การศึกษา UVID ของเซลล์ TOPCon: การทดสอบ IV แบบไม่สัมผัสติดตามการเสื่อมสภาพของพาสซีเวชันและการสูญเสียประสิทธิภาพ 6.72%
สารบัญ
UVID เซลล์ TOPCon และการทดสอบ IV แบบไม่สัมผัส
เซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon ได้รับตำแหน่งผู้นำในตลาดเซลล์แสงอาทิตย์เนื่องจากการพาสซิเวชันพื้นผิวที่แข็งแกร่งและหน้าสัมผัสที่เลือกพาหะ อย่างไรก็ตาม การทำงานกลางแจ้งทำให้เซลล์สัมผัสกับการเสื่อมสภาพจากรังสีอัลตราไวโอเลต หรือ UVID ในการศึกษานี้ ประสิทธิภาพการแปลงลดลง 6.72% หลังจากได้รับรังสี UV60.
งานก่อนหน้านี้มักเชื่อมโยง UVID กับโฟตอนพลังงานสูงที่ทำลายพันธะ Si–H และปล่อยไฮโดรเจนที่เคลื่อนที่ได้ สเปกตรัมรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ครอบคลุมช่วงพลังงานโฟตอนที่กว้างกว่ามากคือ 3.1–4.43 eVดังนั้นปฏิสัมพันธ์กับวัสดุพื้นผิวด้านหน้าไม่สามารถอธิบายได้ด้วยการแตกพันธะ Si–H เพียงอย่างเดียว ชั้น Al₂O₃/SiNₓ ด้านหน้ายังแสดงความต้านทานรังสียูวีที่อ่อนแอกว่าโครงสร้างด้านหลังมาก
เครื่องทดสอบ IV แบบไม่สัมผัสของ Millennial Solar ให้การทดสอบแบบไม่ทำลายโดยไม่มีวัสดุสิ้นเปลืองและความเร็วในการวัดระดับมิลลิวินาที รองรับการออกแบบเซลล์แบบ back-contact และแบบไม่มีบัสบาร์ และสามารถรับพารามิเตอร์ IV, EQE และ PL หลายมิติในลำดับการทดสอบเดียว
การศึกษานี้ใช้แมสสเปกโตรเมตรีไอออนทุติยภูมิแบบเวลาบิน หรือ ToF-SIMS ร่วมกับเอกซเรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโตรสโคปีแบบเจาะลึก หรือ XPS เพื่อติดตามการกระจายตัวของธาตุและการเปลี่ยนแปลงพันธะเคมีในชั้น Al₂O₃/SiNₓ ก่อนและหลังการได้รับรังสี UV60 ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการแตกพันธะ N–H ทำหน้าที่เป็นแหล่งไฮโดรเจนที่สองนอกเหนือจากการแตกพันธะ Si–H การได้รับรังสียูวียังทำลายพันธะ Al–O ใน Al₂O₃ ที่เป็นอสัณฐาน ทำให้เกิดช่องว่างออกซิเจนจำนวนมาก กลไกไฮโดรเจนและออกซิเจนร่วมกันเพิ่มการรวมตัวกันที่พื้นผิวและให้พื้นฐานที่ชัดเจนยิ่งขึ้นสำหรับการปรับปรุงความน่าเชื่อถือของชั้นพาสซิเวชัน
วิธีการทดลอง
Millennial Solar
(ก) โครงสร้างแผนผังของเซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon; (ข) ตัวอย่างโครงสร้างด้านหน้าแบบสมมาตร; (ค) ตัวอย่างโครงสร้างด้านหลังแบบสมมาตร
เตรียมตัวอย่างโครงสร้างสมมาตรสองแบบ โครงสร้างด้านหน้าคือ SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. โครงสร้างด้านหลังประกอบด้วยชั้น SiOₓ/n⁺-poly-Si การเร่งอายุด้วยรังสียูวีดำเนินการในระดับโมดูลโดยใช้แหล่งกำเนิดแสงที่เน้น UV-A เป็นหลัก โดยมี UV-B ประมาณ 11% สภาวะการทดสอบคือ 60°C และความชื้นสัมพัทธ์ 30%
