UVID in TOPCon-Solarzellen: Berührungslose IV-Tests
Inhaltsverzeichnis
Einführung
TOPCon Solarzellen dominieren heute den PV-Markt dank starker Oberflächenpassivierung und ladungsträgerselektiver Kontakte. Der Betrieb im Freien offenbart jedoch eine echte Schwachstelle: UV-induzierte Degradation, oder UVID. Nach UV60-Bestrahlung sinkt der Wirkungsgrad um bis zu 6,72 %.
Die meisten früheren Arbeiten führten UVID auf hochenergetische Photonen zurück, die Si-H-Bindungen brechen und freien Wasserstoff freisetzen. Das ist nur ein Teil der Geschichte. Das solare UV-Spektrum umfasst einen weiten Energiebereich von 3,1–4,43 eV, daher geht seine Wechselwirkung mit den vorderseitigen Schichten weit über einen einzelnen Si-H-Bruchpfad hinaus. Und der vorderseitige Al₂O₃ / SiNₓ-Stapel ist gegen UV deutlich schwächer als die Rückseite.
Ein berührungsloser IV-Tester hilft hier sehr. Er ist zerstörungsfrei, verbraucht keine Verbrauchsmaterialien, arbeitet im Millisekundenbereich, funktioniert mit BC- und busbarlosen Designs und erfasst IV-, EQE- und PL-Parameter in einem einzigen Durchgang.
Diese Studie verwendet ToF-SIMS und Tiefenprofil-XPS, um die Elementverteilung und chemischen Bindungsänderungen in den Al₂O₃ / SiNₓ-Schichten vor und nach UV60 zu verfolgen. Das Ergebnis: Der N-H-Bindungsbruch ist neben Si-H eine zweite Wasserstoffquelle. Al-O-Bindungen in amorphem Al₂O₃ werden durch UV gebrochen und erzeugen eine große Anzahl von Sauerstofffehlstellen. Die Wasserstoff- und Sauerstoffmechanismen addieren sich und verschlechtern die Oberflächenrekombination, was eine klare Richtung zur Verbesserung der Passivierungszuverlässigkeit vorgibt.
Experimentelle Methode
(a) Schematische Struktur einer TOPCon-Solarzelle (b) symmetrische Frontstrukturprobe (c) symmetrische Rückstrukturprobe
Symmetrische Frontstrukturproben (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) und symmetrische Rückstrukturproben (mit SiOₓ/n⁺-poly-Si-Schicht) wurden hergestellt. Die UV-Alterung wurde auf Modulebene durchgeführt. Die Lichtquelle war hauptsächlich UV-A mit etwa 11 % UV-B, bei 60 °C und 30 % Luftfeuchtigkeit.
Spektrale Bestrahlungsstärke der UV-Lichtquelle
Front- vs. Rückstruktur: UV-Beständigkeit im Vergleich
Änderungen von (a) τeff bei einer Injektionsladungsträgerkonzentration von 1×10¹⁵ cm⁻³, (b) iVoc und (c) einseitigem J₀ für symmetrische Front- und Rückstrukturproben während der UV-Bestrahlung
Die symmetrische Rückseitenstruktur degradierte nach 60 kWh·m⁻² UV-Bestrahlung kaum. Ihre 120 nm dicke poly-Si-Schicht absorbiert fast das gesamte UV-Licht und bietet einen effektiven Schutz.
Die Frontstruktur erzählte eine andere Geschichte. τeff fiel von 2895,6 μs auf 1552,8 μs. iVoc sank von 735,5 mV auf 715,2 mV. Einseitiges J₀ stieg auf 18,4 fA·cm⁻², etwa das Dreifache des Anfangswerts. Die Al₂O₃ / SiNₓ-Passivierung degradierte stark.
Entwicklung der chemischen Zusammensetzung
Intensitätstiefenprofile von (a) Wasserstoff und (b) Sauerstoff in der polierten symmetrischen Frontstrukturprobe vor und nach UV60, gemessen mit ToF-SIMS
ToF-SIMS zeigt, dass die Wasserstoffkonzentration nach UV-Bestrahlung deutlich ansteigt, insbesondere innerhalb der SiNₓ-Schicht. N-1s-XPS-Tiefenprofilierung zeigt, dass an der SiNₓ / Al₂O₃-Grenzfläche der N–H-Bindungsanteil von 9,64 % auf 5,97 % fiel. Die N–H-Bindungsspaltung ist also die zweite Wasserstoffquelle neben Si–H. Der freigesetzte Wasserstoff diffundiert in Richtung der SiNₓ-Oberflächenregion und rekombiniert dort mit Silizium, weshalb der N–H-Anteil in der Nähe dieser Oberfläche tatsächlich ansteigt.
