UVID em células solares TOPCon: Teste IV sem contato

Introdução

TOPCon as células solares agora dominam o mercado fotovoltaico graças à forte passivação de superfície e aos contatos seletivos de portadores. Mas a operação ao ar livre expõe um ponto fraco real: a degradação induzida por UV, ou UVID. Após irradiação UV60, a eficiência cai em até 6,72%.

A maioria dos trabalhos anteriores atribuía a UVID a fótons de alta energia que quebram ligações Si–H e liberam hidrogênio livre. Isso é apenas parte da história. O espectro solar UV abrange uma ampla faixa de energia de 3,1–4,43 eV, então sua interação com as camadas da superfície frontal vai muito além de uma única via de ruptura Si–H. E a pilha frontal Al₂O₃ / SiNₓ é muito mais fraca contra UV do que o lado traseiro.

Um testador IV sem contato ajuda muito aqui. É não destrutivo, usa zero consumíveis, opera em velocidade de milissegundos, funciona com designs BC e sem busbar, e extrai parâmetros IV, EQE e PL em um único disparo.

Este estudo usa ToF-SIMS e XPS com perfil de profundidade para rastrear a distribuição de elementos e mudanças de ligações químicas nas camadas Al₂O₃ / SiNₓ antes e depois de UV60. A descoberta: a quebra de ligação N–H é uma segunda fonte de hidrogênio ao lado de Si–H. As ligações Al–O em Al₂O₃ amorfo são quebradas por UV e geram um grande número de vacâncias de oxigênio. Os mecanismos de hidrogênio e oxigênio se acumulam e pioram a recombinação de superfície, dando uma direção clara para melhorar a confiabilidade da passivação.

Método Experimental

(a) Esquema da estrutura da célula solar TOPCon (b) amostra simétrica de estrutura frontal (c) amostra simétrica de estrutura traseira

Amostras simétricas de estrutura frontal (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) e amostras simétricas de estrutura traseira (com camada SiOₓ/n⁺-poly-Si) foram preparadas. O envelhecimento por UV foi realizado em nível de módulo. A fonte de luz foi principalmente UV-A com cerca de 11% de UV-B, sob 60°C e 30% de umidade.

Irradiância espectral da fonte de luz UV

Estrutura Frontal vs Traseira: Resistência a UV Comparada

Mudanças em (a) τeff em uma concentração de portadores de injeção de 1×10¹⁵ cm⁻³, (b) iVoc, e (c) J₀ de um lado para amostras simétricas de estrutura frontal e traseira durante exposição a UV

A estrutura traseira simétrica mal degradou após 60 kWh·m⁻² de exposição a UV. Sua camada de poly-Si de 120 nm de espessura absorve quase toda a luz UV e fornece blindagem eficaz.

A estrutura frontal contava uma história diferente. τeff caiu de 2895,6 μs para 1552,8 μs. iVoc caiu de 735,5 mV para 715,2 mV. J₀ de um lado disparou para 18,4 fA·cm⁻², cerca de três vezes o valor inicial. A passivação de Al₂O₃ / SiNₓ degradou-se fortemente.

Evolução da Composição Química

Perfis de profundidade de intensidade de (a) hidrogênio e (b) oxigênio na amostra simétrica de estrutura frontal polida antes e depois de UV60, medidos por ToF-SIMS

O ToF-SIMS mostra a concentração de hidrogênio aumentando claramente após a exposição a UV, especialmente dentro da camada de SiNₓ. O perfil de profundidade por XPS de N 1s mostra que, na interface SiNₓ / Al₂O₃, a fração de ligações N–H caiu de 9,64% para 5,97%. Portanto, a quebra de ligações N–H é a segunda fonte de hidrogênio além de Si–H. O hidrogênio liberado difunde-se em direção à região superficial do SiNₓ e se recombina com o silício ali, razão pela qual a fração de N–H na verdade aumenta perto dessa superfície.

