UVID ในเซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon: การทดสอบ IV แบบไม่สัมผัสติดตามการเสื่อมสภาพของพาสซิเวชันและการสูญเสียประสิทธิภาพ 6.72%

บทนำ

เซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon ครองตลาด PV ในปัจจุบันด้วยการพาสซิเวชันพื้นผิวที่แข็งแกร่งและหน้าสัมผัสที่เลือกพาหะ แต่การทำงานกลางแจ้งเผยให้เห็นจุดอ่อนที่แท้จริง: การเสื่อมสภาพที่เกิดจากรังสียูวี หรือ UVID หลังจากการฉายรังสี UV60 ประสิทธิภาพลดลงมากถึง 6.72%

งานวิจัยก่อนหน้านี้ส่วนใหญ่โทษ UVID ว่าเกิดจากโฟตอนพลังงานสูงทำลายพันธะ Si–H และปล่อยไฮโดรเจนอิสระ นั่นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของเรื่องราว สเปกตรัม UV ของดวงอาทิตย์ครอบคลุมช่วงพลังงานกว้าง 3.1–4.43 eV ดังนั้นปฏิสัมพันธ์กับชั้นพื้นผิวด้านหน้าจึงเกินกว่ากลไกการแตกพันธะ Si–H เพียงเส้นทางเดียว และชั้นซ้อน Al₂O₃ / SiNₓ ด้านหน้านั้นอ่อนแอต่อ UV มากกว่าด้านหลังมาก

เครื่องทดสอบ IV แบบไม่สัมผัสช่วยได้มากที่นี่ มันไม่ทำลายตัวอย่าง ไม่ใช้วัสดุสิ้นเปลือง ทำงานด้วยความเร็วระดับมิลลิวินาที รองรับการออกแบบ BC และแบบไม่มีบัสบาร์ และดึงพารามิเตอร์ IV, EQE และ PL ในการวัดครั้งเดียว

การศึกษานี้ใช้ ToF-SIMS และ XPS แบบเจาะลึกเพื่อติดตามการกระจายตัวของธาตุและการเปลี่ยนแปลงพันธะเคมีในชั้น Al₂O₃ / SiNₓ ก่อนและหลัง UV60 ผลการค้นพบ: การแตกพันธะ N–H เป็นแหล่งไฮโดรเจนที่สองควบคู่กับ Si–H พันธะ Al–O ใน Al₂O₃ อสัณฐานถูกทำลายโดย UV และสร้างช่องว่างออกซิเจนจำนวนมาก กลไกไฮโดรเจนและออกซิเจนซ้อนทับกันและทำให้การรวมตัวที่พื้นผิวแย่ลง ทำให้มีทิศทางที่ชัดเจนในการปรับปรุงความน่าเชื่อถือของการพาสซิเวชัน

วิธีการทดลอง

(a) แผนผังโครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon (b) ตัวอย่างโครงสร้างด้านหน้าแบบสมมาตร (c) ตัวอย่างโครงสร้างด้านหลังแบบสมมาตร

เตรียมตัวอย่างโครงสร้างด้านหน้าแบบสมมาตร (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) และตัวอย่างโครงสร้างด้านหลังแบบสมมาตร (ที่มีชั้น SiOₓ/n⁺-poly-Si) การเสื่อมสภาพด้วย UV ดำเนินการในระดับโมดูล แหล่งกำเนิดแสงส่วนใหญ่เป็น UV-A โดยมี UV-B ประมาณ 11% ภายใต้อุณหภูมิ 60°C และความชื้น 30%

ความเข้มของสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดแสง UV

โครงสร้างด้านหน้าเทียบกับด้านหลัง: เปรียบเทียบความต้านทาน UV

การเปลี่ยนแปลงของ (a) τeff ที่ความเข้มข้นของพาหะฉีด 1×10¹⁵ cm⁻³, (b) iVoc และ (c) J₀ ด้านเดียวสำหรับตัวอย่างโครงสร้างด้านหน้าและด้านหลังแบบสมมาตรระหว่างการสัมผัส UV

โครงสร้างด้านหลังแบบสมมาตรเสื่อมสภาพเพียงเล็กน้อยหลังการสัมผัสรังสียูวี 60 kWh·m⁻² ชั้นโพลี-Si หนา 120 นาโนเมตรดูดซับแสงยูวีเกือบทั้งหมดและให้การป้องกันอย่างมีประสิทธิภาพ

