Temperaturdegradation und LeTID-Dynamik

Kurze Antwort: Interdigitierte Rückkontaktzellen verlegen beide Polaritätskontakte auf die Rückseite, und das Temperaturverhalten dieser Architektur unterscheidet sich von dem einer Vorderkontaktzelle. Diese Analyse behandelt Temperaturdegradation sowie licht- und erhöht-temperaturinduzierte Degradation, oder LeTID, in IBC-Zellen über Bedingungen von 25 °C bis 85 °C, mit berichteten Leerlaufspannungen um 0,743 V und 0,69 V für die verglichenen Strukturen. Degradation dieser Art ist teilweise erholbar, was leicht fehlinterpretiert werden kann: Eine Zelle, die sich nach Entfernen der Belastung erholt, kann dennoch dauerhaft Leistung verloren haben, und ein Test, der nur den Endwert erfasst, kann die beiden nicht trennen. Die Messtemperatur ist ebenso wichtig wie die Belastungstemperatur, da sowohl die Degradation als auch die Erholung thermisch aktiviert sind.

PV-Modulfertigung · von Jerry, Ooitech

Produkteinführung

Interdigitierte Rückkontakt-Solarzellen (IBC) verlagern beide Polaritäts-Metallkontakte auf die Rückseite. Die Vorderseite trägt keine Gridline-Verschattung, sodass die optischen Vorteile der Texturierung und der Antireflexbeschichtung voll zum Tragen kommen. In Kombination mit guter Passivierung und Kontaktprozessen kann n-Typ-IBC eine sehr hohe Leerlaufspannung und Stromdichte erreichen.

Der Kompromiss ist eine strukturelle Empfindlichkeit, die in das Design eingebaut ist. Photogenerierte Minoritätsladungsträger müssen lateral über die Basis wandern, bevor der rückseitige interdigitierte Emitter sie sammeln kann. Die Geräteleistung hängt stark von der Bulk-Lebensdauer und der Qualität der Rückseitenpassivierung ab. Sobald die Rückseiten-Grenzflächenrekombination oder der Kontaktleckstrom thermisch aktiviert wird, steigt die Dunkelsättigungsstromdichte J0 überproportional an, und Voc leidet darunter.

Genau das ist der Einstiegspunkt dieser Arbeit. Bei einer n-Typ-IBC-Zelle werden drei Beweisgruppen in dieselbe thermische Umgebung gebracht, sodass sie zusammenwirken: beleuchtete J-V-Messungen von 25 bis 85 °C, ein LeTID-Stresstest unter einer Sonne bei 45 bis 85 °C für bis zu 960 Minuten und Dunkel-I-V-Analyse über denselben Temperaturbereich.

Versuchsaufbau

Querschnitts-Schema der n-Typ-IBC-Zelle: rückseitige interdigitierte p+-Emitter- und n+-BSF-Kontakte, Vorderseitentexturierung und ARC.

Die Testzelle hat eine Fläche von 258,3 cm², eine Waferdicke von 151 ± 6 μm, eine rückseitige interdigitierte Periode von etwa 480 μm und Emitter- und BSF-Fingerbreiten von ungefähr 250 μm bzw. 90 μm. Beleuchtete Messungen liefen bei AM1,5G, 100 mW/cm². Bei jedem Temperaturpunkt wurden nach thermischer Stabilisierung fünf Scans gemittelt. Der LeTID-Stress wurde direkt bei der Stresstemperatur gemessen, ohne Abkühlung während des Tests, und in exponentiellen Intervallen von 1, 2, 4, 8 Minuten usw. protokolliert. Jeder Parameter wurde auf seinen Anfangswert normalisiert, was die intrinsische Degradationsdynamik vom momentanen Temperaturkoeffizienteneffekt trennt.

Stationäre thermische Empfindlichkeit

Normalisierte thermische Entwicklung von vier Parametern relativ zu ihren eigenen 25°C-Werten.

