TOPCon-Zellen-UVID-Studie: Kontaktlose IV-Prüfung verfolgt Passivierungsdegradation und 6,72% Wirkungsgradverlust
Inhaltsverzeichnis
TOPCon-Zellen-UVID und berührungsloses IV-Testen
TOPCon-Solarzellen haben aufgrund ihrer starken Oberflächenpassivierung und selektiven Kontakte eine führende Position im Photovoltaikmarkt erlangt. Der Betrieb im Freien setzt sie jedoch einer ultravioletinduzierten Degradation (UVID) aus. In dieser Studie fiel der Umwandlungswirkungsgrad um 6,72 % nach UV60-Bestrahlung.
Frühere Arbeiten führten UVID oft hauptsächlich auf hochenergetische Photonen zurück, die Si-H-Bindungen brechen und mobilen Wasserstoff freisetzen. Das solare Ultraviolettspektrum deckt jedoch einen viel breiteren Photonenenergiebereich von 3,1–4,43 eVab, sodass seine Wechselwirkung mit Frontoberflächenmaterialien nicht allein durch Si-H-Bindungsbruch erklärt werden kann. Der vordere Al₂O₃/SiNₓ-Stapel zeigt zudem eine deutlich schwächere UV-Beständigkeit als die Rückseitenstruktur.
Der berührungslose IV-Tester von Millennial Solar bietet zerstörungsfreie Tests ohne Verbrauchsmaterialien und millisekundenschnelle Messungen. Er ist kompatibel mit Rückkontakt- und busbarlosen Zelldesigns und kann in einem Testdurchlauf mehrdimensionale IV-, EQE- und PL-Parameter erfassen.
Diese Studie nutzte Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) zusammen mit Tiefenprofil-Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), um die Elementverteilung und chemischen Bindungsänderungen in den Al₂O₃/SiNₓ-Schichten vor und nach UV60-Bestrahlung zu verfolgen. Die Ergebnisse zeigen, dass N-H-Bindungsbruch als zweite Wasserstoffquelle neben Si-H-Bindungsbruch wirkt. UV-Bestrahlung schädigt auch Al-O-Bindungen in amorphem Al₂O₃ und erzeugt zahlreiche Sauerstofffehlstellen. Die kombinierten Wasserstoff- und Sauerstoffmechanismen erhöhen die Oberflächenrekombination und bieten eine klarere Grundlage zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Passivierungsschicht.
Experimentelle Methode
Millennial Solar
(a) Schematische Struktur der TOPCon-Solarzelle; (b) symmetrische Frontstrukturprobe; (c) symmetrische Rückseitenstrukturprobe.
Es wurden zwei symmetrische Probenstrukturen hergestellt. Die Frontstruktur war SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. Die rückseitige Struktur umfasste SiOₓ/n⁺-poly-Si-Schichten. Die UV-Alterung wurde auf Modulebene mit einer Lichtquelle durchgeführt, die von UV-A dominiert wurde, mit etwa 11 % UV-B. Die Testbedingungen waren 60 °C und 30 % relative Luftfeuchtigkeit.
| Testgegenstand | Zustand oder Konfiguration |
|---|---|
| Frontsymmetrische Probe | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Rücksymmetrische Probe | Struktur mit SiOₓ/n⁺-poly-Si-Schichten |
| UV-Quelle | Hauptsächlich UV-A, mit etwa 11 % UV-B |
| Testtemperatur | 60°C |
| Relative Luftfeuchtigkeit | 30% |
| Maximale berichtete UV-Dosis | 60 kWh·m⁻², bezeichnet als UV60 |
| Hauptanalysemethoden | ToF-SIMS und Tiefenprofil-XPS |
Spektrale Bestrahlungsstärke der ultravioletten Lichtquelle.
UV-Beständigkeit von Vorder- und Rückseitenstrukturen
Millennial Solar
Änderungen in den symmetrischen Vorder- und Rückseitenproben während der UV-Bestrahlung: (a) effektive Trägerlebensdauer, τeff, bei einer injizierten Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) implizierte Leerlaufspannung, iVoc; und (c) einseitige Sättigungsstromdichte, J₀.
