سلولهای TOPCon تحت رطوبت گرم: چرا سمت پشتی زودتر خراب میشود
فهرست مطالب
مقدمه
TOPCon بیشتر بازار سیلیکون کریستالی با بازده بالا را تصاحب کرده است، اما قابلیت اطمینان بلندمدت در میدان هنوز یک هدف متغیر است. یک نقطه ضعف در مطالعات گرمای مرطوب مدام ظاهر میشود: لایه پسیواسیون پشتی. یک مطالعه اخیر (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) مشخص کرد که وقتی نمکهای سدیم روی سطح سلول قرار میگیرند و در شرایط 85°C/85% RH قرار میگیرند، چه اتفاقی میافتد. خلاصه کوتاه - لایه SiNₓ پشتی نقطه ضعف است و یک لایه نازک ALD AlOₓ بیشتر آن را برطرف میکند.
یافتههای کلیدی در ابتدا
لایه SiNₓ پشتی نقطه ضعف در گرمای مرطوب است. استات سدیم (CH₃COONa) ولتاژ مدار باز (Voc) پشتی را 5.8% کاهش داد و مقاومت سری (Rₛ) را 450% افزایش داد.
نمکهای سدیم اکسیداسیون سطح و از دست دادن نیتروژن را تسریع میکنند. XPS نشان داد که نسبت اتمی Si/N پشتی از 1.3 به 23 و O/N از 1.6 به 53 افزایش یافته است.
یک مانع 10 نانومتری ALD Al₂O₃ تفاوت بزرگی ایجاد کرد - افت PCE تحت آلودگی CH₃COONa از 16% به فقط 0.4% کاهش یافت.
پسیواسیون جلویی بسیار مقاومتر است. لایه چندگانه AlOₓ/SiOᵧNᵣ نفوذ سدیم را مسدود میکند، بنابراین آلودگی در آنجا فقط 0.87% افت PCE ایجاد کرد.
دو آلاینده متفاوت عمل میکنند: استات سدیم به تماس فلزی حمله میکند، در حالی که کلرید سدیم (NaCl) عمدتاً لایه پسیواسیون را اکسید میکند.
پیشینه
سوال اصلی ساده است، اما پاسخ به آن دشوارتر: چرا سلولهای TOPCon در گرمای مرطوب در حضور نمکهای سدیم عملکرد خود را از دست میدهند، و چرا پسیواسیون پشتی بیشتر آسیب میبیند (Kyranaki et al., 2022)؟
شکافها کجا هستند
بیشتر کارهای قبلی بر خوردگی تماس فلزی متمرکز بودند (Iqbal et al., 2023)، اما هیچکس به طور سیستماتیک به تجزیه شیمیایی خود لایه غیرفعالساز نگاه نکرده بود. لایههای جلو و عقب به طور متفاوتی ساخته شدهاند — جلو AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ و عقب SiNₓ روی پلی-Si دوپ شده — و مقاومت خوردگی آنها هرگز مستقیماً مقایسه نشده بود (Feldmann et al., 2014). علاوه بر این، دو آلاینده رایج (CH₃COONa در مقابل NaCl) تصور میشد که رفتار یکسانی دارند، در حالی که اینطور نیست (Li et al., 2021).
درست انجام دادن این کار از نظر مالی اهمیت دارد. نیروگاههای خورشیدی با وعده عمر ۲۵ ساله فروخته میشوند (Peters et al., 2021)، و یک حالت خرابی در سمت عقب که در رطوبت ظاهر میشود دقیقاً همان چیزی است که این وعده را تضعیف میکند.
رویکرد
گردش کار نزدیک به یک جریان تولید واقعی نگه داشته شد: سلولهای TOPCon صنعتی → اسپری موضعی نمک سدیم روی سطح جلو یا عقب → گرمای مرطوب تسریعشده (۸۵ درجه سانتیگراد/۸۵٪ RH) → مشخصهیابی الکتریکی و شیمیایی → آزمایش یک مانع AlOₓ با ALD → یافتن مکانیسم حفاظت.
نوآوری اینجا چیست
در سمت نظری، این اولین مطالعهای است که به از دست دادن نیتروژن در لایه SiNₓ عقب به عنوان عامل اصلی افت Voc اشاره میکند. در سمت عملی، لایه ۱۰ نانومتری AlOₓ روی تجهیزات استاندارد صنعتی ALD اجرا میشود و تنها حدود ۰.۰۱٪ در بازده مطلق هزینه دارد. و از نظر روششناسی، تیم یک آزمایش DH در سطح سلول ساخت که در آن ۲۰ ساعت معادل چندین سال پیری در فضای باز است (Sen et al., 2023).
زنجیره منطقی به راحتی قابل دنبال کردن است: آلودگی عقب باعث افت شدید Voc میشود که مستقیماً به خرابی غیرفعالسازی اشاره دارد. سپس XPS واکنش اکسیداسیون SiNₓ و مسیر نفوذ سدیم که باز میکند را تأیید میکند. لایه AlOₓ را اضافه کنید، سدیم را مسدود کنید، و تصویربرداری PL تأیید میکند که نقصها سرکوب شدهاند.