| รายการทดสอบ | เงื่อนไขหรือการกำหนดค่า |
|---|---|
| ตัวอย่างสมมาตรด้านหน้า | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| ตัวอย่างสมมาตรด้านหลัง | โครงสร้างที่มีชั้น SiOₓ/n⁺-poly-Si |
| แหล่งกำเนิดรังสียูวี | ส่วนใหญ่เป็น UV-A โดยมี UV-B ประมาณ 11% |
| อุณหภูมิทดสอบ | 60°C |
| ความชื้นสัมพัทธ์ | 30% |
| ปริมาณรังสียูวีสูงสุดที่รายงาน | 60 kWh·m⁻² ระบุเป็น UV60 |
| วิธีการวิเคราะห์หลัก | ToF-SIMS และ XPS แบบเจาะลึก |
ความเข้มสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลต
ความต้านทานรังสียูวีของโครงสร้างด้านหน้าและด้านหลัง
Millennial Solar
การเปลี่ยนแปลงในตัวอย่างสมมาตรด้านหน้าและด้านหลังระหว่างการได้รับรังสียูวี: (a) อายุการใช้งานพาหะที่มีประสิทธิภาพ τeff ที่ความเข้มข้นของพาหะที่ฉีด 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดโดยนัย iVoc; และ (c) ความหนาแน่นกระแสอิ่มตัวด้านเดียว J₀
โครงสร้างสมมาตรด้านหลังแสดงการเสื่อมสภาพเพียงเล็กน้อยหลังจากได้รับรังสียูวี 60 kWh·m⁻² ชั้น poly-Si หนา 120 nm ดูดซับรังสียูวีที่ตกกระทบเกือบทั้งหมดและให้การปกป้องที่มีประสิทธิภาพต่อส่วนเชื่อมต่อด้านล่าง
โครงสร้างสมมาตรด้านหน้าเสื่อมสภาพรุนแรงกว่ามาก:
อายุการใช้งานพาหะที่มีประสิทธิภาพ τeff ลดลงจาก 2,895.6 μs เป็น 1,552.8 μs.
แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดโดยนัย iVoc ลดลงจาก 735.5 mV เป็น 715.2 mV.
J₀ ด้านเดียวเพิ่มขึ้นเป็น 18.4 fA·cm⁻²ซึ่งประมาณสามเท่าของค่าเริ่มต้น
ประสิทธิภาพการพาสซิเวชันของ Al₂O₃/SiNₓ ลดลงอย่างมาก
ผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันว่าชั้นซ้อน SiNₓ/Al₂O₃ ด้านหน้ามีความเสี่ยงต่อการได้รับรังสีอัลตราไวโอเลตมากกว่าโครงสร้าง SiOₓ/poly-Si ด้านหลังอย่างมาก
วิวัฒนาการขององค์ประกอบทางเคมี
Millennial Solar
โปรไฟล์ความลึก ToF-SIMS ของความเข้ม (a) ไฮโดรเจนและ (b) ออกซิเจนในตัวอย่างโครงสร้างด้านหน้าแบบสมมาตรที่ขัดเงาก่อนและหลังการสัมผัสรังสี UV60
ToF-SIMS แสดงให้เห็นการเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจนของความเข้มข้นของไฮโดรเจนหลังจากการสัมผัสรังสีอัลตราไวโอเลต โดยเฉพาะภายในชั้น SiNₓ การวิเคราะห์โปรไฟล์ความลึกของสัญญาณ XPS N 1s พบว่าสัดส่วนของพันธะ N–H ที่ส่วนต่อประสาน SiNₓ/Al₂O₃ ลดลงจาก 9.64% เป็น 5.97%ซึ่งยืนยันว่าการแตกของพันธะ N–H เป็นแหล่งไฮโดรเจนที่สำคัญอีกแหล่งหนึ่งนอกเหนือจากการแตกของพันธะ Si–H