Die symmetrische Rückseitenstruktur zeigte nur geringe Degradation nach 60 kWh·m⁻² UV-Bestrahlung. Ihre 120 nm dicke poly-Si-Schicht absorbierte fast die gesamte einfallende UV-Strahlung und bot effektiven Schutz für die darunterliegende Grenzfläche.
Die symmetrische Vorderseitenstruktur degradierte viel stärker:
Die effektive Trägerlebensdauer, τeff, fiel von 2.895,6 μs auf 1.552,8 μs.
Die implizierte Leerlaufspannung, iVoc, sank von 735,5 mV auf 715,2 mV.
Die einseitige J₀ stieg auf 18,4 fA·cm⁻², etwa das Dreifache ihres Anfangswerts.
Die Passivierungsleistung von Al₂O₃/SiNₓ verschlechterte sich erheblich.
Diese Ergebnisse bestätigen, dass der vorderseitige SiNₓ/Al₂O₃-Stapel deutlich anfälliger für ultraviolette Strahlung ist als die rückseitige SiOₓ/poly-Si-Struktur.
Entwicklung der chemischen Zusammensetzung
Millennial Solar
ToF-SIMS-Tiefenprofile der (a) Wasserstoff- und (b) Sauerstoffintensität in polierten symmetrischen Frontstrukturproben vor und nach UV60-Belichtung.
ToF-SIMS zeigte einen deutlichen Anstieg der Wasserstoffkonzentration nach UV-Belichtung, insbesondere innerhalb der SiNₓ-Schicht. Die Tiefenprofilanalyse des N 1s XPS-Signals ergab, dass der Anteil der N–H-Bindungen an der SiNₓ/Al₂O₃-Grenzfläche von 9,64 % auf 5,97 %abnahm. Dies bestätigt, dass die N–H-Bindungsspaltung neben der Si–H-Bindungsdissoziation eine weitere wichtige Wasserstoffquelle darstellt.
Ein Teil des freigesetzten Wasserstoffs diffundierte zur SiNₓ-Oberfläche und band sich erneut mit Silizium. Dies erklärt, warum der lokale N–H-Anteil nahe der Oberfläche anstieg, anstatt weiter zu fallen.
Auch die Sauerstoffentwicklung war entscheidend. Die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Al₂O₃-Schicht nahm leicht ab, während sie sowohl an der SiNₓ/Al₂O₃- als auch an der Al₂O₃/Si-Grenzfläche zunahm. Diese Verteilung deutet darauf hin, dass durch Al–O-Bindungsspaltung freigesetzter Sauerstoff aus dem Al₂O₃-Film nach außen diffundierte.
Die Al–O-Bindungsenergie in einem idealen Kristall beträgt etwa 5,3 eV. Amorphes Al₂O₃ ist anders. Unterkoordinierte Aluminiumionen und negativ geladene Sauerstoffleerstellen können die Aktivierungsenergie für das Aufbrechen benachbarter Al–O-Bindungen auf etwa 2,4 eVsenken. Ein 400 nm UV-Photon trägt etwa 3,1 eV, was bereits ausreicht, um diesen Prozess auszulösen.
N 1s-Tiefenprofil-XPS-Spektren an verschiedenen Al₂O₃/SiNₓ-Grenzflächen vor und nach UV60-Belichtung, einschließlich angepasster N–Si-Bindungen bei 397,5 eV und N–H-Bindungen bei 399,5 eV.
Die O 1s XPS-Ergebnisse zeigten eine Umwandlung von Gittersauerstoff, identifiziert als OI, hin zu sauerstoffleerstellenbezogenen Komponenten, identifiziert als OII. In den Al 2p-Spektren fiel der Al₂O₃-Anteil von 69,99 % auf 60,36 %, während Al–OH von 30,01 % auf 39,64 %.
anstieg. Die Si 2p-Spektren zeigten ebenfalls eine Zunahme von Si²⁺ und eine Abnahme höherer Siliziumoxidationsstufen. Elektronen, die während der Sauerstoffleerstellenbildung freigesetzt wurden, reduzierten Silizium von höheren Oxidationsstufen. Diese koordinierten Veränderungen in der Sauerstoff-, Aluminium- und Siliziumbindung deuten auf eine breite Schädigung des Al₂O₃-Films hin, nicht auf eine einzelne isolierte Bindungsspaltungsreaktion.