Bei 25°C zeigt die Zelle Jsc um 38,6 mA/cm², Voc um 0,743 V, FF um 79% und einen Wirkungsgrad um 22,7%. Beim Erhitzen auf 85°C steigt Jsc nur um etwa 3% (+0,0203 mA·cm⁻²·K⁻¹, ungefähr +0,05%/K). Voc fällt linear mit −1,4 mV/K (etwa −0,2%/°C). Der Wirkungsgrad sinkt um etwa 9%, und FF bewegt sich kaum.

Der geringe Stromanstieg kommt von der Bandlückenverengung. Gemäß der Varshni-Beziehung verschiebt sich die Absorptionskante zu längeren Wellenlängen, sodass die Photogenerierung leicht zunimmt. Der schnelle Spannungsabfall kommt vom exponentiellen Wachstum von J0(T), das durch die intrinsische Ladungsträgerkonzentration und Rekombinationsaktivität bestimmt wird. Voc skaliert mit ln(Jsc/J0), sodass ein moderater Anstieg von J0 ausreicht, um einen messbaren Verlust zu verursachen.

Dieser Temperaturkoeffizient liegt im Bereich von −1,3 bis −1,6 mV/K, der für hochwertige kristalline Siliziumbauelemente üblich ist. Er kennzeichnet eine rekombinationslimitierte Zelle und nicht eine widerstands- oder transportlimitierte. Nach der Normalisierung ist die Rangfolge ebenso klar: Bei 85°C sinkt Voc um etwa 15%, der Wirkungsgrad um etwa 9%, FF bleibt innerhalb von ±1%, und Jsc gewinnt tatsächlich etwa 3%.

LeTID-Dynamik

LeTID-Abbaudynamik.

Die stationäre Messung beantwortet nur "wie heiß". Das LeTID-Stressexperiment füllt aus "wie es sich über die Zeit ändert". Bei 85°C fällt Voc in den ersten 10 bis 30 Minuten schnell ab, nähert sich dann langsam einer Quasi-Sättigung. Bei niedrigeren Temperaturen ist der Abfall viel sanfter. Nach 960 Minuten fällt Voc auf etwa 0,69 V, Jsc bleibt während des gesamten Experiments innerhalb von ±2%, FF schwankt leicht, und im Versuchszeitraum zeigt sich keine Regeneration. Da die Messungen bei der Stresstemperatur nach thermischer Stabilisierung durchgeführt wurden, sollte der frühe Spannungsabfall eher auf schnelle Defektzustandsaktivierung als auf transientes thermisches Gleichgewicht zurückgeführt werden. Das stabile Jsc zeigt, dass Photogenerierung und Kurzschluss-Extraktion nicht beeinträchtigt wurden, sodass der dominante Verlust nicht generierungslimitiert ist. Die Autoren weisen auch auf eine Einschränkung hin: Es gibt kein Dunkel-Ausheil-Kontrollexperiment, sodass der Beitrag eines rein thermischen Effekts nicht vollständig ausgeschlossen werden kann.

Dunkelzustands-Verifikation

Dunkles elektrisches Verhalten und Leckkanäle: (a) dunkle J-V-Kurven, (b) differentieller Widerstand, (c) extrahierter Shunt- und Serienwiderstand, (d) Arrhenius-Analyse der Shunt-Leitfähigkeit mit Ea ≈ 1,10 eV.

Die Dunkel-I-V-Kennlinie nähert sich demselben Problem von außerhalb des beleuchteten Bereichs. Der Vorwärtsstrom steigt mit der Temperatur deutlich an. Die Steigung bei niedriger Vorspannung zeigt einen klaren Abfall des Shunt-Widerstands, während sich der Bereich hoher Ströme kaum ändert. Die temperaturabhängige Widerstandsentwicklung wird also von der Leckstromaktivierung dominiert, nicht von einer Degradation des Serienwiderstands. Der Idealitätsfaktor bleibt bei 1,05 bis 1,25, was bedeutet, dass die Diffusionsrekombination dominiert, mit einem möglichen SRH-Beitrag bei hoher Temperatur.

