UVID pada Sel Surya TOPCon: Pengujian IV Tanpa Kontak Melacak Degradasi Pasivasi dan Kehilangan Efisiensi 6,72%

Pendahuluan

Sel surya TOPCon kini mendominasi pasar PV berkat pasivasi permukaan yang kuat dan kontak selektif pembawa. Namun, operasi di luar ruangan mengekspos titik lemah yang nyata: degradasi yang diinduksi UV, atau UVID. Setelah iradiasi UV60, efisiensi turun hingga 6,72%.

Sebagian besar penelitian sebelumnya menyalahkan UVID pada foton berenergi tinggi yang memutus ikatan Si–H dan melepaskan hidrogen bebas. Itu hanya sebagian dari cerita. Spektrum UV matahari mencakup rentang energi 3,1–4,43 eV yang luas, sehingga interaksinya dengan lapisan permukaan depan jauh melampaui jalur pemutusan Si–H tunggal. Dan tumpukan Al₂O₃ / SiNₓ depan jauh lebih lemah terhadap UV daripada sisi belakang.

Penguji IV non-kontak sangat membantu di sini. Ini non-destruktif, menggunakan nol bahan habis pakai, berjalan dengan kecepatan milidetik, bekerja dengan desain BC dan tanpa busbar, dan menarik parameter IV, EQE, dan PL dalam satu kali pengambilan.

Studi ini menggunakan ToF-SIMS dan XPS profil kedalaman untuk melacak distribusi elemen dan perubahan ikatan kimia di lapisan Al₂O₃ / SiNₓ sebelum dan sesudah UV60. Temuannya: pemutusan ikatan N–H adalah sumber hidrogen kedua di samping Si–H. Ikatan Al–O dalam Al₂O₃ amorf diputus oleh UV dan menghasilkan sejumlah besar kekosongan oksigen. Mekanisme hidrogen dan oksigen menumpuk dan memperburuk rekombinasi permukaan, memberikan arah yang jelas untuk meningkatkan keandalan pasivasi.

Metode Eksperimental

(a) Skema struktur sel surya TOPCon (b) sampel struktur depan simetris (c) sampel struktur belakang simetris

Sampel struktur depan simetris (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) dan sampel struktur belakang simetris (dengan lapisan SiOₓ/n⁺-poly-Si) disiapkan. Penuaan UV dilakukan pada tingkat modul. Sumber cahaya terutama UV-A dengan sekitar 11% UV-B, pada 60°C dan kelembaban 30%.

Iradiasi spektral dari sumber cahaya UV

Struktur Depan vs Belakang: Ketahanan UV Dibandingkan

Perubahan (a) τeff pada konsentrasi pembawa injeksi 1×10¹⁵ cm⁻³, (b) iVoc, dan (c) J₀ satu sisi untuk sampel struktur depan dan belakang simetris selama paparan UV

Struktur belakang yang simetris hampir tidak terdegradasi setelah paparan UV 60 kWh·m⁻². Lapisan polisilikon setebal 120 nm menyerap hampir semua cahaya UV dan memberikan perlindungan yang efektif.

Struktur depan menceritakan kisah yang berbeda. τeff turun dari 2895,6 μs menjadi 1552,8 μs. iVoc turun dari 735,5 mV menjadi 715,2 mV. J₀ satu sisi melonjak hingga 18,4 fA·cm⁻², kira-kira tiga kali lipat nilai awal. Pasivasi Al₂O₃ / SiNₓ terdegradasi parah.

Evolusi Komposisi Kimia

Profil kedalaman intensitas (a) hidrogen dan (b) oksigen pada sampel struktur depan simetris yang dipoles sebelum dan sesudah UV60, diukur dengan ToF-SIMS

ToF-SIMS menunjukkan konsentrasi hidrogen meningkat jelas setelah paparan UV, terutama di dalam lapisan SiNₓ. Profil kedalaman XPS N 1s menunjukkan bahwa pada antarmuka SiNₓ / Al₂O₃, fraksi ikatan N–H turun dari 9,64% menjadi 5,97%. Jadi pemutusan ikatan N–H adalah sumber hidrogen kedua selain Si–H. Hidrogen yang dilepaskan berdifusi menuju daerah permukaan SiNₓ dan bergabung kembali dengan silikon di sana, itulah sebabnya fraksi N–H sebenarnya meningkat di dekat permukaan tersebut.

