เซลล์ TOPCon ภายใต้ความร้อนชื้น: ทำไม

คำตอบสั้น: TOPCon ได้ครอบครองตลาดซิลิคอนผลึกประสิทธิภาพสูงส่วนใหญ่ไปแล้ว และคำถามที่ยังเปิดอยู่ไม่ใช่เรื่องประสิทธิภาพอีกต่อไป แต่เป็นเรื่องที่ว่าเซลล์จะทำงานอย่างไรหลังจากผ่านไปหลายปีในสภาพแวดล้อมจริงภายใต้ความร้อนชื้น การทดสอบแบบเร่งมาตรฐานดำเนินการที่ 85 °C และความชื้นสัมพัทธ์ 85% — DH85 — ซึ่งออกแบบมาเพื่อผลักดันความชื้นเข้าสู่สารห่อหุ้มและชั้นเซลล์ได้เร็วกว่าที่สภาพแวดล้อมจริงจะทำ โครงสร้างแบบเป็นชั้นมีความสำคัญตรงนี้: ออกไซด์อุโมงค์ที่มีความหนาประมาณ 10 nm ภายใต้ชั้นโพลีซิลิคอนเจือเจือนั้นบางพอที่เคมีที่รอยต่อ ไม่ใช่วัสดุเนื้อใน จะเป็นตัวกำหนดความน่าเชื่อถือ อุณหภูมิลามิเนชันที่ประมาณ 150 °C และความสามารถในการซึมผ่านของความชื้นของสารห่อหุ้มเองต่างก็ป้อนเข้าสู่เส้นทางความเสียหายเดียวกัน เครื่องมือตรวจวัดลักษณะเฉพาะในระดับ QL200 ถูกใช้เพื่อติดตามว่าการสัมผัสความร้อนชื้นส่งผลต่อพาสซีเวชันอย่างไร ไม่ใช่แค่เพียงว่ากำลังไฟฟ้าลดลงหรือไม่

การผลิตโมดูล PV · โดย Jerry, Ooitech

บทนำ

TOPCon ได้ครอบครองตลาด c-Si ประสิทธิภาพสูงส่วนใหญ่แล้ว แต่ความน่าเชื่อถือในภาคสนามระยะยาวยังคงเป็นเป้าหมายที่เคลื่อนไหว จุดอ่อนหนึ่งที่ปรากฏซ้ำๆ ในการศึกษาแบบ damp-heat คือชั้น passivation ด้านหลัง การศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) ได้ระบุชัดเจนว่าเกิดอะไรขึ้นจริงเมื่อเกลือโซเดียมตกลงบนพื้นผิวเซลล์และอยู่ภายใต้สภาวะ 85°C/85% RH สรุปสั้นๆ — ชั้น SiNₓ ด้านหลังคือจุดอ่อน และฟิล์ม ALD AlOₓ บางๆ ช่วยแก้ไขได้เกือบทั้งหมด

ข้อค้นพบสำคัญเบื้องต้น

• ชั้น SiNₓ ด้านหลังคือจุดอ่อนต่อความร้อนชื้น โซเดียมอะซิเตต (CH₃COONa) ทำให้แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (Voc) ด้านหลังลดลง 5.8% และเพิ่มความต้านทานอนุกรม (Rₛ) ขึ้น 450%

• เกลือโซเดียมเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันพื้นผิวและการสูญเสียไนโตรเจน XPS แสดงอัตราส่วนอะตอม Si/N ด้านหลังเพิ่มขึ้นจาก 1.3 เป็น 23 และ O/N จาก 1.6 เป็น 53

• ชั้นกั้น ALD Al₂O₃ ขนาด 10nm สร้างความแตกต่างอย่างมาก — การสูญเสีย PCE ภายใต้การปนเปื้อน CH₃COONa ลดลงจาก 16% เหลือเพียง 0.4%

• พาสซิเวชันด้านหน้าแข็งแกร่งกว่ามาก ชั้นหลายชั้น AlOₓ/SiOᵧNᵣ ป้องกันการแพร่ของโซเดียม ดังนั้นการปนเปื้อนด้านหน้าทำให้ PCE ลดลงเพียง 0.87%

• สารปนเปื้อนทั้งสองชนิดทำหน้าที่ต่างกัน: โซเดียมอะซิเตตโจมตีหน้าสัมผัสโลหะ ในขณะที่โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) ออกซิไดซ์ชั้นพาสซิเวชันเป็นหลัก

ความเป็นมา

คำถามหลักนั้นง่ายที่จะกล่าว แต่ยากที่จะตอบ: ทำไมเซลล์ TOPCon สูญเสียประสิทธิภาพภายใต้ความร้อนชื้นเมื่อมีเกลือโซเดียมอยู่ และทำไมพาสซิเวชันด้านหลังถูกกระทบหนักกว่า (Kyranaki et al., 2022)?