Sauerstoff erzählt eine ebenso wichtige Geschichte. Der Sauerstoff in der Al₂O₃-Schicht nahm leicht ab, während der Sauerstoff an den Grenzflächen SiNₓ/Al₂O₃ und Al₂O₃/Si zunahm. Dies deutet auf das Aufbrechen von Al–O-Bindungen und die Auswanderung von freiem Sauerstoff hin. Die Al–O-Bindungsenergie in einem idealen Kristall beträgt etwa 5,3 eV. In amorphem Al₂O₃ jedoch fangen unterkoordinierte Aluminiumionen und Sauerstoffleerstellen Elektronen ein und werden negativ geladen, wodurch die Aktivierungsenergie für den Bruch benachbarter Al–O-Bindungen auf etwa 2,4 eV sinkt. Das bedeutet, dass 400-nm-UV-Licht (3,1 eV) ausreicht, um sie zu brechen.
N-1s-Tiefenprofil-XPS-Spektren an verschiedenen Grenzflächen der Al₂O₃/SiNₓ-Schicht vor und nach UV60, mit angepassten Kurven für N–Si- (397,5 eV) und N–H-Bindungen (399,5 eV)
O-1s-XPS zeigt, dass Gittersauerstoff (OI) in Sauerstoffleerstellen (OII) umgewandelt wird. 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. In den Si-2p-Spektren nahm Si²⁺ zu, während Silizium mit höherer Wertigkeit abnahm. Die bei der Bildung von Sauerstoffleerstellen freigesetzten Elektronen reduzieren Silizium aus höheren Oxidationsstufen. Zusammengenommen zeigen diese Veränderungen in der Sauerstoff-, Aluminium- und Siliziumbindung, dass die Qualität des Al₂O₃-Films bereits gelitten hat.
Verschlechterung der elektrischen Leistung
EQE- und Reflexionskurven der TOPCon-Solarzelle vor und nach UV60
Änderung des Frontkontaktwiderstands der TOPCon-Solarzelle während der UV60-Bestrahlung
Die Reflektanz blieb nach UV60 im Wesentlichen unverändert. Die EQE zeigte einen moderaten Abfall im kurzwelligen Bereich unter 500 nm, was auf eine stärkere Rekombination an der Vorderseitenoberfläche hindeutet. Der Kontaktwiderstand der Vorderseite stieg nahezu linear mit der UV-Dosis an und erreichte 4,1 mΩ·cm², etwa 8,6-mal höher. Die Ursache: Freier Wasserstoff und Sauerstoff, die in der Passivierungsschicht erzeugt werden, diffundieren zur Elektrodengrenzfläche und nehmen an Redoxreaktionen teil. UV wandelt auch Wassermoleküle auf der Silberoberfläche in Hydroxylradikale um, und zusammen korrodieren sie die Metallelektrode.
Abbauraten der elektrischen Leistung während UV60-Belastung: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff
Voc fiel relativ um 3,46 %, verursacht durch die Verschlechterung der Vorderseitenpassivierung und den Anstieg von J₀. FF fiel um 2,82 %, verursacht durch den höheren Kontaktwiderstand der Vorderseite. Jsc fiel nur um 0,64 %, da der EQE-Verlust im kurzwelligen Bereich begrenzt war. Der endgültige Verlust der photoelektrischen Umwandlungseffizienz betrug 6,72 %.
Fazit
Die vordere SiNₓ/Al₂O₃-Struktur von TOPCon-Zellen ist gegenüber UV weitaus schwächer als die hintere Struktur. Unter UV brechen Si–H- und N–H-Bindungen nacheinander und setzen freien Wasserstoff frei. Al–O-Bindungen in amorphem Al₂O₃ brechen unter UV, setzen freien Sauerstoff frei und erzeugen eine große Anzahl von Sauerstoffleerstellen. Al₂O₃ wandelt sich in Richtung Al–OH um und die Siliziumvalenz verschiebt sich. Diese beiden Degradationsmechanismen, Wasserstoff und Sauerstoff, überlagern sich und verschlechtern die Oberflächenrekombination. Hinzu kommt der starke Anstieg des Kontaktwiderstands der Vorderseite, was zu einem Effizienzverlust von 6,72 % führt. Die Arbeit bietet eine nützliche Referenz zum Verständnis von TOPCon-UVID und zur Verbesserung der Langzeitzuverlässigkeit von Passivierungsschichten.
Ooitechs Ansicht
UVID zeigt immer wieder, dass der vordere Schichtstapel der Ort ist, an dem die Zuverlässigkeit wirklich auf die Probe gestellt wird. Daher ist es genauso wichtig, wie Sie die SiNₓ/Al₂O₃-Abscheidung und Verkapselung auf einer Modullinie aufbauen und steuern, wie das Zellrezept. Auf unseren schlüsselfertigen TOPCon- und PERC-Modullinien sehen wir dieselbe Lektion beim Layup, der Lamination und der EL-Seite: Kleine Prozessentscheidungen bestimmen, ob Paneele jahrelang im Freien halten. Wenn Sie mehr praxisnahe Einblicke vom Fabrikboden möchten, besuchen Sie den Ooitech-YouTube-Kanal unter www.youtube.com/ooitech eine Abonnierung wert.
