Studi UVID Sel TOPCon: Pengujian IV Non-Kontak Melacak Degradasi Pasivasi dan Kehilangan Efisiensi 6,72%
Daftar Isi
UVID Sel TOPCon dan Pengujian IV Non-Kontak
Sel surya TOPCon telah memperoleh posisi terdepan di pasar fotovoltaik karena pasivasi permukaan yang kuat dan kontak selektif pembawa. Namun, operasi di luar ruangan membuat mereka terpapar degradasi akibat ultraviolet, atau UVID. Dalam studi ini, efisiensi konversi turun sebesar 6,72% setelah paparan UV60.
Penelitian sebelumnya sering mengaitkan UVID terutama dengan foton energi tinggi yang memutus ikatan Si–H dan melepaskan hidrogen bergerak. Spektrum ultraviolet matahari mencakup rentang energi foton yang jauh lebih luas yaitu 3,1–4,43 eV, sehingga interaksinya dengan material permukaan depan tidak dapat dijelaskan hanya dengan pemutusan ikatan Si–H. Tumpukan Al₂O₃/SiNₓ depan juga menunjukkan ketahanan UV yang jauh lebih lemah dibandingkan struktur sisi belakang.
Penguji IV non-kontak Millennial Solar menyediakan pengujian non-destruktif tanpa bahan habis pakai dan kecepatan pengukuran tingkat milidetik. Ini kompatibel dengan desain sel kontak belakang dan tanpa busbar serta dapat memperoleh parameter IV, EQE, dan PL multidimensi dalam satu urutan pengujian.
Studi ini menggunakan spektrometri massa ion sekunder waktu terbang, atau ToF-SIMS, bersama dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X profil kedalaman, atau XPS, untuk melacak distribusi unsur dan perubahan ikatan kimia di lapisan Al₂O₃/SiNₓ sebelum dan sesudah paparan UV60. Hasilnya menunjukkan bahwa pemutusan ikatan N–H bertindak sebagai sumber hidrogen kedua selain pemutusan ikatan Si–H. Paparan UV juga merusak ikatan Al–O dalam Al₂O₃ amorf, menciptakan sejumlah besar kekosongan oksigen. Mekanisme gabungan hidrogen dan oksigen meningkatkan rekombinasi permukaan dan memberikan dasar yang lebih jelas untuk meningkatkan keandalan lapisan pasivasi.
Metode Eksperimental
Millennial Solar
(a) Struktur skematik sel surya TOPCon; (b) sampel struktur depan simetris; (c) sampel struktur belakang simetris.
Dua sampel struktur simetris disiapkan. Struktur depan adalah SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. Struktur belakang mencakup lapisan SiOₓ/n⁺-poly-Si. Penuaan UV dilakukan pada level modul menggunakan sumber cahaya yang didominasi UV-A dengan sekitar 11% UV-B. Kondisi pengujian adalah 60°C dan kelembaban relatif 30%.
| Item uji | Kondisi atau konfigurasi |
|---|---|
| Sampel simetris depan | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Sampel simetris belakang | Struktur yang mengandung lapisan SiOₓ/n⁺-poly-Si |
| Sumber UV | Terutama UV-A, dengan sekitar 11% UV-B |
| Suhu uji | 60°C |
| Kelembaban relatif | 30% |
| Dosis UV maksimum yang dilaporkan | 60 kWh·m⁻², diidentifikasi sebagai UV60 |
| Metode analisis utama | ToF-SIMS dan XPS profil kedalaman |
Iradiasi spektral dari sumber cahaya ultraviolet.
Ketahanan UV Struktur Depan dan Belakang
Millennial Solar
Perubahan pada sampel struktur depan dan belakang simetris selama paparan UV: (a) masa pakai pembawa efektif, τeff, pada konsentrasi pembawa injeksi 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) tegangan sirkuit terbuka tersirat, iVoc; dan (c) kerapatan arus saturasi satu sisi, J₀.
Struktur belakang simetris hanya menunjukkan degradasi kecil setelah 60 kWh·m⁻² paparan UV. Lapisan poly-Si setebal 120 nm menyerap hampir semua radiasi UV yang datang dan memberikan perlindungan efektif pada antarmuka di bawahnya.
Struktur depan simetris mengalami degradasi yang jauh lebih parah:
Masa pakai pembawa efektif, τeff, turun dari 2.895,6 μs menjadi 1.552,8 μs.
Tegangan sirkuit terbuka tersirat, iVoc, menurun dari 735,5 mV menjadi 715,2 mV.
J₀ satu sisi meningkat menjadi 18,4 fA·cm⁻², sekitar tiga kali lipat dari nilai awalnya.
Kinerja pasivasi Al₂O₃/SiNₓ menurun secara substansial.
Hasil ini mengonfirmasi bahwa tumpukan SiNₓ/Al₂O₃ depan jauh lebih rentan terhadap paparan ultraviolet dibandingkan struktur SiOₓ/poly-Si belakang.
Evolusi Komposisi Kimia
Millennial Solar
Profil kedalaman ToF-SIMS dari intensitas (a) hidrogen dan (b) oksigen pada sampel struktur depan simetris yang dipoles sebelum dan sesudah paparan UV60.
ToF-SIMS menunjukkan peningkatan yang jelas dalam konsentrasi hidrogen setelah paparan ultraviolet, terutama di dalam lapisan SiNₓ. Analisis profil kedalaman sinyal XPS N 1s menemukan bahwa proporsi ikatan N–H pada antarmuka SiNₓ/Al₂O₃ menurun dari 9,64% menjadi 5,97%. Ini mengonfirmasi bahwa pemutusan ikatan N–H adalah sumber hidrogen penting lainnya di samping disosiasi ikatan Si–H.