โครงสร้างด้านหน้าให้เรื่องราวที่แตกต่างกัน τeff ลดลงจาก 2895.6 μs เป็น 1552.8 μs iVoc ลดลงจาก 735.5 mV เป็น 715.2 mV ค่า J₀ ด้านเดียวพุ่งสูงขึ้นถึง 18.4 fA·cm⁻² ซึ่งประมาณสามเท่าของค่าเริ่มต้น การพาสซีฟของ Al₂O₃ / SiNₓ เสื่อมสภาพอย่างหนัก

วิวัฒนาการขององค์ประกอบทางเคมี

โปรไฟล์ความเข้มเชิงความลึกของ (a) ไฮโดรเจนและ (b) ออกซิเจนในตัวอย่างโครงสร้างด้านหน้าแบบสมมาตรที่ขัดเงาก่อนและหลัง UV60 วัดโดย ToF-SIMS

ToF-SIMS แสดงความเข้มข้นของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจนหลังการสัมผัสรังสียูวี โดยเฉพาะภายในชั้น SiNₓ การวิเคราะห์ XPS เชิงความลึกของ N 1s แสดงให้เห็นว่าที่อินเทอร์เฟซ SiNₓ / Al₂O₃ สัดส่วนพันธะ N–H ลดลงจาก 9.64% เป็น 5.97% ดังนั้นการแตกของพันธะ N–H จึงเป็นแหล่งไฮโดรเจนที่สองนอกเหนือจาก Si–H ไฮโดรเจนที่ปลดปล่อยออกมาจะแพร่ไปยังบริเวณพื้นผิวของ SiNₓ และรวมตัวกับซิลิคอนที่นั่น ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมสัดส่วน N–H จึงเพิ่มขึ้นใกล้พื้นผิวนั้น

ออกซิเจนบอกเล่าเรื่องราวที่สำคัญไม่แพ้กัน ออกซิเจนในชั้น Al₂O₃ ลดลงเล็กน้อย ในขณะที่ออกซิเจนที่อินเทอร์เฟซ SiNₓ/Al₂O₃ และ Al₂O₃/Si เพิ่มขึ้น ซึ่งบ่งชี้ว่าพันธะ Al–O แตกและออกซิเจนอิสระเคลื่อนที่ออกไปด้านนอก พลังงานพันธะ Al–O ในผลึกในอุดมคติประมาณ 5.3 eV แต่ใน Al₂O₃ ที่เป็นอสัณฐาน ไอออนอะลูมิเนียมที่ขาดการประสานและช่องว่างออกซิเจนจะดักจับอิเล็กตรอนและกลายเป็นประจุลบ ทำให้พลังงานกระตุ้นสำหรับการแตกพันธะ Al–O ที่อยู่ติดกันลดลงเหลือประมาณ 2.4 eV ซึ่งหมายความว่าแสงยูวี 400 นาโนเมตร (3.1 eV) เพียงพอที่จะทำลายพันธะเหล่านี้ได้

สเปกตรัม XPS เชิงความลึกของ N 1s ที่อินเทอร์เฟซต่างๆ ของชั้น Al₂O₃/SiNₓ ก่อนและหลัง UV60 พร้อมเส้นโค้งที่ปรับแล้วสำหรับพันธะ N–Si (397.5 eV) และ N–H (399.5 eV)

XPS ของ O 1s แสดงออกซิเจนในโครงตาข่าย (OI) เปลี่ยนเป็นช่องว่างออกซิเจน (OII) ในสเปกตรัม Al 2p สัดส่วน Al₂O₃ ลดลงจาก 69.99% เป็น 60.36% ในขณะที่ Al–OH เพิ่มขึ้นจาก 30.01% เป็น 39.64% ในสเปกตรัม Si 2p Si²⁺ เพิ่มขึ้นในขณะที่ซิลิคอนที่มีวาเลนซ์สูงกว่าลดลง อิเล็กตรอนที่ปลดปล่อยเมื่อช่องว่างออกซิเจนก่อตัวจะรีดิวซ์ซิลิคอนจากสถานะออกซิเดชันที่สูงขึ้น เมื่อรวมกันแล้ว การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ในพันธะของออกซิเจน อะลูมิเนียม และซิลิคอนแสดงให้เห็นว่าคุณภาพของฟิล์ม Al₂O₃ ได้รับความเสียหายแล้ว

การเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพทางไฟฟ้า

เส้นโค้ง EQE และการสะท้อนแสงของเซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon ก่อนและหลัง UV60

การเปลี่ยนแปลงความต้านทานหน้าสัมผัสด้านหน้าของเซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon ระหว่างการสัมผัส UV60

