Sel TOPCon di Bawah Panas Lembab: Mengapa Sisi Belakang Gagal Lebih Dulu
Daftar Isi
Pendahuluan
TOPCon telah menguasai sebagian besar pasar c-Si efisiensi tinggi, tetapi keandalan lapangan jangka panjang masih menjadi target yang bergerak. Satu titik lemah terus muncul dalam studi panas lembab: tumpukan pasivasi belakang. Sebuah studi terbaru (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) mengidentifikasi apa yang sebenarnya salah ketika garam natrium mendarat di permukaan sel dan berada di bawah 85°C/85% RH. Singkatnya — lapisan SiNₓ belakang adalah titik lemah, dan film ALD AlOₓ tipis memperbaiki sebagian besar masalah.
Temuan utama secara singkat
Lapisan SiNₓ belakang adalah titik lemah panas lembab. Natrium asetat (CH₃COONa) menurunkan tegangan rangkaian terbuka (Voc) belakang sebesar 5,8% dan meningkatkan resistansi seri (Rₛ) hingga 450%.
Garam natrium mempercepat oksidasi permukaan dan hilangnya nitrogen. XPS menunjukkan rasio atom Si/N belakang melonjak dari 1,3 menjadi 23, dan O/N dari 1,6 menjadi 53.
Penghalang ALD Al₂O₃ setebal 10nm membuat perbedaan besar — kerugian PCE di bawah kontaminasi CH₃COONa turun dari 16% menjadi hanya 0,4%.
Pasivasi depan jauh lebih kuat. Multilayer AlOₓ/SiOᵧNᵣ memblokir difusi natrium, sehingga kontaminasi di sana hanya menyebabkan kerugian PCE sebesar 0,87%.
Kedua kontaminan bertindak berbeda: natrium asetat menyerang kontak logam, sementara natrium klorida (NaCl) terutama mengoksidasi lapisan pasivasi.
Latar Belakang
Pertanyaan intinya sederhana untuk diutarakan, lebih sulit dijawab: mengapa sel TOPCon kehilangan kinerja di bawah panas lembab ketika garam natrium ada, dan mengapa pasivasi belakang terkena dampak lebih parah (Kyranaki et al., 2022)?
Di mana celahnya
Sebagian besar penelitian sebelumnya berfokus pada korosi kontak logam (Iqbal et al., 2023), tetapi belum ada yang secara sistematis meneliti kerusakan kimia dari lapisan pasivasi itu sendiri. Tumpukan depan dan belakang dibangun secara berbeda — depan adalah AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, belakang adalah SiNₓ di atas polikristalin Si yang didoping — dan ketahanan korosinya belum pernah dibandingkan secara langsung (Feldmann et al., 2014). Selain itu, dua kontaminan umum (CH₃COONa vs. NaCl) dianggap berperilaku sama, padahal tidak (Li et al., 2021).
Memahami hal ini penting untuk nilai uang yang nyata. Pembangkit listrik tenaga surya dijual dengan janji umur 25 tahun (Peters et al., 2021), dan mode kegagalan sisi belakang yang muncul dalam kondisi lembab adalah jenis masalah yang dapat mengurangi umur tersebut.
Pendekatan
Alur kerja dijaga mendekati alur produksi nyata: sel TOPCon industri → semprotan lokal garam natrium pada permukaan depan atau belakang → uji panas lembab dipercepat (85°C/85% RH) → karakterisasi listrik dan kimia → uji penghalang ALD AlOₓ → menentukan mekanisme perlindungan.
Apa yang baru di sini
Di sisi teori, ini adalah studi pertama yang menunjukkan kehilangan nitrogen pada lapisan SiNₓ belakang sebagai penyebab utama penurunan Voc. Di sisi praktis, lapisan AlOₓ setebal 10nm berjalan pada peralatan ALD industri standar dan hanya memakan biaya sekitar 0,01% dalam efisiensi absolut. Dan secara metodologis, tim membangun uji DH tingkat sel di mana 20 jam setara dengan beberapa tahun penuaan di luar ruangan (Sen et al., 2023).
Rantai logika mudah diikuti: kontaminasi belakang menyebabkan penurunan Voc yang tajam, yang langsung mengarah pada kegagalan pasivasi. XPS kemudian mengkonfirmasi reaksi oksidasi SiNₓ dan jalur difusi natrium yang terbukanya. Tambahkan lapisan AlOₓ, blokir natrium, dan pencitraan PL mengkonfirmasi bahwa cacat telah ditekan.
