TOPCon-Zellen unter Feuchter Wärme: Warum die Rückseite zuerst versagt
Inhaltsverzeichnis
Einführung
TOPCon hat den Großteil des hocheffizienten c-Si-Marktes übernommen, aber die langfristige Feldzuverlässigkeit ist noch ein bewegliches Ziel. Eine Schwachstelle taucht in Feuchtwärmestudien immer wieder auf: der rückseitige Passivierungsstapel. Eine aktuelle Studie (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) hat genau ermittelt, was schiefgeht, wenn Natriumsalze auf die Zelloberfläche gelangen und bei 85 °C/85 % rF einwirken. Kurz gesagt – die rückseitige SiNₓ-Schicht ist die Schwachstelle, und ein dünner ALD-AlOₓ-Film behebt das meiste.
Wichtigste Ergebnisse auf einen Blick
Die rückseitige SiNₓ-Schicht ist die Feuchtwärme-Schwachstelle. Natriumacetat (CH₃COONa) senkte die rückseitige Leerlaufspannung (Voc) um 5,8 % und erhöhte den Serienwiderstand (Rₛ) um 450 %.
Natriumsalze beschleunigen die Oberflächenoxidation und den Stickstoffverlust. XPS zeigte, dass das rückseitige Si/N-Atomverhältnis von 1,3 auf 23 und O/N von 1,6 auf 53 anstieg.
Eine 10 nm dicke ALD-Al₂O₃-Barriere machte einen großen Unterschied – der PCE-Verlust unter CH₃COONa-Kontamination sank von 16 % auf nur 0,4 %.
Die Frontpassivierung ist viel robuster. Der AlOₓ/SiOᵧNᵣ-Mehrschichtstapel blockiert die Natriumdiffusion, sodass eine Kontamination dort nur 0,87 % PCE kostete.
Die beiden Kontaminanten wirken unterschiedlich: Natriumacetat greift den Metallkontakt an, während Natriumchlorid (NaCl) hauptsächlich die Passivierungsschicht oxidiert.
Hintergrund
Die Kernfrage ist einfach zu stellen, aber schwerer zu beantworten: Warum verlieren TOPCon-Zellen unter Feuchtwärme in Gegenwart von Natriumsalzen an Leistung, und warum ist die rückseitige Passivierung stärker betroffen (Kyranaki et al., 2022)?
Wo die Lücken sind
Die meiste bisherige Arbeit konzentrierte sich auf die Korrosion von Metallkontakten (Iqbal et al., 2023), aber niemand hatte systematisch den chemischen Abbau der Passivierungsschicht selbst untersucht. Die Vorder- und Rückseitenstapel sind unterschiedlich aufgebaut – vorne AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, hinten SiNₓ über dotiertem poly-Si – und ihre Korrosionsbeständigkeit wurde nie direkt verglichen (Feldmann et al., 2014). Darüber hinaus nahm man an, dass sich die beiden häufigsten Verunreinigungen (CH₃COONa vs. NaCl) gleich verhalten, was sie aber nicht tun (Li et al., 2021).
Das richtig zu machen, ist für echtes Geld relevant. PV-Anlagen werden mit einer 25-jährigen Lebensdauergarantie verkauft (Peters et al., 2021), und ein Ausfallmodus auf der Rückseite, der unter Feuchtigkeit auftritt, ist genau das, was diese Garantie untergräbt.
Ansatz
Der Arbeitsablauf wurde nahe an einem realen Produktionsablauf gehalten: industrielle TOPCon-Zellen → lokales Aufsprühen von Natriumsalz auf die Vorder- oder Rückseite → beschleunigte Feuchte Wärme (85°C/85% rF) → elektrische und chemische Charakterisierung → Test einer ALD-AlOₓ-Barriere → Aufklärung des Schutzmechanismus.
Was ist neu hier
Auf der theoretischen Seite ist dies die erste Studie, die auf den Stickstoffverlust in der rückseitigen SiNₓ-Schicht als Haupttreiber des Voc-Abfalls hinweist. Auf der praktischen Seite läuft die 10 nm AlOₓ-Schicht auf standardmäßigen industriellen ALD-Anlagen und kostet nur etwa 0,01% absoluten Wirkungsgrad. Und methodisch baute das Team einen Zell-DH-Test auf, bei dem 20 Stunden für mehrere Jahre Freilandalterung stehen (Sen et al., 2023).
Die Logikkette ist leicht nachvollziehbar: Rückseitenkontamination verursacht einen starken Voc-Abfall, was direkt auf einen Passivierungsfehler hinweist. XPS bestätigt dann die SiNₓ-Oxidationsreaktion und den dadurch geöffneten Natriumdiffusionspfad. Füge die AlOₓ-Schicht hinzu, blockiere das Natrium, und PL-Bildgebung bestätigt, dass die Defekte unterdrückt werden.
