UVID در سلولهای خورشیدی TOPCon: تست IV بدون تماس، تخریب غیرفعالسازی و افت بازده ۶.۷۲٪ را ردیابی میکند
فهرست مطالب
مقدمه
سلولهای خورشیدی TOPCon اکنون به لطف پاسیواسیون سطحی قوی و تماسهای انتخابی حامل، بازار PV را در دست دارند. اما عملکرد در فضای باز یک نقطه ضعف واقعی را آشکار میکند: تخریب القاشده توسط UV یا UVID. پس از تابش UV60، بازدهی تا ۶.۷۲٪ کاهش مییابد.
بیشتر کارهای قبلی UVID را به شکستن پیوندهای Si–H توسط فوتونهای پرانرژی و آزادسازی هیدروژن آزاد نسبت میدادند. این تنها بخشی از داستان است. طیف UV خورشیدی محدوده انرژی وسیع ۳.۱–۴.۴۳ eV را پوشش میدهد، بنابراین تعامل آن با لایههای سطح جلویی بسیار فراتر از یک مسیر شکست Si–H است. و انباشت Al₂O₃ / SiNₓ جلویی در برابر UV بسیار ضعیفتر از سمت پشتی است.
یک تستر IV غیرتماسی در اینجا کمک زیادی میکند. این روش غیرمخرب است، از مواد مصرفی صفر استفاده میکند، با سرعت میلیثانیه کار میکند، با طراحیهای BC و بدون باسبار سازگار است و پارامترهای IV، EQE و PL را در یک بار انجام میدهد.
این مطالعه از ToF-SIMS و XPS با پروفایل عمقی برای ردیابی توزیع عناصر و تغییرات پیوند شیمیایی در لایههای Al₂O₃ / SiNₓ قبل و بعد از UV60 استفاده میکند. یافته: شکستن پیوند N–H منبع دوم هیدروژن در کنار Si–H است. پیوندهای Al–O در Al₂O₃ آمورف توسط UV شکسته شده و تعداد زیادی جای خالی اکسیژن تولید میکنند. مکانیسمهای هیدروژن و اکسیژن روی هم انباشته شده و بازترکیب سطحی را بدتر میکنند و جهت روشنی برای بهبود قابلیت اطمینان پاسیواسیون ارائه میدهند.
روش آزمایشی
(a) شماتیک ساختار سلول خورشیدی TOPCon (b) نمونه متقارن ساختار جلویی (c) نمونه متقارن ساختار پشتی
نمونههای متقارن ساختار جلویی (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) و نمونههای متقارن ساختار پشتی (با لایه SiOₓ/n⁺-poly-Si) آماده شدند. پیری UV در سطح ماژول انجام شد. منبع نور عمدتاً UV-A با حدود ۱۱٪ UV-B، در دمای ۶۰ درجه سانتیگراد و رطوبت ۳۰٪ بود.
تابش طیفی منبع نور UV
ساختار جلویی در مقابل پشتی: مقایسه مقاومت در برابر UV
تغییرات در (a) τeff در غلظت تزریق حامل ۱×۱۰¹⁵ cm⁻³، (b) iVoc، و (c) J₀ تکطرفه برای نمونههای متقارن ساختار جلویی و پشتی در طول قرارگیری در معرض UV
ساختار متقارن پشتی پس از قرار گرفتن در معرض اشعه UV به میزان 60 کیلووات ساعت بر متر مربع، به سختی تخریب شد. لایه پلیسیلیکونی با ضخامت 120 نانومتر تقریباً تمام نور UV را جذب کرده و محافظت مؤثری فراهم میکند.
ساختار جلویی داستان متفاوتی داشت. τeff از 2895.6 میکروثانیه به 1552.8 میکروثانیه کاهش یافت. iVoc از 735.5 میلیولت به 715.2 میلیولت افت کرد. J₀ یکطرفه به 18.4 فمتوآمپر بر سانتیمتر مربع جهش کرد، تقریباً سه برابر مقدار اولیه. غیرفعالسازی Al₂O₃ / SiNₓ به شدت تخریب شد.
تکامل ترکیب شیمیایی
پروفایلهای عمق شدت (الف) هیدروژن و (ب) اکسیژن در نمونه صیقلی متقارن ساختار جلویی قبل و بعد از UV60، اندازهگیری شده با ToF-SIMS
ToF-SIMS نشان میدهد که غلظت هیدروژن پس از قرار گرفتن در معرض UV به وضوح افزایش مییابد، به ویژه در داخل لایه SiNₓ. پروفایل عمق XPS N 1s نشان میدهد که در فصل مشترک SiNₓ / Al₂O₃، کسر پیوند N–H از 9.64٪ به 5.97٪ کاهش یافت. بنابراین شکستن پیوند N–H دومین منبع هیدروژن فراتر از Si–H است. هیدروژن آزاد شده به سمت ناحیه سطح SiNₓ منتشر شده و با سیلیکون در آنجا ترکیب میشود، به همین دلیل است که کسر N–H در نزدیکی آن سطح در واقع افزایش مییابد.
