مطالعه UVID سلول TOPCon: تست IV غیرتماسی تخریب غیرفعالسازی و افت راندمان 6.72% را ردیابی میکند
فهرست مطالب
UVID سلول TOPCon و آزمایش IV غیرتماسی
سلولهای خورشیدی TOPCon به دلیل غیرفعالسازی سطحی قوی و تماسهای انتخابی حامل، موقعیت پیشرو در بازار فتوولتائیک به دست آوردهاند. با این حال، عملکرد در فضای باز آنها را در معرض تخریب ناشی از فرابنفش یا UVID قرار میدهد. در این مطالعه، بازده تبدیل پس از قرار گرفتن در معرض UV60 به میزان 6.72% کاهش یافت.
کارهای قبلی اغلب UVID را عمدتاً به فوتونهای پرانرژی که پیوندهای Si-H را میشکنند و هیدروژن متحرک آزاد میکنند، مرتبط میدانستند. طیف فرابنفش خورشیدی محدوده انرژی فوتون بسیار گستردهتری از 3.1–4.43 eVرا پوشش میدهد، بنابراین برهمکنش آن با مواد سطح جلویی را نمیتوان تنها با شکستن پیوند Si-H توضیح داد. لایه Al₂O₃/SiNₓ جلویی نیز مقاومت UV بسیار ضعیفتری نسبت به ساختار پشتی نشان میدهد.
تستر IV غیرتماسی Millennial Solar آزمایش غیرمخرب بدون مواد مصرفی و سرعت اندازهگیری در سطح میلیثانیه را فراهم میکند. این دستگاه با طرحهای سلول تماس پشتی و بدون باسبار سازگار است و میتواند پارامترهای چندبعدی IV، EQE و PL را در یک توالی آزمایش به دست آورد.
این مطالعه از طیفسنجی جرمی یون ثانویه زمان پرواز (ToF-SIMS) به همراه طیفسنجی فوتوالکترون اشعه ایکس پروفیل عمقی (XPS) برای ردیابی توزیع عنصری و تغییرات پیوند شیمیایی در لایههای Al₂O₃/SiNₓ قبل و بعد از قرار گرفتن در معرض UV60 استفاده کرد. نتایج نشان میدهد که شکستن پیوند N-H به عنوان منبع دوم هیدروژن علاوه بر شکستن پیوند Si-H عمل میکند. قرار گرفتن در معرض UV همچنین پیوندهای Al-O در Al₂O₃ آمورف را تخریب کرده و تعداد زیادی vacancies اکسیژن ایجاد میکند. مکانیسمهای ترکیبی هیدروژن و اکسیژن، بازترکیب سطحی را افزایش داده و مبنای واضحتری برای بهبود قابلیت اطمینان لایه غیرفعالسازی فراهم میکند.
روش آزمایشی
Millennial Solar
(a) ساختار شماتیک سلول خورشیدی TOPCon؛ (b) نمونه ساختار جلویی متقارن؛ (c) نمونه ساختار پشتی متقارن.
دو نمونه ساختار متقارن تهیه شد. ساختار جلویی SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. ساختار پشتی شامل لایههای SiOₓ/n⁺-poly-Si بود. پیری UV در سطح ماژول با استفاده از منبع نوری غالب UV-A با تقریباً 11% UV-B انجام شد. شرایط آزمون 60 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی 30% بود.
| مورد آزمون | شرایط یا پیکربندی |
|---|---|
| نمونه متقارن جلویی | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| نمونه متقارن پشتی | ساختار حاوی لایههای SiOₓ/n⁺-poly-Si |
| منبع UV | عمدتاً UV-A، با تقریباً 11% UV-B |
| دمای آزمون | 60°C |
| رطوبت نسبی | 30% |
| حداکثر دوز UV گزارش شده | 60 kWh·m⁻²، با نام UV60 |
| روشهای اصلی تحلیل | ToF-SIMS و XPS پروفایل عمقی |
تابش طیفی منبع نور فرابنفش.
مقاومت UV ساختارهای جلویی و پشتی
Millennial Solar
تغییرات در نمونههای متقارن ساختار جلویی و پشتی در طول تابش UV: (a) طول عمر موثر حامل، τeff، در غلظت حامل تزریقی 1 × 10¹⁵ cm⁻³؛ (b) ولتاژ مدار باز ضمنی، iVoc؛ و (c) چگالی جریان اشباع یک طرفه، J₀.
