UVID em Células Solares TOPCon: Teste IV sem Contato Rastreia a Degradação da Passivação e Perda de Eficiência de 6,72%
Índice
Introdução
As células solares TOPCon agora dominam o mercado fotovoltaico graças à forte passivação de superfície e contatos seletivos de portadores. Mas a operação ao ar livre expõe um ponto fraco real: a degradação induzida por UV, ou UVID. Após a irradiação UV60, a eficiência cai em até 6,72%.
A maioria dos trabalhos anteriores culpava a UVID pela quebra de ligações Si–H por fótons de alta energia e liberação de 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 um único caminho de ruptura de Si–H. E a pilha frontal de Al₂O₃ / SiNₓ é muito mais fraca contra UV do que o lado traseiro.
Um testador IV sem contato ajuda muito aqui. Ele é não destrutivo, usa zero consumíveis, opera em velocidade de milissegundos, funciona com designs BC e sem barramento, e obtém parâmetros IV, EQE e PL em uma única medição.
Este estudo usa ToF-SIMS e XPS com perfil de profundidade para rastrear a distribuição de elementos e mudanças nas ligações químicas nas camadas de Al₂O₃ / SiNₓ antes e depois do UV60. A descoberta: a quebra de ligações N–H é uma segunda fonte de hidrogênio além do Si–H. As ligações Al–O no 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 de SiOₓ/n⁺-poli-Si) foram preparadas. O envelhecimento por UV foi realizado no nível do módulo. A fonte de luz era 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 UV Comparada
Mudanças em (a) τeff na 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 a exposição UV
A estrutura traseira simétrica mal degradou após 60 kWh·m⁻² de exposição UV. Sua camada de poli-Si de 120 nm de espessura absorve quase toda a luz UV e fornece blindagem eficaz.
A estrutura frontal contou 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, aproximadamente três vezes o valor inicial. A passivação Al₂O₃ / SiNₓ degradou fortemente.
Evolução da Composição Química
Perfis de profundidade de intensidade de (a) hidrogênio e (b) oxigênio na amostra simétrica polida de estrutura frontal antes e depois de UV60, medidos por ToF-SIMS
ToF-SIMS mostra a concentração de hidrogênio aumentando claramente após a exposição UV, especialmente dentro da camada SiNₓ. A perfilagem de profundidade por XPS N 1s mostra que na interface SiNₓ / Al₂O₃, a fração de ligação N–H caiu de 9,64% para 5,97%. Portanto, a quebra da ligação N–H é a segunda fonte de hidrogênio além de Si–H. O hidrogênio liberado difunde em direção à região da superfície do SiNₓ e se recombina com o silício ali, razão pela qual a fração N–H na verdade aumenta perto dessa superfície.
O oxigênio conta uma história igualmente importante. O oxigênio na camada Al₂O₃ diminuiu ligeiramente, enquanto o oxigênio nas interfaces SiNₓ/Al₂O₃ e Al₂O₃/Si aumentou. Isso aponta para a quebra das 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 em Al₂O₃ amorfo, íons de alumínio subcoordenados e vacâncias de oxigênio capturam elétrons e ficam carregados negativamente, reduzindo a energia de ativação para a ruptura da ligação Al–O adjacente para cerca de 2,4 eV. Isso significa que a luz UV de 400 nm (3,1 eV) é suficiente para quebrá-las.
Espectros de XPS de perfilagem de profundidade N 1s em diferentes interfaces da camada 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 O 1s mostra oxigênio de rede (OI) se convertendo em vacâncias de oxigênio (OII). Nos espectros 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 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.
Degradação do Desempenho Elétrico
Curvas de EQE e refletância da célula solar TOPCon antes e depois de UV60
Mudança na resistividade de contato frontal da célula solar TOPCon durante a exposição UV60
A refletância permaneceu basicamente inalterada após UV60. O EQE mostrou uma queda moderada na região de comprimento de onda curto abaixo de 500 nm, correspondendo a uma recombinação mais forte na superfície frontal. A resistividade de contato frontal subiu quase linearmente com a dose de UV, atingindo 4,1 mΩ·cm², cerca de 8,6 vezes maior. A causa: hidrogênio livre e oxigênio gerados na camada de passivação difundem-se para a interface do eletrodo e participam de reações redox. O UV também converte moléculas de água na superfície da prata em radicais hidroxila, e juntos corroem o eletrodo metálico.
Taxas de degradação do desempenho elétrico durante a exposição UV60: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff
O Voc caiu 3,46% relativo, impulsionado pela degradação da passivação da superfície frontal e pelo aumento de J₀. O FF caiu 2,82%, impulsionado pela maior resistividade de contato frontal. O Jsc caiu apenas 0,64%, pois a perda de EQE no comprimento de onda curto foi limitada. A perda final de eficiência de conversão fotoelétrica chegou a 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 converte-se em direção a Al–OH e a valência do silício muda. Esses dois mecanismos de degradação, hidrogênio e oxigênio, acumulam-se e pioram a recombinação de superfície. Some-se o aumento acentuado na resistividade de contato frontal, e o resultado é uma perda de eficiência de 6,72%. O trabalho oferece uma referência útil para entender o UVID em 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 é realmente testada, então como você constrói e controla a deposição e encapsulamento de SiNₓ/Al₂O₃ em uma linha de módulos importa tanto quanto a receita da célula. Em nossas linhas de módulos TOPCon e PERC turnkey, vemos a mesma lição se desenrolar no layup, laminação e lado EL: pequenas escolhas de processo decidem se os painéis resistem ao ar livre por anos. Se você quiser mais visões práticas do chão de fábrica, o canal do YouTube da Ooitech em www.youtube.com/ooitech vale a pena seguir.