ช่องว่างที่ยังมีอยู่

งานก่อนหน้านี้ส่วนใหญ่เน้นที่การกัดกร่อนของหน้าสัมผัสโลหะ (Iqbal et al., 2023) แต่ไม่มีใครเคยศึกษาการสลายตัวทางเคมีของชั้นพาสซิเวชันอย่างเป็นระบบ โครงสร้างด้านหน้าและด้านหลังถูกสร้างขึ้นแตกต่างกัน — ด้านหน้าเป็น AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ ด้านหลังเป็น SiNₓ บน poly-Si ที่เจือปน — และความต้านทานการกัดกร่อนของทั้งสองไม่เคยถูกเปรียบเทียบโดยตรง (Feldmann et al., 2014) ยิ่งไปกว่านั้น สารปนเปื้อนทั่วไปสองชนิด (CH₃COONa กับ NaCl) เคยถูกคิดว่ามีพฤติกรรมเหมือนกัน แต่จริงๆ แล้วไม่ใช่ (Li et al., 2021)

การทำให้ถูกต้องนี้มีความสำคัญในเชิงการเงิน โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ขายโดยมีสัญญาอายุการใช้งาน 25 ปี (Peters et al., 2021) และโหมดความล้มเหลวด้านหลังที่ปรากฏภายใต้ความชื้นเป็นสิ่งที่กัดกร่อนสัญญานั้น

แนวทาง

ขั้นตอนการทำงานถูกทำให้ใกล้เคียงกับกระบวนการผลิตจริง: เซลล์ TOPCon ระดับอุตสาหกรรม → พ่นเกลือโซเดียมเฉพาะที่บนพื้นผิวด้านหน้าหรือด้านหลัง → เร่งความร้อนชื้น (85°C/85% RH) → การตรวจสอบทางไฟฟ้าและเคมี → ทดสอบชั้นกั้น AlOₓ ด้วย ALD → หา mechanism การป้องกัน

สิ่งใหม่ที่นี่

ในด้านทฤษฎี นี่เป็นการศึกษาครั้งแรกที่ชี้ให้เห็นว่าการสูญเสียไนโตรเจนในชั้น SiNₓ ด้านหลังเป็นตัวขับเคลื่อนหลักของการลดลงของ Voc ในทางปฏิบัติ ชั้น AlOₓ 10nm ทำงานบนเครื่องมือ ALD มาตรฐานทางอุตสาหกรรมและมีค่าใช้จ่ายเพียงประมาณ 0.01% ในประสิทธิภาพสัมบูรณ์ และในเชิงวิธีการ ทีมงานสร้างการทดสอบ DH ระดับเซลล์ที่ 20 ชั่วโมงเทียบเท่ากับการเสื่อมสภาพกลางแจ้งหลายปี (Sen et al., 2023)

ห่วงโซ่ตรรกะเข้าใจง่าย: การปนเปื้อนด้านหลังทำให้ Voc ลดลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งชี้ไปที่ความล้มเหลวของพาสซิเวชันโดยตรง จากนั้น XPS ยืนยันปฏิกิริยาออกซิเดชันของ SiNₓ และเส้นทางการแพร่ของโซเดียมที่เปิดขึ้น เพิ่มชั้น AlOₓ ปิดกั้นโซเดียม และการถ่ายภาพ PL ยืนยันว่าข้อบกพร่องถูกระงับ

วิธีการ

การเตรียมตัวอย่าง

วิธีการวัด

• พารามิเตอร์ I-V (Pmax, Voc, FF, Jsc) ผ่านระบบ LOANA (pv-tools)

• คุณภาพพาสซิเวชันผ่านอายุการใช้งานของพาหะส่วนน้อยที่มีประสิทธิภาพ (τ_eff)

• เคมีพื้นผิวผ่าน XPS และ SEM-EDS

ผลลัพธ์และการอภิปราย

การเสื่อมสภาพทางไฟฟ้า

ด้านหลังเป็นด้านที่ไวต่อการเสื่อมสภาพอย่างชัดเจน CH₃COONa ที่ด้านหลังทำให้ Voc ลดลง 5.8% Rₛ เพิ่มขึ้น 450% (ตารางที่ 1) และความเข้ม PL ลดลง 37.3% (รูปที่ 3a) การรักษาแบบเดียวกันที่ด้านหน้าทำให้ PCE ลดลงเพียง 0.87% เกลือชนิดเดียวกัน ผลลัพธ์แตกต่างกันมากขึ้นอยู่กับด้านที่สัมผัส