ไฮโดรเจนที่ปลดปล่อยออกมาบางส่วนแพร่ไปยังพื้นผิว SiNₓ และจับกับซิลิคอนอีกครั้ง ซึ่งอธิบายว่าทำไมสัดส่วน N–H ในพื้นที่ใกล้พื้นผิวจึงเพิ่มขึ้นแทนที่จะลดลงอย่างต่อเนื่อง
วิวัฒนาการของออกซิเจนก็มีความสำคัญเช่นกัน ความเข้มข้นของออกซิเจนภายในชั้น Al₂O₃ ลดลงเล็กน้อย ในขณะที่เพิ่มขึ้นที่ส่วนต่อประสานทั้ง SiNₓ/Al₂O₃ และ Al₂O₃/Si การกระจายนี้บ่งชี้ว่าออกซิเจนที่ปลดปล่อยโดยการแตกของพันธะ Al–O แพร่กระจายออกจากฟิล์ม Al₂O₃
พลังงานพันธะ Al–O ในผลึกในอุดมคติประมาณ 5.3 eVAl₂O₃ อสัณฐานแตกต่างกัน ไอออนอะลูมิเนียมที่มีการประสานงานต่ำและช่องว่างออกซิเจนที่มีประจุลบสามารถลดพลังงานกระตุ้นสำหรับการแตกพันธะ Al–O ที่อยู่ติดกันเหลือประมาณ 2.4 eVโฟตอนอัลตราไวโอเลต 400 นาโนเมตรมีพลังงานประมาณ 3.1 eVซึ่งเพียงพอที่จะเริ่มกระบวนการนี้
สเปกตรัม XPS โปรไฟล์ความลึก N 1s ที่ส่วนต่อประสาน Al₂O₃/SiNₓ ต่างๆ ก่อนและหลังการสัมผัสรังสี UV60 รวมถึงพันธะ N–Si ที่ 397.5 eV และพันธะ N–H ที่ 399.5 eV
ผลลัพธ์ XPS O 1s แสดงการเปลี่ยนแปลงจากออกซิเจนในโครงตาข่าย ซึ่งระบุเป็น OI ไปเป็นองค์ประกอบที่เกี่ยวข้องกับช่องว่างออกซิเจน ซึ่งระบุเป็น OII ในสเปกตรัม Al 2p สัดส่วนของ Al₂O₃ ลดลงจาก 69.99% เป็น 60.36%ในขณะที่ Al–OH เพิ่มขึ้นจาก 30.01% เป็น 39.64%.
สเปกตรัม Si 2p ยังแสดงการเพิ่มขึ้นของ Si²⁺ และการลดลงของสถานะออกซิเดชันที่สูงขึ้นของซิลิคอน อิเล็กตรอนที่ปลดปล่อยระหว่างการก่อตัวของช่องว่างออกซิเจนลดซิลิคอนจากสถานะออกซิเดชันที่สูงขึ้น การเปลี่ยนแปลงที่ประสานกันในพันธะของออกซิเจน อะลูมิเนียม และซิลิคอนนี้บ่งชี้ถึงความเสียหายในวงกว้างต่อฟิล์ม Al₂O₃ มากกว่าปฏิกิริยาการแตกพันธะเดี่ยวที่แยกออกมา
การเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพทางไฟฟ้า
Millennial Solar
เส้นโค้ง EQE และการสะท้อนแสงของเซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon ก่อนและหลังการสัมผัสรังสี UV60
การสะท้อนแสงแทบไม่เปลี่ยนแปลงหลังการสัมผัสรังสี UV60 EQE ลดลงปานกลางในช่วงคลื่นสั้นต่ำกว่า 500 นาโนเมตร ซึ่งสอดคล้องกับการรวมตัวกันใหม่ที่พื้นผิวด้านหน้าที่รุนแรงขึ้น
การเปลี่ยนแปลงความต้านทานการสัมผัสด้านหน้าของเซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon ระหว่างการสัมผัสรังสี UV60