ค่าการสะท้อนแสงแทบไม่เปลี่ยนแปลงหลังการทดสอบ UV60 ค่า EQE ลดลงปานกลางในช่วงความยาวคลื่นสั้นต่ำกว่า 500 นาโนเมตร ซึ่งสอดคล้องกับการรวมตัวที่พื้นผิวด้านหน้ามากขึ้น ความต้านทานสัมผัสของขั้วไฟฟ้าด้านหน้าเพิ่มขึ้นเกือบเป็นเส้นตรงตามปริมาณรังสี UV โดยสูงถึง 4.1 มิลลิโอห์ม·ตารางเซนติเมตร ซึ่งสูงขึ้นประมาณ 8.6 เท่า สาเหตุคือไฮโดรเจนและออกซิเจนอิสระที่เกิดในชั้นพาสซิเวชันแพร่ไปยังรอยต่ออิเล็กโทรดและมีส่วนร่วมในปฏิกิริยารีดอกซ์ รังสี UV ยังเปลี่ยนโมเลกุลน้ำบนพื้นผิวเงินให้เป็นไฮดรอกซิลเรดิคัล ซึ่งร่วมกันกัดกร่อนอิเล็กโทรดโลหะ

อัตราการเสื่อมสมรรถนะทางไฟฟ้าระหว่างการรับรังสี UV60: (a) แรงดันวงจรเปิด (b) กระแสลัดวงจร (c) ฟิลแฟกเตอร์ (d) ประสิทธิภาพ

แรงดันวงจรเปิดลดลง 3.46% เชิงสัมพัทธ์ เกิดจากการเสื่อมของพาสซิเวชันพื้นผิวด้านหน้าและค่า J₀ ที่เพิ่มขึ้น ฟิลแฟกเตอร์ลดลง 2.82% เกิดจากความต้านทานสัมผัสด้านหน้าที่สูงขึ้น กระแสลัดวงจรลดลงเพียง 0.64% เนื่องจากการสูญเสีย EQE ในช่วงความยาวคลื่นสั้นมีจำกัด การสูญเสียประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกสุดท้ายอยู่ที่ 6.72%

บทสรุป

โครงสร้าง SiNₓ/Al₂O₃ ด้านหน้าของเซลล์ TOPCon มีความทนทานต่อรังสี UV น้อยกว่าโครงสร้างด้านหลังมาก ภายใต้รังสี UV พันธะ Si–H และ N–H จะแตกตามลำดับและปล่อยไฮโดรเจนอิสระ พันธะ Al–O ใน Al₂O₃ ที่เป็นอสัณฐานแตกภายใต้รังสี UV ปล่อยออกซิเจนอิสระและสร้างตำแหน่งว่างออกซิเจนจำนวนมาก Al₂O₃ เปลี่ยนไปเป็น Al–OH และวาเลนซ์ของซิลิคอนเปลี่ยนไป กลไกการเสื่อมสองแบบนี้คือไฮโดรเจนและออกซิเจน ซ้อนทับกันและทำให้การรวมตัวที่พื้นผิวแย่ลง เมื่อรวมกับการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของความต้านทานสัมผัสด้านหน้า ผลลัพธ์คือการสูญเสียประสิทธิภาพ 6.72% งานนี้ให้ข้อมูลอ้างอิงที่เป็นประโยชน์สำหรับการทำความเข้าใจ UVID ของ TOPCon และการปรับปรุงความน่าเชื่อถือระยะยาวของชั้นพาสซิเวชัน

มุมมองของ Ooitech

UVID พิสูจน์ซ้ำแล้วซ้ำเล่าว่าโครงสร้างด้านหน้าคือจุดที่ความน่าเชื่อถือถูกทดสอบจริง ดังนั้นวิธีการสร้างและควบคุมการสะสม SiNₓ/Al₂O₃ และการ encapsulate บนสายการผลิตโมดูลจึงสำคัญพอๆ กับสูตรเซลล์ บนสายการผลิตโมดูล TOPCon และ PERC แบบครบวงจรของเรา เราเห็นบทเรียนเดียวกันเกิดขึ้นในขั้นตอนการวางซ้อน การเคลือบ และการตรวจสอบ EL การเลือกกระบวนการเล็กน้อยเป็นตัวกำหนดว่าแผงจะทนทานกลางแจ้งได้หลายปีหรือไม่ หากคุณต้องการมุมมองเชิงปฏิบัติจากหน้างานเพิ่มเติม ช่อง YouTube ของ Ooitech ที่ www.youtube.com/ooitech น่าติดตาม