اکسیژن داستان به همان اندازه مهمی را بیان میکند. اکسیژن در لایه Al₂O₃ کمی کاهش یافت، در حالی که اکسیژن در فصل مشترکهای SiNₓ/Al₂O₃ و Al₂O₃/Si افزایش یافت. این به شکستن پیوندهای Al–O و مهاجرت اکسیژن آزاد به بیرون اشاره دارد. انرژی پیوند Al–O در یک کریستال ایدهآل حدود 5.3 الکترونولت است. اما در Al₂O₃ آمورف، یونهای آلومینیوم با هماهنگی کمتر و جاهای خالی اکسیژن الکترونها را به دام انداخته و بار منفی پیدا میکنند و انرژی فعالسازی برای شکستن پیوندهای مجاور Al–O را به حدود 2.4 الکترونولت کاهش میدهند. این بدان معناست که نور UV با طول موج 400 نانومتر (3.1 الکترونولت) برای شکستن آنها کافی است.
طیفهای XPS پروفایل عمق N 1s در فصل مشترکهای مختلف لایه Al₂O₃/SiNₓ قبل و بعد از UV60، با منحنیهای برازش شده برای پیوندهای N–Si (397.5 الکترونولت) و N–H (399.5 الکترونولت)
XPS O 1s نشان میدهد که اکسیژن شبکهای (OI) به جاهای خالی اکسیژن (OII) تبدیل میشود. در طیفهای Al 2p، کسر Al₂O₃ از 69.99٪ به 60.36٪ کاهش یافت در حالی که Al–OH از 30.01٪ به 39.64٪ افزایش یافت. در طیفهای Si 2p، Si²⁺ افزایش یافت در حالی که سیلیکون با ظرفیت بالاتر کاهش یافت. الکترونهای آزاد شده هنگام تشکیل جاهای خالی اکسیژن، سیلیکون را از حالتهای اکسیداسیون بالاتر کاهش میدهند. در مجموع، این تغییرات در پیوند اکسیژن، آلومینیوم و سیلیکون نشان میدهد که کیفیت فیلم Al₂O₃ قبلاً آسیب دیده است.
تخریب عملکرد الکتریکی
منحنیهای EQE و بازتاب سلول خورشیدی TOPCon قبل و بعد از UV60
تغییر مقاومت تماس جلویی سلول خورشیدی TOPCon در طول قرار گرفتن در معرض UV60
بازتابندگی پس از UV60 تقریباً بدون تغییر باقی ماند. EQE افت متوسطی در ناحیه طول موج کوتاه زیر 500 نانومتر نشان داد که با بازترکیب قویتر سطح جلو همخوانی دارد. مقاومت تماس جلویی تقریباً به صورت خطی با دوز UV افزایش یافت و به 4.1 میلیاهم سانتیمتر مربع رسید که حدود 8.6 برابر بیشتر است. علت: هیدروژن آزاد و اکسیژن تولیدشده در لایه غیرفعالسازی به سطح مشترک الکترود نفوذ کرده و در واکنشهای اکسایش-کاهش شرکت میکنند. UV همچنین مولکولهای آب روی سطح نقره را به رادیکالهای هیدروکسیل تبدیل میکند و آنها به همراه یکدیگر الکترود فلزی را خورده میکنند.
نرخ تخریب عملکرد الکتریکی در طول قرارگیری در معرض UV60: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff
Voc به صورت نسبی 3.46% کاهش یافت که ناشی از تخریب غیرفعالسازی سطح جلو و افزایش J₀ بود. FF به میزان 2.82% کاهش یافت که ناشی از افزایش مقاومت تماس جلویی بود. Jsc تنها 0.64% کاهش یافت، زیرا افت EQE در طول موج کوتاه محدود بود. افت نهایی بازده تبدیل فوتوولتائیک به 6.72% رسید.
نتیجهگیری
ساختار جلویی SiNₓ/Al₂O₃ سلولهای TOPCon در برابر UV بسیار ضعیفتر از ساختار پشتی است. تحت UV، پیوندهای Si–H و N–H به ترتیب شکسته شده و هیدروژن آزاد آزاد میکنند. پیوندهای Al–O در Al₂O₃ آمورف تحت UV شکسته شده، اکسیژن آزاد آزاد کرده و تعداد زیادی جای خالی اکسیژن ایجاد میکنند. Al₂O₃ به سمت Al–OH تبدیل شده و ظرفیت سیلیکون تغییر میکند. این دو مکانیزم تخریب، هیدروژن و اکسیژن، روی هم انباشته شده و بازترکیب سطحی را بدتر میکنند. با افزودن افزایش شدید مقاومت تماس جلویی، نتیجه افت بازده 6.72% است. این کار مرجع مفیدی برای درک UVID در TOPCon و بهبود قابلیت اطمینان بلندمدت لایههای غیرفعالسازی ارائه میدهد.
دیدگاه Ooitech
UVID همچنان ثابت میکند که ساختار جلویی جایی است که قابلیت اطمینان واقعاً آزمایش میشود، بنابراین نحوه ساخت و کنترل رسوبگذاری و کپسولهسازی SiNₓ/Al₂O₃ در خط ماژول به اندازه دستورالعمل سلول مهم است. در خطوط کلید در دست TOPCon و PERC ما، همان درس را در بخش چیدمان، لمینیشن و EL میبینیم؛ انتخابهای کوچک فرآیندی تعیین میکنند که آیا پنلها سالها در فضای باز دوام میآورند یا نه. اگر بازدیدهای عملی بیشتری از کف کارخانه میخواهید، کانال یوتیوب Ooitech در www.youtube.com/ooitech ارزش دنبال کردن دارد.
