo de um fluxo de produção real: células TOPCon industriais → pulverização local de sal de sódio na superfície frontal ou traseira → calor úmido acelerado (85°C/85% UR) → caracterização elétrica e química → teste de uma barreira de AlOₓ por ALD → elaboração do mecanismo de proteção.
O que há de novo aqui
No lado teórico, este é o primeiro estudo a apontar a perda de nitrogênio na camada traseira de SiNₓ como o principal fator da queda de Voc. No lado prático, a camada de AlOₓ de 10nm roda em equipamentos ALD industriais padrão e custa apenas cerca de 0,01% em eficiência absoluta. E metodologicamente, a equipe construiu um teste de DH em nível de célula no qual 20 horas representam vários anos de envelhecimento ao ar livre (Sen et al., 2023).
A cadeia lógica é fácil de acompanhar: a contaminação traseira causa uma queda acentuada de Voc, o que aponta diretamente para falha de passivação. O XPS então confirma a reação de oxidação do SiNₓ e o caminho de difusão de sódio que ela abre. Adicione a camada de AlOₓ, bloqueie o sódio, e o imageamento por PL confirma que os defeitos são suprimidos.
Métodos
Preparação da amostra
| Item | Detalhe |
|---|---|
| Estrutura da célula | TOPCon tipo n. Frontal: emissor difundido com boro + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC. Traseira: SiO₂/poly-Si dopado com fósforo + SiNₓ, ARC |
| Contaminante | Solução de CH₃COONa ou NaCl a 0,155 mol/L, 0,3 g por amostra, pulverização local |
| Barreira ALD | AlOₓ de 10nm, depositado a 150°C (Leadmicro QL200) |
| Calor úmido | 85°C/85% UR, 20 horas (câmara ambiental ASLi) |
Como foi medido
Parâmetros I-V (Pmax, Voc, FF, Jsc) via sistema LOANA (pv-tools).
Qualidade de passivação por meio do tempo de vida efetivo dos portadores minoritários (τ_eff).
Química de superfície por meio de XPS e SEM-EDS.
Resultados e discussão
Degradação elétrica
O lado traseiro é claramente o sensível. O CH₃COONa na traseira reduziu o Voc em 5,8%, elevou o Rₛ em 450% (Tabela 1) e cortou a intensidade de PL em 37,3% (Fig. 3a). O mesmo tratamento na frontal custou apenas 0,87% de PCE. Mesmo sal, resultado muito diferente dependendo de qual face ele atinge.
Decomposição química da passivação
O XPS na superfície traseira mostrou a fração de ligação Si-O disparando (Fig. 5b), com a razão atômica O/N passando de 1,6 no controle para 53 no grupo com CH₃COONa. O mecanismo é a perda de nitrogênio — o calor úmido hidrolisa o SiNₓ e destrói a passivação superficial.
O que a barreira de AlOₓ faz
Com o AlOₓ por ALD de 10nm no lugar, a perda de PCE sob contaminação traseira por CH₃COONa caiu de 16% para 0,4%, e o Voc se manteve (Fig. 6a). O SEM-EDS mostrou o teor de sódio reduzido em 86% nas amostras com AlOₓ (Fig. 6c), e o PL não mostrou ativação de defeitos (Fig. 6b). A barreira está fazendo exatamente o que se desejaria — mantendo o sódio fora.
Conclusão
Principais conclusões
A camada traseira de SiNₓ hidrolisa e oxida sob calor úmido mais sal de sódio, o que reduz o Voc e eleva o Rₛ (comprovado por XPS/EDS, Fig. 4-5). Uma camada de AlOₓ de 10nm bloqueia a difusão de sódio e mantém a perda de PCE em DH85 abaixo de 1% (Fig. 6a). E a multicamada frontal AlOₓ/SiOᵧNᵣ é intrinsecamente resistente à corrosão, então a contaminação ali quase não se manifesta.
Por que é útil
A barreira de AlOₓ pode entrar diretamente na produção em massa de TOPCon em equipamentos como o Leadmicro QL200. Olhando mais adiante, combinar AlOₓ com SiNₓ na encapsulação de módulos de vidro duplo poderia prolongar a vida útil das usinas em regiões úmidas.
Um pouco de contexto
Estrutura TOPCon: um óxido de túnel (SiO₂) mais um contato passivante de poly-Si dopado, que reduz a recombinação no metal (Feldmann et al., 2014).
ALD: crescimento de nano-filme camada por camada, proporcionando cobertura uniforme de AlOₓ em escala nanométrica.
Teste de DH: envelhecimento acelerado a 85°C/85% UR para simular a degradação de módulos em climas úmidos.
Passivação de SiNₓ: nitreto de silício hidrogenado, bom para anti-reflexo e passivação de superfície, mas possui ligações pendentes e hidrolisa facilmente.
Referências
Tong H. et al., Mitigating contaminant-induced degradation in TOPCon solar cells via ALD AlOₓ barrier, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188
Feldmann F. et al., Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.
Li X. et al., Accelerated damp-heat testing of TOPCon cells using NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.
Peters I.M. et al., The value of stability in photovoltaics, Joule 5 (2021) 3137–3153.
Visão da Ooitech
O que se destaca aqui é quanto da história de confiabilidade reside na pilha de passivação traseira, e não na manchete do design da célula. Numa linha real, um passo extra de 10nm de ALD AlOₓ é um seguro barato para projetos em climas húmidos, e encaixa-se na produção padrão de módulos sem grandes complicações. Construímos linhas de módulos turnkey de ponta a ponta, por isso acompanhamos de perto descobertas como esta — pequenos ajustes de processo a montante decidem frequentemente se uma fábrica se mantém durante 25 anos. Se quiser mais do chão de fábrica, o canal Ooitech no YouTube (www.youtube.com/ooitech) vale a pena seguir.