Methoden
Probenvorbereitung
| Artikel | Detail |
|---|---|
| Zellstruktur | n-Typ TOPCon. Vorderseite: Bor-diffundierter Emitter + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC. Rückseite: SiO₂/phosphordotiertes poly-Si + SiNₓ, ARC |
| Verunreinigung | 0,155 mol/L CH₃COONa- oder NaCl-Lösung, 0,3 g pro Probe, lokales Sprühen |
| ALD-Barriere | 10 nm AlOₓ, abgeschieden bei 150°C (Leadmicro QL200) |
| Feuchte Wärme | 85°C/85% rF, 20 Stunden (ASLi Klimakammer) |
Wie gemessen wurde
I-V-Parameter (Pmax, Voc, FF, Jsc) über das LOANA-System (pv-tools).
Passivierungsqualität durch effektive Minoritätsträgerlebensdauer (τ_eff).
Oberflächenchemie mittels XPS und REM-EDS.
Ergebnisse und Diskussion
Elektrische Degradation
Die Rückseite ist eindeutig die empfindliche Seite. CH₃COONa auf der Rückseite senkte Voc um 5,8 %, erhöhte Rₛ um 450 % (Tabelle 1) und reduzierte die PL-Intensität um 37,3 % (Abb. 3a). Dieselbe Behandlung auf der Vorderseite kostete nur 0,87 % PCE. Gleiches Salz, sehr unterschiedliches Ergebnis je nach getroffener Seite.
Chemischer Abbau der Passivierung
XPS auf der Rückseite zeigte einen starken Anstieg des Si-O-Bindungsanteils (Abb. 5b), wobei das O/N-Atomverhältnis von 1,6 in der Kontrollgruppe auf 53 in der CH₃COONa-Gruppe anstieg. Der Mechanismus ist Stickstoffverlust – feuchte Hitze hydrolysiert das SiNₓ und zerstört die Oberflächenpassivierung.
Was die AlOₓ-Barriere bewirkt
Mit der 10 nm ALD-AlOₓ-Schicht fiel der PCE-Verlust unter rückseitiger CH₃COONa-Kontamination von 16 % auf 0,4 %, und Voc blieb stabil (Abb. 6a). REM-EDS zeigte einen um 86 % reduzierten Natriumgehalt in den AlOₓ-Proben (Abb. 6c), und PL zeigte keine Defektaktivierung (Abb. 6b). Die Barriere tut genau das, was man will – sie hält das Natrium fern.
Fazit
Wichtigste Erkenntnisse
Die rückseitige SiNₓ-Schicht hydrolysiert und oxidiert unter feuchter Hitze und Natriumsalz, was Voc senkt und Rₛ erhöht (gestützt durch XPS/EDS, Abb. 4-5). Eine 10 nm AlOₓ-Schicht blockiert die Natriumdiffusion und hält den DH85-PCE-Verlust unter 1 % (Abb. 6a). Und die vorderseitige AlOₓ/SiOᵧNᵣ-Multischicht ist intrinsisch korrosionsbeständig, sodass eine Kontamination dort kaum messbar ist.
Warum es nützlich ist
Die AlOₓ-Barriere kann direkt in die TOPCon-Massenproduktion auf Anlagen wie dem Leadmicro QL200 integriert werden. Langfristig könnte die Kombination von AlOₓ mit SiNₓ in Doppelglas-Modulverkapselungen die Lebensdauer von Anlagen in feuchten Regionen verlängern.
Ein wenig Hintergrund
TOPCon-Struktur: ein Tunneloxid (SiO₂) plus dotierter poly-Si-Passivierungskontakt, der die Rekombination am Metall reduziert (Feldmann et al., 2014).
ALD: schichtweises Nano-Filmwachstum, das gleichmäßige nanoskalige AlOₓ-Bedeckung ermöglicht.
DH-Test: beschleunigte Alterung bei 85 °C/85 % RF zur Nachbildung von Moduldegradation in feuchten Klimazonen.
SiNₓ-Passivierung: wasserstoffhaltiges Siliziumnitrid, gut für Antireflexion und Oberflächenpassivierung, trägt aber ungesättigte Bindungen und hydrolysiert leicht.
Referenzen
Tong H. et al., Mitigating contaminant-induced degradation in TOPCon solar cells via ALD AlOₓ barrier, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188
Feldmann F. et al., Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.
Li X. et al., Accelerated damp-heat testing of TOPCon cells using NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.
Peters I.M. et al., The value of stability in photovoltaics, Joule 5 (2021) 3137–3153.
Ooitechs Ansicht
Was hier auffällt, ist, wie viel der Zuverlässigkeitsgeschichte im rückseitigen Passivierungsstapel steckt, nicht in der Zell-Design-Überschrift. In einer echten Produktionslinie ist ein zusätzlicher 10nm ALD AlOₓ-Schritt eine günstige Versicherung für Projekte in feuchten Klimazonen und lässt sich ohne großen Aufwand in die Standard-Modulproduktion integrieren. Wir bauen schlüsselfertige Modullinien von Anfang bis Ende, daher verfolgen wir solche Erkenntnisse genau – kleine Prozessanpassungen vorgelagert entscheiden oft darüber, ob eine Anlage 25 Jahre hält. Wenn Sie mehr aus der Fabrikhalle erfahren möchten, der Ooitech YouTube-Kanal (www.youtube.com/ooitech) einen Blick wert.