O oxigênio conta uma história igualmente importante. O oxigênio na camada de Al₂O₃ caiu ligeiramente, enquanto o oxigênio nas interfaces SiNₓ/Al₂O₃ e Al₂O₃/Si aumentou. Isso aponta para a quebra de ligações Al–O e a migração de oxigênio livre para fora. A energia de ligação Al–O em um cristal ideal é de cerca de 5,3 eV. Mas no Al₂O₃ amorfo, íons de alumínio subcoordenados e vacâncias de oxigênio aprisionam elétrons e tornam-se carregados negativamente, reduzindo a energia de ativação para a ruptura de ligações Al–O adjacentes para cerca de 2,4 eV. Isso significa que luz UV de 400 nm (3,1 eV) é suficiente para quebrá-las.

Espectros XPS de perfil de profundidade de N 1s em diferentes interfaces da camada de Al₂O₃/SiNₓ antes e depois de UV60, com curvas ajustadas para ligações N–Si (397,5 eV) e N–H (399,5 eV)

O XPS de O 1s mostra oxigênio de rede (OI) convertendo-se em vacâncias de oxigênio (OII). Nos espectros de Al 2p, a fração de Al₂O₃ caiu de 69,99% para 60,36%, enquanto Al–OH subiu de 30,01% para 39,64%. Nos espectros de Si 2p, Si²⁺ aumentou enquanto o silício de maior valência caiu. Os elétrons liberados quando as vacâncias de oxigênio se formam reduzem o silício de estados de oxidação mais altos. Em conjunto, essas mudanças nas ligações de oxigênio, alumínio e silício mostram que a qualidade do filme de Al₂O₃ já sofreu danos.

Degradação do Desempenho Elétrico

Curvas EQE e de refletância da célula solar TOPCon antes e depois de UV60

Variação da resistividade do contato frontal da célula solar TOPCon durante a exposição a UV60

A refletância permaneceu basicamente inalterada após UV60. A EQE apresentou uma queda moderada na região de comprimento de onda curto abaixo de 500 nm, correspondendo a uma maior recombinação da superfície frontal. A resistividade do contato frontal aumentou quase linearmente com a dose de UV, atingindo 4,1 mΩ·cm², cerca de 8,6 vezes maior. A causa: hidrogênio e oxigênio livres gerados na camada de passivação difundem-se para a interface do eletrodo e participam de reações redox. A UV também converte moléculas de água na superfície de prata em radicais hidroxila, e juntos eles corroem o eletrodo metálico.

Taxas de degradação do desempenho elétrico durante a exposição UV60: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff

Voc caiu 3,46% relativo, impulsionado pela degradação da passivação da superfície frontal e pelo aumento de J₀. FF caiu 2,82%, impulsionado pela maior resistividade do contato frontal. Jsc caiu apenas 0,64%, uma vez que a perda de EQE de comprimento de onda curto foi limitada. A perda final de eficiência de conversão fotovoltaica foi de 6,72%.

Conclusão

A estrutura frontal SiNₓ/Al₂O₃ das células TOPCon é muito mais fraca contra UV do que a estrutura traseira. Sob UV, as ligações Si–H e N–H quebram em sequência e liberam hidrogênio livre. As ligações Al–O no Al₂O₃ amorfo quebram sob UV, liberando oxigênio livre e criando um grande número de vacâncias de oxigênio. O Al₂O₃ se converte em Al–OH e a valência do silício muda. Esses dois mecanismos de degradação, hidrogênio e oxigênio, se acumulam e pioram a recombinação superficial. Some a isso o aumento acentuado da resistividade do contato frontal, e o resultado é uma perda de eficiência de 6,72%. O trabalho oferece uma referência útil para entender o UVID do TOPCon e para melhorar a confiabilidade de longo prazo das camadas de passivação.

Visão da Ooitech

O UVID continua provando que a pilha frontal é onde a confiabilidade realmente é testada, então como você constrói e controla a deposição e o encapsulamento de SiNₓ/Al₂O₃ em uma linha de módulos importa tanto quanto a receita da célula. Em nossas linhas turnkey de módulos TOPCon e PERC, vemos a mesma lição se repetir no layup, na laminação e no lado do EL: pequenas escolhas de processo decidem se os painéis resistem ao ar livre por anos. Se você quer mais visões práticas do chão de fábrica, o canal da Ooitech no YouTube em www.youtube.com/ooitech vale a pena seguir.