ساختار متقارن پشتی تنها تخریب جزئی پس از 60 kWh·m⁻² تابش UV نشان داد. لایه پلیسیلیکون 120 نانومتری آن تقریباً تمام تابش UV فرودی را جذب کرد و محافظت مؤثری از سطح مشترک زیرین فراهم کرد.
ساختار متقارن جلویی بسیار شدیدتر تخریب شد:
طول عمر موثر حامل، τeff، از 2895.6 μs به 1552.8 μs.
ولتاژ مدار باز ضمنی، iVoc، از 735.5 mV به 715.2 mV.
J₀ یک طرفه به 18.4 fA·cm⁻²، تقریباً سه برابر مقدار اولیه خود افزایش یافت.
عملکرد غیرفعالسازی Al₂O₃/SiNₓ به طور قابل توجهی کاهش یافت.
این نتایج تأیید میکند که لایه جلویی SiNₓ/Al₂O₃ در مقایسه با ساختار پشتی SiOₓ/poly-Si به طور قابل توجهی در برابر تابش فرابنفش آسیبپذیرتر است.
تکامل ترکیب شیمیایی
Millennial Solar
پروفایلهای عمقسنجی ToF-SIMS از (a) شدت هیدروژن و (b) شدت اکسیژن در نمونههای متقارن ساختار جلویی صیقلشده قبل و بعد از قرارگیری در معرض UV60.
ToF-SIMS افزایش واضحی در غلظت هیدروژن پس از قرارگیری در معرض فرابنفش نشان داد، بهویژه در داخل لایه SiNₓ. تحلیل پروفایل عمقی سیگنال XPS N 1s نشان داد که نسبت پیوندهای N–H در فصل مشترک SiNₓ/Al₂O₃ از 9.64% به 5.97%کاهش یافته است. این تأیید میکند که شکستن پیوند N–H یک منبع مهم هیدروژن در کنار تفکیک پیوند Si–H است.
برخی از هیدروژن آزادشده به سمت سطح SiNₓ نفوذ کرده و دوباره با سیلیکون پیوند برقرار کرده است. این توضیح میدهد که چرا نسبت محلی N–H نزدیک به سطح افزایش یافته است نه اینکه به کاهش ادامه دهد.
تکامل اکسیژن نیز حیاتی بود. غلظت اکسیژن در داخل لایه Al₂O₃ اندکی کاهش یافت، در حالی که در هر دو فصل مشترک SiNₓ/Al₂O₃ و Al₂O₃/Si افزایش یافت. این توزیع نشان میدهد که اکسیژن آزادشده از شکستن پیوند Al–O از فیلم Al₂O₃ به بیرون نفوذ کرده است.
انرژی پیوند Al–O در یک بلور ایدهآل حدود 5.3 eVاست. Al₂O₃ آمورف متفاوت است. یونهای آلومینیوم با هماهنگی ناقص و vacancies اکسیژن با بار منفی میتوانند انرژی فعالسازی برای شکستن پیوندهای مجاور Al–O را به حدود 2.4 eVکاهش دهند. یک فوتون فرابنفش 400 نانومتری حدود 3.1 eVانرژی حمل میکند که برای شروع این فرآیند کافی است.
طیفهای XPS عمقپروفایل N 1s در فصل مشترکهای مختلف Al₂O₃/SiNₓ قبل و بعد از قرارگیری در معرض UV60، شامل پیوندهای N–Si در 397.5 eV و پیوندهای N–H در 399.5 eV.
نتایج XPS O 1s تبدیل از اکسیژن شبکهای، شناساییشده به عنوان OI، به اجزای مرتبط با vacancies اکسیژن، شناساییشده به عنوان OII را نشان داد. در طیفهای Al 2p، نسبت Al₂O₃ از 69.99% به 60.36%کاهش یافت، در حالی که Al–OH از 30.01% به 39.64%.
افزایش یافت. طیفهای Si 2p نیز افزایش Si²⁺ و کاهش حالتهای اکسیداسیون بالاتر سیلیکون را نشان دادند. الکترونهای آزادشده در طول تشکیل vacancy اکسیژن، سیلیکون را از حالتهای اکسیداسیون بالاتر کاهش دادند. این تغییرات هماهنگ در پیوندهای اکسیژن، آلومینیوم و سیلیکون نشاندهنده آسیب گسترده به فیلم Al₂O₃ است تا یک واکنش منفرد شکستن پیوند.