Verschlechterung der elektrischen Leistung
Millennial Solar
EQE- und Reflexionskurven der TOPCon-Solarzelle vor und nach UV60-Bestrahlung.
Die Reflexion blieb nach UV60-Bestrahlung nahezu unverändert. Die EQE zeigte einen moderaten Rückgang im kurzwelligen Bereich unter 500 nm, was auf eine stärkere Rekombination an der Vorderseite hindeutet.
Änderung des Frontkontaktwiderstands der TOPCon-Solarzelle während UV60-Bestrahlung.
Der Frontkontaktwiderstand stieg nahezu linear mit der UV-Dosis an und erreichte 4,1 mΩ·cm², etwa 8,6-mal seines Ausgangswerts. Der vorgeschlagene Mechanismus hängt mit mobilem Wasserstoff und Sauerstoff zusammen, die in den Passivierungsschichten erzeugt werden. Diese Spezies diffundieren zur Elektrodengrenzfläche und nehmen an Oxidations-Reduktions-Reaktionen teil.
UV-Strahlung kann auch Wassermoleküle auf der Silberoberfläche in Hydroxylradikale umwandeln. Zusammen fördern diese Reaktionen die Korrosion der Metallelektrode und erhöhen den Kontaktwiderstand.
Verschlechterung der elektrischen Leistung der TOPCon-Solarzelle während UV60-Bestrahlung: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; und (d) Wirkungsgrad.
Die endgültigen elektrischen Verluste verteilten sich auf mehrere Parameter:
Voc sank um 3,46 %, hauptsächlich aufgrund der Verschlechterung der Vorderseitenpassivierung und des Anstiegs von J₀.
FF sank um 2,82 %, hauptsächlich aufgrund des starken Anstiegs des Frontkontaktwiderstands.
Jsc sank nur um 0,64 %, da der EQE-Verlust hauptsächlich auf den kurzwelligen Bereich beschränkt war.
Der Konversionswirkungsgrad sank um 6,72 % nach UV60-Bestrahlung.
Die vordere SiNₓ/Al₂O₃-Struktur der TOPCon-Solarzelle hat daher eine viel geringere UV-Beständigkeit als die hintere Struktur. Unter UV-Bestrahlung brechen Si–H- und N–H-Bindungen und setzen mobilen Wasserstoff frei. Al–O-Bindungen in amorphem Al₂O₃ werden ebenfalls beschädigt, wodurch Sauerstoff freigesetzt und eine hohe Dichte an Sauerstoffleerstellen erzeugt wird. Gleichzeitig verschiebt sich Al₂O₃ zu Al–OH und die Verteilung der Siliziumoxidationszustände ändert sich.
Die wasserstoff- und sauerstoffbezogenen Degradationsmechanismen wirken zusammen, um die Oberflächenrekombination zu verstärken. Der damit einhergehende Anstieg des Frontkontaktwiderstands fügt einen separaten elektrischen Verlust hinzu, was zu der gemessenen 6,72 % Wirkungsgradverschlechterung führt.. Diese Erkenntnisse bieten eine nützliche Referenz zum Verständnis von TOPCon UVID und zur Verbesserung der Langzeitzuverlässigkeit von Frontseiten-Passivierungsstapeln.
Ooitechs Ansicht
Der entscheidende Punkt ist, dass TOPCon UVID nicht als einfaches Si-H-Bindungsproblem behandelt werden kann. Passivierungschemie, Sauerstofffehlstellenkontrolle und Metallisierungsstabilität müssen gemeinsam bewertet werden, insbesondere bei der Qualifizierung von Modulproduktionsprozessen für den langen Außeneinsatz. Berührungslose IV-, EQE- und PL-Verfolgung können helfen, diese Verluste früher zu identifizieren, ohne zusätzliche mechanische Kontaktschäden an zunehmend empfindlichen Zellendesigns zu verursachen.