Eine Arrhenius-Analyse des Shunt-Leitwerts ergibt eine gute lineare Anpassung von ln(1/Rsh) gegen 1/T (R² = 0,97), mit einer Aktivierungsenergie von 1,10 ± 0,08 eV. Das ist vergleichbar mit der Silizium-Bandlücke (etwa 1,12 eV) und liegt innerhalb des berichteten LeTID-Bereichs von 0,8 bis 1,2 eV. Eine Aktivierungsenergie in der Größenordnung der Bandlücke wird oft mit defektunterstützter Leitung über tiefe Störstellen in Verbindung gebracht, aber ein Beitrag der intrinsischen Ladungsträgerkonzentration kann nicht ausgeschlossen werden. Dies unterstützt also ein thermisch aktiviertes Leckverhalten, ohne eine spezifische Defektart festzulegen.

Einheitlicher Rahmen und Feldextrapolation

Drei Beweislinien konvergieren in einem phänomenologischen Rahmen: J0(t, T) = J0,intr(T) + A·Ndef(t, T). Zusätzlich zum intrinsischen Sättigungsstrom gibt es einen thermisch aktivierten Defektbeitrag, der sich mit Zeit und Temperatur entwickelt. Dies wird dann über Voc = (nkT/q)·ln(Jsc/(J0 + 1)) in einen Spannungsverlust umgerechnet. Rekombinationsverstärkung und Leckstromaktivierung laufen parallel innerhalb desselben Ausdrucks. Der stationäre Temperaturkoeffizient, die LeTID-Dynamik und die Entwicklung des Dunkel-Leckstroms werden dadurch miteinander verknüpft. Der Rahmen identifiziert keine spezifische Defektart.

Extrapolation auf den Außenbetrieb: Bei hoher Einstrahlung liegen die Zelltemperaturen von Modulen häufig bei 50 bis 65 °C. Mit −1,4 mV/K bedeutet 60 °C gegenüber 25 °C etwa 49 mV Spannungsverlust, und temperaturbeschleunigter LeTID fügt dem einen zeitabhängigen Verlust hinzu. Die Schlussfolgerungen gelten nur für die gemessene Zelle. Für Back-Contact- TOPCon und Back-Contact-HJT sind sie nur eine qualitative Referenz: Degradationsausmaß, Aktivierungsenergie und Regenerationsdynamik hängen vom jeweiligen Passivierungskontaktschema, der Grenzflächenqualität, der Wasserstoffverteilung und der thermischen Stabilität ab und verdienen eine eigene vergleichende Untersuchung. Für hocheffiziente Back-Contact-Bauelemente in warmen Klimazonen beruhen Spannungsrobustheit und langfristiger Energieertrag letztlich auf der Stabilität der Rückseitenpassivierung und dem Defektmanagement.

Ooitechs Ansicht

Was uns hier auffällt, ist, wie viel dieser 49 mV Außenverlust auf der Rückseite liegt, wo Passivierung und Kontaktqualität über die langfristige Voc entscheiden. Auf der Modullinie ist die Geschichte dieselbe: Wie Sie eine IBC-Zelle schneiden, verschalten und laminieren, entscheidet darüber, ob diese Rückseitenstabilität im Feld überlebt. Da wir schlüsselfertige Linien für IBC- und HPBC-Layouts gebaut haben, sehen wir die LeTID-Robustheit als ein Prozess- und Materialproblem ebenso wie als ein Zellproblem. Ein Follow auf unserem YouTube-Kanal lohnt sich www.youtube.com/ooitech wenn Sie sehen möchten, wie Rückkontaktmodule tatsächlich gebaut werden.