تخریب عملکرد الکتریکی
Millennial Solar
منحنیهای EQE و بازتاب سلول خورشیدی TOPCon قبل و بعد از قرارگیری در معرض UV60.
بازتاب پس از قرارگیری در معرض UV60 تقریباً بدون تغییر باقی ماند. EQE کاهش متوسطی در ناحیه طول موج کوتاه زیر 500 نانومتر نشان داد که مربوط به بازترکیب قویتر در سطح جلو است.
تغییر مقاومت تماس جلوی سلول خورشیدی TOPCon در طول قرارگیری در معرض UV60.
مقاومت تماس جلو تقریباً به صورت خطی با دوز UV افزایش یافت و به 4.1 mΩ·cm²، حدود 8.6 برابر مقدار اولیه خود رسید. مکانیسم پیشنهادی به هیدروژن و اکسیژن متحرک تولید شده در داخل لایههای غیرفعالسازی مرتبط است. این گونهها به سمت رابط الکترود انتشار یافته و در واکنشهای اکسیداسیون-کاهش شرکت میکنند.
پرتو UV همچنین میتواند مولکولهای آب روی سطح نقره را به رادیکالهای هیدروکسیل تبدیل کند. این واکنشها با هم خوردگی الکترود فلزی را افزایش داده و مقاومت تماس را بالا میبرند.
تخریب عملکرد الکتریکی سلول خورشیدی TOPCon در طول قرارگیری در معرض UV60: (a) Voc؛ (b) Jsc؛ (c) FF؛ و (d) بازده.
تلفات الکتریکی نهایی در چندین پارامتر توزیع شد:
Voc به میزان 3.46% کاهش یافت، عمدتاً به دلیل تخریب غیرفعالسازی سطح جلو و افزایش J₀.
FF به میزان 2.82% کاهش یافت، عمدتاً به دلیل افزایش شدید مقاومت تماس جلو.
Jsc تنها 0.64% کاهش یافت، زیرا افت EQE عمدتاً به ناحیه طول موج کوتاه محدود شد.
بازده تبدیل به میزان 6.72% کاهش یافت پس از قرارگیری در معرض UV60.
ساختار SiNₓ/Al₂O₃ جلوی سلول خورشیدی TOPCon بنابراین مقاومت فرابنفش بسیار کمتری نسبت به ساختار پشتی دارد. تحت تابش UV، پیوندهای Si–H و N–H شکسته شده و هیدروژن متحرک آزاد میکنند. پیوندهای Al–O در Al₂O₃ آمورف نیز آسیب دیده، اکسیژن آزاد کرده و چگالی بالایی از جای خالی اکسیژن ایجاد میکنند. همزمان، Al₂O₃ به سمت Al–OH تغییر کرده و توزیع حالت اکسیداسیون سیلیکون تغییر میکند.
مکانیسمهای تخریب مرتبط با هیدروژن و اکسیژن با هم برای تشدید بازترکیب سطحی عمل میکنند. افزایش همراه مقاومت تماس جلو یک تلفات الکتریکی جداگانه اضافه میکند که منجر به تخریب بازده اندازهگیری شده 6.72% میشود.. این یافتهها مرجع مفیدی برای درک UVID در سلولهای TOPCon و بهبود قابلیت اطمینان بلندمدت لایههای غیرفعالسازی سمت جلو ارائه میدهد.
دیدگاه Ooitech
نکته کلیدی این است که UVID در TOPCon را نمیتوان بهعنوان یک مشکل ساده پیوند Si–H در نظر گرفت. شیمی غیرفعالسازی، کنترل تهیجای اکسیژن و پایداری متالیزاسیون باید با هم ارزیابی شوند، بهویژه هنگام تأیید فرآیندهای تولید ماژول برای عمر طولانی در فضای باز. ردیابی غیرتماسی IV، EQE و PL میتواند به شناسایی زودهنگام این تلفات بدون افزودن آسیب تماس مکانیکی به طرحهای سلولی که بهطور فزایندهای ظریف میشوند، کمک کند.