การสลายตัวทางเคมีของชั้นพาสซิเวชัน

XPS บนพื้นผิวด้านหลังแสดงสัดส่วนพันธะ Si-O เพิ่มขึ้นอย่างมาก (รูปที่ 5b) โดยอัตราส่วนอะตอม O/N เพิ่มจาก 1.6 ในกลุ่มควบคุมเป็น 53 ในกลุ่ม CH₃COONa กลไกคือการสูญเสียไนโตรเจน — ความร้อนชื้นไฮโดรไลซ์ SiNₓ และทำลายพาสซิเวชันพื้นผิว

สิ่งที่ชั้นกั้น AlOₓ ทำ

เมื่อมีชั้น AlOₓ หนา 10nm ที่ปลูกด้วย ALD การสูญเสีย PCE ภายใต้การปนเปื้อน CH₃COONa ด้านหลังลดลงจาก 16% เหลือ 0.4% และ Voc คงที่ (รูปที่ 6a) SEM-EDS แสดงปริมาณโซเดียมลดลง 86% ในตัวอย่างที่มี AlOₓ (รูปที่ 6c) และ PL ไม่แสดงการกระตุ้นข้อบกพร่อง (รูปที่ 6b) ชั้นกั้นทำงานตามที่ต้องการ — ป้องกันโซเดียมไม่ให้เข้าไป

บทสรุป

ข้อสรุปหลัก

ชั้น SiNₓ ด้านหลังเกิดไฮโดรไลซิสและออกซิเดชันภายใต้ความร้อนชื้นร่วมกับเกลือโซเดียม ซึ่งทำให้ Voc ลดลงและ Rₛ เพิ่มขึ้น (ยืนยันด้วย XPS/EDS รูปที่ 4-5) ชั้น AlOₓ หนา 10nm ป้องกันการแพร่ของโซเดียมและทำให้การสูญเสีย PCE ที่ DH85 ต่ำกว่า 1% (รูปที่ 6a) และชั้นหลายชั้น AlOₓ/SiOᵧNᵣ ด้านหน้าทนทานต่อการกัดกร่อนโดยธรรมชาติ ดังนั้นการปนเปื้อนที่ด้านหน้าจึงแทบไม่มีผล

ประโยชน์

ชั้นกั้น AlOₓ สามารถนำไปใช้ในการผลิต TOPCon แบบมวลชนได้ทันทีบนเครื่องมือเช่น Leadmicro QL200 ในอนาคต การจับคู่ AlOₓ กับ SiNₓ ในการห่อหุ้มโมดูลแบบกระจกคู่สามารถยืดอายุการใช้งานของโรงไฟฟ้าในพื้นที่ชื้นได้

ข้อมูลพื้นฐาน

• โครงสร้าง TOPCon: ออกไซด์อุโมงค์ (SiO₂) บวกกับหน้าสัมผัสพาสซิเวต poly-Si ที่เจือ ซึ่งลดการรวมตัวกันใหม่ที่โลหะ (Feldmann et al., 2014)

• ALD: การเติบโตฟิล์มนาโนแบบทีละชั้น ให้การปกคลุม AlOₓ ที่สม่ำเสมอในระดับนาโนเมตร

• การทดสอบ DH: การเร่งอายุที่ 85°C/85% RH เพื่อจำลองการเสื่อมสภาพของโมดูลในสภาพอากาศชื้น

• พาสซิเวชัน SiNₓ: ซิลิคอนไนไตรด์ที่เติมไฮโดรเจน ดีสำหรับการลดการสะท้อนและพาสซิเวชันพื้นผิว แต่มีพันธะห้อยและไฮโดรไลซ์ได้ง่าย

เอกสารอ้างอิง

• 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., Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.

• Li X. et al., Accelerated damp-heat testing of TOPCon cells using NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.

• Peters I.M. et al., The value of stability in photovoltaics, Joule 5 (2021) 3137–3153.

มุมมองของ Ooitech

สิ่งที่โดดเด่นคือเรื่องความน่าเชื่อถือส่วนใหญ่อยู่ที่ชั้นพาสซีฟด้านหลัง ไม่ใช่ที่หัวข้อการออกแบบเซลล์ บนสายการผลิตจริง การเพิ่มชั้น ALD AlOₓ 10nm เป็นการประกันราคาถูกสำหรับโครงการในสภาพอากาศชื้น และสามารถเข้ากับการผลิตโมดูลมาตรฐานได้โดยไม่ยุ่งยาก เราสร้างสายการผลิตโมดูลแบบครบวงจรตั้งแต่ต้นจนจบ ดังนั้นเราจึงติดตามผลการค้นพบเช่นนี้อย่างใกล้ชิด — การปรับแต่งกระบวนการเล็กน้อยในขั้นต้นมักจะตัดสินว่าโรงงานจะอยู่ได้นาน 25 ปีหรือไม่ หากคุณต้องการข้อมูลเพิ่มเติมจากหน้างาน ช่อง YouTube ของ Ooitech (www.youtube.com/ooitech) น่าติดตาม