ความต้านทานการสัมผัสด้านหน้าเพิ่มขึ้นเกือบเป็นเส้นตรงตามปริมาณรังสี UV โดยถึง 4.1 มิลลิโอห์ม·ซม.²ซึ่งประมาณ 8.6 เท่า ของค่าเริ่มต้น กลไกที่เสนอนี้เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนและออกซิเจนที่เคลื่อนที่ได้ซึ่งถูกสร้างขึ้นภายในชั้นพาสซิเวชัน สารเหล่านี้แพร่ไปยังส่วนเชื่อมต่ออิเล็กโทรดและมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน
รังสียูวียังสามารถเปลี่ยนโมเลกุลน้ำบนพื้นผิวเงินให้เป็นอนุมูลไฮดรอกซิล ปฏิกิริยาเหล่านี้ร่วมกันส่งเสริมการกัดกร่อนของอิเล็กโทรดโลหะและเพิ่มความต้านทานการสัมผัส
การเสื่อมประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon ระหว่างการสัมผัสรังสี UV60: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; และ (d) ประสิทธิภาพ
การสูญเสียทางไฟฟ้าสุดท้ายกระจายไปตามพารามิเตอร์หลายตัว:
Voc ลดลง 3.46%สาเหตุหลักมาจากการเสื่อมสภาพของพาสซิเวชันพื้นผิวด้านหน้าและการเพิ่มขึ้นของ J₀
FF ลดลง 2.82%สาเหตุหลักมาจากการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของความต้านทานการสัมผัสด้านหน้า
Jsc ลดลงเพียง 0.64%เนื่องจากการสูญเสีย EQE จำกัดอยู่เฉพาะในช่วงคลื่นสั้นเป็นหลัก
ประสิทธิภาพการแปลงลดลง 6.72% หลังการสัมผัสรังสี UV60
โครงสร้าง SiNₓ/Al₂O₃ ด้านหน้าของเซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon จึงมีความต้านทานรังสีอัลตราไวโอเลตต่ำกว่าโครงสร้างด้านหลังมาก ภายใต้การสัมผัสรังสียูวี พันธะ Si–H และ N–H จะแตกและปล่อยไฮโดรเจนที่เคลื่อนที่ได้ พันธะ Al–O ใน Al₂O₃ อสัณฐานก็เสียหายเช่นกัน ปล่อยออกซิเจนและสร้างตำแหน่งว่างออกซิเจนความหนาแน่นสูง ในเวลาเดียวกัน Al₂O₃ เปลี่ยนไปเป็น Al–OH และการกระจายสถานะออกซิเดชันของซิลิกอนเปลี่ยนแปลงไป
กลไกการเสื่อมสภาพที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนและออกซิเจนทำงานร่วมกันเพื่อเพิ่มการรวมตัวกันใหม่ที่พื้นผิว การเพิ่มขึ้นของความต้านทานการสัมผัสด้านหน้าที่ตามมาเพิ่มการสูญเสียทางไฟฟ้าที่แยกต่างหาก นำไปสู่การเสื่อมประสิทธิภาพที่วัดได้ 6.72%. ผลการค้นพบเหล่านี้เป็นข้อมูลอ้างอิงที่มีประโยชน์สำหรับการทำความเข้าใจ UVID ของ TOPCon และการปรับปรุงความน่าเชื่อถือในระยะยาวของชั้นพาสซิเวชันด้านหน้า
มุมมองของ Ooitech
ประเด็นสำคัญคือ UVID ของ TOPCon ไม่สามารถมองเป็นปัญหาแค่พันธะ Si–H อย่างง่ายได้ ต้องประเมินเคมีของพาสซิเวชัน การควบคุมออกซิเจนวาแคนซี และความเสถียรของเมทัลไลเซชันร่วมกัน โดยเฉพาะเมื่อทำการรับรองกระบวนการผลิตโมดูลสำหรับการใช้งานกลางแจ้งระยะยาว การติดตามด้วย IV แบบไม่สัมผัส EQE และ PL สามารถช่วยระบุการสูญเสียเหล่านี้ได้เร็วขึ้น โดยไม่เพิ่มความเสียหายจากการสัมผัสเชิงกลให้กับการออกแบบเซลล์ที่บอบบางมากขึ้น
