TOPCon-Zellen-UVID-Studie: Kontaktloses IV-Testen verfolgt Passivierungsabbau und 6,72% Wirkungsgradverlust
Inhaltsverzeichnis
TOPCon-Zellen-UVID und berührungslose IV-Tests
TOPCon-Solarzellen haben aufgrund ihrer starken Oberflächenpassivierung und selektiven Kontakte eine führende Position im Photovoltaikmarkt erlangt. Im Außenbetrieb sind sie jedoch einer ultravioletinduzierten Degradation (UVID) ausgesetzt. 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 umfasst jedoch einen viel breiteren Photonenenergiebereich von 3,1–4,43 eV, sodass seine Wechselwirkung mit Frontflächenmaterialien nicht allein durch Si-H-Bindungsbruch erklärt werden kann. Der vordere Al₂O₃/SiNₓ-Stapel zeigt ebenfalls eine viel schwächere UV-Beständigkeit als die Rückseitenstruktur.
Der berührungslose IV-Tester von Millennial Solar bietet zerstörungsfreie Tests ohne Verbrauchsmaterialien und eine Messgeschwindigkeit im Millisekundenbereich. Er ist kompatibel mit rückkontaktierten und busbarlosen Zellendesigns und kann in einem Testdurchlauf mehrdimensionale IV-, EQE- und PL-Parameter erfassen.
Diese Studie verwendete Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (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 der N-H-Bindungsbruch neben dem Si-H-Bindungsbruch als zweite Wasserstoffquelle wirkt. UV-Bestrahlung schädigt auch Al-O-Bindungen in amorphem Al₂O₃ und erzeugt zahlreiche Sauerstoffleerstellen. Die kombinierten Wasserstoff- und Sauerstoffmechanismen erhöhen die Oberflächenrekombination und bieten eine klarere Grundlage für die Verbesserung der Zuverlässigkeit der Passivierungsschicht.
Experimentelle Methode
Millennial Solar
(a) Schematische Struktur der TOPCon-Solarzelle; (b) symmetrische Frontstrukturprobe; (c) symmetrische Rückstrukturprobe.
Es wurden zwei symmetrische Probenstrukturen hergestellt. Die Frontstruktur war SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. Die Rückseitenstruktur umfasste SiOₓ/n⁺-poly-Si-Schichten. Die UV-Alterung wurde auf Modulebene mit einer Lichtquelle durchgeführt, die von UV-A dominiert wurde und etwa 11 % UV-B enthielt. Die Testbedingungen waren 60 °C und 30 % relative Luftfeuchtigkeit.
| Testgegenstand | Bedingung oder Konfiguration |
|---|---|
| Frontsymmetrische Probe | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Rückseitensymmetrische 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, identifiziert als UV60 |
| Hauptanalysemethoden | ToF-SIMS und Tiefenprofil-XPS |
Spektrale Bestrahlungsstärke der ultravioletten Lichtquelle.
UV-Beständigkeit von Front- und Rückseitenstrukturen
Millennial Solar
Änderungen in den symmetrischen Front- und Rückseitenstrukturproben während der UV-Bestrahlung: (a) effektive Ladungsträgerlebensdauer, τeff, bei einer injizierten Ladungsträgerkonzentration von 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) implizite Leerlaufspannung, iVoc; und (c) einseitige Sättigungsstromdichte, J₀.
Die symmetrische Rückseitenstruktur zeigte nur eine geringfügige Degradation nach 60 kWh·m⁻² UV-Bestrahlung. Ihre 120 nm dicke poly-Si-Schicht absorbierte fast die gesamte einfallende UV-Strahlung und bot einen wirksamen Schutz für die darunterliegende Grenzfläche.
Die symmetrische Frontstruktur degradierte viel stärker:
Die effektive Ladungsträgerlebensdauer, τeff, fiel von 2.895,6 μs auf 1.552,8 μs.
Die implizite Leerlaufspannung, iVoc, sank von 735,5 mV auf 715,2 mV.
Die einseitige J₀ stieg auf 18,4 fA·cm⁻², etwa das Dreifache des Anfangswerts.
Die Passivierungsleistung von Al₂O₃/SiNₓ verschlechterte sich erheblich.
Diese Ergebnisse bestätigen, dass der Front-SiNₓ/Al₂O₃-Stapel deutlich anfälliger für ultraviolette Strahlung ist als die Rückseiten-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-Bestrahlung.
ToF-SIMS zeigte einen deutlichen Anstieg der Wasserstoffkonzentration nach ultravioletter Bestrahlung, 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 Spaltung von N–H-Bindungen neben der Dissoziation von Si–H-Bindungen eine weitere wichtige Wasserstoffquelle ist.
Ein Teil des freigesetzten Wasserstoffs diffundierte zur SiNₓ-Oberfläche und verband 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 den SiNₓ/Al₂O₃- als auch an den Al₂O₃/Si-Grenzflächen zunahm. Diese Verteilung zeigt, dass durch das Aufbrechen von Al–O-Bindungen 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 ultraviolettes Photon mit 400 nm 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-Bestrahlung, 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 Bildung von Sauerstoffleerstellen 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 nur auf eine einzelne isolierte Bindungsbruchreaktion.
Verschlechterung der elektrischen Leistung
Millennial Solar
EQE- und Reflexionskurven der TOPCon-Solarzelle vor und nach UV60-Bestrahlung.
Die Reflexion blieb nach der 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 der UV60-Bestrahlung.
Der Frontkontaktwiderstand stieg nahezu linear mit der UV-Dosis an und erreichte 4,1 mΩ·cm², etwa das 8,6-fache seines Anfangswerts. 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 der 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 wegen des starken Anstiegs des Frontkontaktwiderstands.
Jsc sank nur um 0,64 %, da der EQE-Verlust hauptsächlich auf den kurzwelligen Bereich beschränkt war.
Der Umwandlungswirkungsgrad sank um 6,72 % nach der UV60-Bestrahlung.
Die vordere SiNₓ/Al₂O₃-Struktur der TOPCon-Solarzelle hat daher eine viel geringere Ultraviolettbeständigkeit 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 wandelt sich Al₂O₃ zu Al–OH um und die Verteilung der Oxidationsstufen von Silizium ändert sich.
Die wasserstoff- und sauerstoffbedingten 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 % Wirkungsgraddegradation führt.. Diese Erkenntnisse bieten eine nützliche Referenz zum Verständnis von TOPCon-UVID und zur Verbesserung der langfristigen Zuverlässigkeit 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 eine lange Außennutzung. Kontaktlose IV-, EQE- und PL-Verfolgung können helfen, diese Verluste früher zu erkennen, ohne zusätzliche mechanische Kontaktschäden an zunehmend empfindlichen Zellkonstruktionen zu verursachen.