روشها
آمادهسازی نمونه
| مورد | جزئیات |
|---|---|
| ساختار سلول | n-type TOPCon. جلو: امیتر دوپ شده با بور + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ، ARC. عقب: SiO₂/پلی-Si دوپ شده با فسفر + SiNₓ، ARC |
| آلاینده | محلول ۰.۱۵۵ mol/L CH₃COONa یا NaCl، ۰.۳ گرم به ازای هر نمونه، اسپری موضعی |
| مانع ALD | ۱۰ نانومتر AlOₓ، رسوبدهی شده در ۱۵۰ درجه سانتیگراد (Leadmicro QL200) |
| گرمای مرطوب | ۸۵ درجه سانتیگراد/۸۵٪ RH، ۲۰ ساعت (محفظه محیطی ASLi) |
نحوه اندازهگیری
پارامترهای I-V (Pmax، Voc، FF، Jsc) از طریق سیستم LOANA (pv-tools).
کیفیت غیرفعالسازی از طریق طول عمر مؤثر حاملهای اقلیت (τ_eff).
شیمی سطح از طریق XPS و SEM-EDS.
نتایج و بحث
تخریب الکتریکی
سمت پشتی به وضوح حساس است. CH₃COONa در پشت، Voc را 5.8٪ کاهش داد، Rₛ را 450٪ افزایش داد (جدول 1) و شدت PL را 37.3٪ کاهش داد (شکل 3a). همان تیمار در جلو فقط 0.87٪ PCE هزینه داشت. نمک یکسان، نتیجه بسیار متفاوت بسته به اینکه به کدام وجه برخورد کند.
تجزیه شیمیایی غیرفعالسازی
XPS روی سطح پشتی نشان داد که کسر پیوند Si-O به شدت افزایش یافته است (شکل 5b)، با نسبت اتمی O/N از 1.6 در گروه کنترل به 53 در گروه CH₃COONa. مکانیسم از دست دادن نیتروژن است - گرمای مرطوب SiNₓ را هیدرولیز کرده و غیرفعالسازی سطح را از بین میبرد.
آنچه سد AlOₓ انجام میدهد
با وجود AlOₓ 10nm ALD، افت PCE تحت آلودگی CH₃COONa در پشت از 16٪ به 0.4٪ کاهش یافت و Voc ثابت ماند (شکل 6a). SEM-EDS نشان داد که محتوای سدیم در نمونههای AlOₓ 86٪ کاهش یافته است (شکل 6c) و PL هیچ فعالسازی نقصی را نشان نداد (شکل 6b). سد دقیقاً همان کاری را انجام میدهد که شما میخواهید - سدیم را دور نگه میدارد.
نتیجهگیری
نکات اصلی
لایه SiNₓ پشتی تحت گرمای مرطوب به همراه نمک سدیم هیدرولیز و اکسید میشود که باعث کاهش Voc و افزایش Rₛ میشود (تأیید شده توسط XPS/EDS، شکل 4-5). یک لایه AlOₓ 10nm از نفوذ سدیم جلوگیری کرده و افت PCE DH85 را زیر 1٪ نگه میدارد (شکل 6a). و چندلایه AlOₓ/SiOᵧNᵣ جلویی ذاتاً مقاوم به خوردگی است، بنابراین آلودگی در آنجا به سختی ثبت میشود.
چرا مفید است
سد AlOₓ میتواند مستقیماً وارد تولید انبوه TOPCon بر روی ابزارهایی مانند Leadmicro QL200 شود. با نگاه به آینده، جفت کردن AlOₓ با SiNₓ در محصورسازی ماژول دو شیشهای میتواند طول عمر نیروگاهها را در مناطق مرطوب افزایش دهد.
کمی پیشزمینه
ساختار TOPCon: یک اکسید تونلی (SiO₂) به همراه تماس غیرفعالکننده پلی-Si دوپ شده، که بازترکیب در فلز را کاهش میدهد (Feldmann et al., 2014).
ALD: رشد نانو فیلم لایه به لایه، که پوشش یکنواخت AlOₓ در مقیاس نانومتر را فراهم میکند.
آزمایش DH: پیری تسریعشده 85°C/85% RH برای شبیهسازی تخریب ماژول در آب و هوای مرطوب.
غیرفعالسازی SiNₓ: نیترید سیلیسیم هیدروژنه، خوب برای ضدبازتاب و غیرفعالسازی سطح، اما دارای پیوندهای آویزان است و به راحتی هیدرولیز میشود.
مراجع
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., تماسهای پشتی غیرفعال برای سلولهای خورشیدی سیلیکونی نوع n با راندمان بالا، Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.
Li X. et al., آزمایش تسریعشده حرارت-رطوبت سلولهای TOPCon با استفاده از NaCl، Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.
Peters I.M. et al., ارزش پایداری در فتوولتائیک، Joule 5 (2021) 3137–3153.
دیدگاه Ooitech
آنچه در اینجا برجسته است این است که چقدر از داستان قابلیت اطمینان در لایه غیرفعالسازی پشتی نهفته است، نه در عنوان طراحی سلول. در یک خط تولید واقعی، یک مرحله اضافی 10 نانومتری ALD AlOₓ بیمه ارزانی برای پروژههای آب و هوای مرطوب است و بدون دردسر زیاد در تولید استاندارد ماژول جای میگیرد. ما خطوط تولید ماژول کلید در دست را از ابتدا تا انتها میسازیم، بنابراین یافتههایی مانند این را از نزدیک دنبال میکنیم - تنظیمات کوچک فرآیند در مراحل اولیه اغلب تعیین میکند که آیا یک نیروگاه 25 سال دوام میآورد یا خیر. اگر اطلاعات بیشتری از کارخانه میخواهید، کانال YouTube Ooitech (www.youtube.com/ooitech) ارزش دنبال کردن دارد.