Metode
Persiapan sampel
| Item | Detail |
|---|---|
| Struktur sel | n-type TOPCon. Depan: emitor difusi boron + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC. Belakang: SiO₂/polikristalin Si yang didoping fosfor + SiNₓ, ARC |
| Kontaminan | Larutan CH₃COONa atau NaCl 0,155 mol/L, 0,3 g per sampel, semprotan lokal |
| Penghalang ALD | AlOₓ 10nm, diendapkan pada 150°C (Leadmicro QL200) |
| Panas lembab | 85°C/85% RH, 20 jam (ruang lingkungan ASLi) |
Cara pengukuran
Parameter I-V (Pmax, Voc, FF, Jsc) melalui sistem LOANA (pv-tools).
Kualitas pasivasi melalui masa hidup pembawa minoritas efektif (τ_eff).
Kimia permukaan melalui XPS dan SEM-EDS.
Hasil dan diskusi
Degradasi listrik
Sisi belakang jelas merupakan sisi yang sensitif. CH₃COONa di sisi belakang menurunkan Voc sebesar 5,8%, meningkatkan Rₛ sebesar 450% (Tabel 1), dan memotong intensitas PL sebesar 37,3% (Gbr. 3a). Perlakuan yang sama di sisi depan hanya memakan biaya 0,87% PCE. Garam yang sama, hasil yang sangat berbeda tergantung pada sisi mana yang terkena.
Kerusakan kimia dari pasivasi
XPS pada permukaan belakang menunjukkan fraksi ikatan Si-O melonjak naik (Gbr. 5b), dengan rasio atom O/N dari 1,6 pada kontrol menjadi 53 pada kelompok CH₃COONa. Mekanismenya adalah hilangnya nitrogen — panas lembab menghidrolisis SiNₓ dan merusak pasivasi permukaan.
Apa yang dilakukan penghalang AlOₓ
Dengan AlOₓ ALD 10nm di tempatnya, kerugian PCE di bawah kontaminasi CH₃COONa sisi belakang turun dari 16% menjadi 0,4%, dan Voc tetap stabil (Gbr. 6a). SEM-EDS menunjukkan kandungan natrium turun 86% pada sampel AlOₓ (Gbr. 6c), dan PL tidak menunjukkan aktivasi cacat (Gbr. 6b). Penghalang melakukan persis apa yang Anda inginkan — menjaga natrium tetap keluar.
Kesimpulan
Kesimpulan utama
Lapisan SiNₓ belakang terhidrolisis dan teroksidasi di bawah panas lembab ditambah garam natrium, yang menurunkan Voc dan meningkatkan Rₛ (didukung oleh XPS/EDS, Gbr. 4-5). Lapisan AlOₓ 10nm memblokir difusi natrium dan menjaga kerugian PCE DH85 di bawah 1% (Gbr. 6a). Dan multilayer AlOₓ/SiOᵧNᵣ depan secara intrinsik tahan korosi, sehingga kontaminasi di sana hampir tidak terdaftar.
Mengapa ini berguna
Penghalang AlOₓ dapat langsung masuk ke produksi massal TOPCon pada alat seperti Leadmicro QL200. Melihat lebih jauh, memasangkan AlOₓ dengan SiNₓ dalam enkapsulasi modul kaca-ganda dapat memperpanjang umur pabrik di daerah lembab.
Sedikit latar belakang
Struktur TOPCon: oksida terowongan (SiO₂) ditambah kontak pasivasi poli-Si yang didoping, yang memotong rekombinasi pada logam (Feldmann et al., 2014).
ALD: pertumbuhan film nano lapis demi lapis, memberikan cakupan AlOₓ skala nanometer yang seragam.
Pengujian DH: penuaan dipercepat 85°C/85% RH untuk meniru degradasi modul di iklim lembab.
Pasivasi SiNₓ: silikon nitrida terhidrogenasi, baik untuk anti-refleksi dan pasivasi permukaan, tetapi membawa ikatan menggantung dan mudah terhidrolisis.
Referensi
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., Kontak belakang pasif untuk sel surya silikon tipe-n efisiensi tinggi, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.
Li X. et al., Pengujian panas-lembab dipercepat pada sel TOPCon menggunakan NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.
Peters I.M. et al., Nilai stabilitas dalam fotovoltaik, Joule 5 (2021) 3137–3153.
Pandangan Ooitech
Yang menonjol di sini adalah seberapa besar cerita keandalan terletak pada tumpukan pasivasi belakang, bukan pada judul desain sel. Di jalur produksi nyata, langkah tambahan ALD AlOₓ 10nm adalah asuransi murah untuk proyek di iklim lembab, dan dapat disisipkan ke dalam produksi modul standar tanpa banyak keributan. Kami membangun jalur modul turnkey dari awal hingga akhir, jadi kami mengamati temuan seperti ini dengan saksama — penyesuaian proses kecil di hulu sering menentukan apakah pabrik bertahan selama 25 tahun. Jika Anda ingin tahu lebih banyak dari lantai pabrik, saluran YouTube Ooitech (www.youtube.com/ooitech) layak diikuti.