Sebagian hidrogen yang dilepaskan berdifusi menuju permukaan SiNₓ dan berikatan kembali dengan silikon. Ini menjelaskan mengapa proporsi N–H lokal di dekat permukaan meningkat daripada terus menurun.
Evolusi oksigen juga kritis. Konsentrasi oksigen di dalam lapisan Al₂O₃ sedikit menurun, sementara meningkat di kedua antarmuka SiNₓ/Al₂O₃ dan Al₂O₃/Si. Distribusi ini menunjukkan bahwa oksigen yang dilepaskan oleh pemutusan ikatan Al–O berdifusi keluar dari film Al₂O₃.
Energi ikatan Al–O dalam kristal ideal adalah sekitar 5,3 eV. Al₂O₃ amorf berbeda. Ion aluminium yang terkoordinasi rendah dan kekosongan oksigen bermuatan negatif dapat menurunkan energi aktivasi untuk memutuskan ikatan Al–O yang berdekatan menjadi sekitar 2,4 eV. Sebuah foton ultraviolet 400 nm membawa sekitar 3,1 eV, yang sudah cukup untuk memicu proses ini.
Spektrum XPS profil kedalaman N 1s pada berbagai antarmuka Al₂O₃/SiNₓ sebelum dan sesudah paparan UV60, termasuk ikatan N–Si yang cocok pada 397,5 eV dan ikatan N–H pada 399,5 eV.
Hasil XPS O 1s menunjukkan konversi dari oksigen kisi, yang diidentifikasi sebagai OI, menuju komponen terkait kekosongan oksigen, yang diidentifikasi sebagai OII. Dalam spektrum Al 2p, proporsi Al₂O₃ turun dari 69,99% menjadi 60,36%, sementara Al–OH meningkat dari 30,01% menjadi 39,64%.
Spektrum Si 2p juga menunjukkan peningkatan Si²⁺ dan penurunan keadaan oksidasi silikon yang lebih tinggi. Elektron yang dilepaskan selama pembentukan kekosongan oksigen mereduksi silikon dari keadaan oksidasi yang lebih tinggi. Perubahan terkoordinasi dalam ikatan oksigen, aluminium, dan silikon ini menunjukkan kerusakan luas pada film Al₂O₃ daripada reaksi pemutusan ikatan tunggal yang terisolasi.
Degradasi Kinerja Listrik
Millennial Solar
Kurva EQE dan reflektansi sel surya TOPCon sebelum dan sesudah paparan UV60.
Reflektansi hampir tidak berubah setelah paparan UV60. EQE menunjukkan penurunan moderat di daerah panjang gelombang pendek di bawah 500 nm, yang sesuai dengan rekombinasi yang lebih kuat di permukaan depan.
Perubahan resistivitas kontak depan sel surya TOPCon selama paparan UV60.
Resistivitas kontak depan meningkat hampir linear dengan dosis UV, mencapai 4.1 mΩ·cm², sekitar 8,6 kali dari nilai awalnya. Mekanisme yang diusulkan terkait dengan hidrogen dan oksigen bergerak yang dihasilkan di dalam lapisan pasivasi. Spesies ini berdifusi menuju antarmuka elektroda dan berpartisipasi dalam reaksi oksidasi-reduksi.
Radiasi UV juga dapat mengubah molekul air pada permukaan perak menjadi radikal hidroksil. Bersama-sama, reaksi ini mendorong korosi elektroda logam dan meningkatkan resistansi kontak.
Degradasi kinerja listrik sel surya TOPCon selama paparan UV60: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; dan (d) efisiensi.
Kerugian listrik akhir didistribusikan ke beberapa parameter:
Voc menurun sebesar 3,46%, terutama karena degradasi pasivasi permukaan depan dan peningkatan J₀.
FF menurun sebesar 2,82%, terutama karena kenaikan tajam resistivitas kontak depan.
Jsc menurun hanya sebesar 0,64%, karena kerugian EQE terbatas terutama pada daerah panjang gelombang pendek.
Efisiensi konversi menurun sebesar 6,72% setelah paparan UV60.
Struktur SiNₓ/Al₂O₃ depan sel surya TOPCon oleh karena itu memiliki ketahanan ultraviolet yang jauh lebih rendah daripada struktur belakang. Di bawah paparan UV, ikatan Si–H dan N–H putus dan melepaskan hidrogen bergerak. Ikatan Al–O dalam Al₂O₃ amorf juga rusak, melepaskan oksigen dan menghasilkan kepadatan tinggi kekosongan oksigen. Pada saat yang sama, Al₂O₃ bergeser ke arah Al–OH dan distribusi keadaan oksidasi silikon berubah.
Mekanisme degradasi terkait hidrogen dan oksigen bekerja bersama untuk mengintensifkan rekombinasi permukaan. Peningkatan resistivitas kontak depan yang menyertainya menambah kerugian listrik terpisah, yang menyebabkan degradasi efisiensi terukur sebesar 6,72%. Temuan ini memberikan referensi yang berguna untuk memahami UVID TOPCon dan meningkatkan keandalan jangka panjang dari tumpukan pasivasi sisi depan.
Pandangan Ooitech
Poin utamanya adalah bahwa UVID TOPCon tidak dapat diperlakukan sebagai masalah ikatan Si–H sederhana. Kimia pasivasi, kontrol kekosongan oksigen, dan stabilitas metalisasi perlu dievaluasi bersama, terutama saat memenuhi syarat proses produksi modul untuk layanan luar ruangan yang panjang. Pelacakan IV non-kontak, EQE, dan PL dapat membantu mengidentifikasi kerugian ini lebih awal tanpa menambah kerusakan kontak mekanis pada desain sel yang semakin rapuh.