Oksigen juga menceritakan kisah yang sama pentingnya. Oksigen dalam lapisan Al₂O₃ turun sedikit, sementara oksigen pada antarmuka SiNₓ/Al₂O₃ dan Al₂O₃/Si meningkat. Ini menunjukkan ikatan Al–O putus dan oksigen bebas bermigrasi keluar. Energi ikatan Al–O dalam kristal ideal sekitar 5,3 eV. Tetapi dalam Al₂O₃ amorf, ion aluminium yang kurang terkoordinasi dan kekosongan oksigen menjebak elektron dan menjadi bermuatan negatif, menurunkan energi aktivasi untuk pemutusan ikatan Al–O di sekitarnya menjadi sekitar 2,4 eV. Itu berarti cahaya UV 400 nm (3,1 eV) cukup untuk memutuskannya.

Spektrum XPS profil kedalaman N 1s pada berbagai antarmuka lapisan Al₂O₃/SiNₓ sebelum dan sesudah UV60, dengan kurva yang dipasang untuk ikatan N–Si (397,5 eV) dan N–H (399,5 eV)

XPS O 1s menunjukkan oksigen kisi (OI) berubah menjadi kekosongan oksigen (OII). Dalam spektrum Al 2p, fraksi Al₂O₃ turun dari 69,99% menjadi 60,36% sementara Al–OH naik dari 30,01% menjadi 39,64%. Dalam spektrum Si 2p, Si²⁺ meningkat sementara silikon valensi lebih tinggi turun. Elektron yang dilepaskan saat kekosongan oksigen terbentuk mereduksi silikon dari keadaan oksidasi yang lebih tinggi. Secara keseluruhan, perubahan ikatan oksigen, aluminium, dan silikon ini menunjukkan kualitas film Al₂O₃ sudah menurun.

Degradasi Kinerja Listrik

Kurva EQE dan reflektansi sel surya TOPCon sebelum dan sesudah UV60

Perubahan resistivitas kontak depan sel surya TOPCon selama paparan UV60

Reflektansi pada dasarnya tetap tidak berubah setelah UV60. EQE menunjukkan penurunan moderat di wilayah panjang gelombang pendek di bawah 500 nm, sesuai dengan rekombinasi permukaan depan yang lebih kuat. Resistivitas kontak depan naik hampir linier dengan dosis UV, mencapai 4,1 mΩ·cm², sekitar 8,6 kali lebih tinggi. Penyebabnya: hidrogen bebas dan oksigen yang dihasilkan di lapisan pasivasi berdifusi ke antarmuka elektroda dan ikut serta dalam reaksi redoks. UV juga mengubah molekul air pada permukaan perak menjadi radikal hidroksil, dan bersama-sama mereka mengkorosi elektroda logam.

Tingkat degradasi kinerja listrik selama paparan UV60: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff

Voc turun 3,46% relatif, didorong oleh degradasi pasivasi permukaan depan dan kenaikan J₀. FF turun 2,82%, didorong oleh resistivitas kontak depan yang lebih tinggi. Jsc hanya turun 0,64%, karena kehilangan EQE panjang gelombang pendek terbatas. Kehilangan efisiensi konversi fotolistrik akhir mencapai 6,72%.

Kesimpulan

Struktur SiNₓ/Al₂O₃ depan dari sel TOPCon jauh lebih lemah terhadap UV daripada struktur belakang. Di bawah UV, ikatan Si–H dan N–H putus secara berurutan dan melepaskan hidrogen bebas. Ikatan Al–O dalam Al₂O₃ amorf putus di bawah UV, melepaskan oksigen bebas dan menciptakan sejumlah besar kekosongan oksigen. Al₂O₃ berubah menuju Al–OH dan valensi silikon bergeser. Kedua mekanisme degradasi ini, hidrogen dan oksigen, menumpuk dan memperburuk rekombinasi permukaan. Tambahkan kenaikan tajam dalam resistivitas kontak depan, dan hasilnya adalah kehilangan efisiensi 6,72%. Pekerjaan ini menawarkan referensi yang berguna untuk memahami UVID TOPCon dan untuk meningkatkan keandalan jangka panjang lapisan pasivasi.

Pandangan Ooitech

UVID terus membuktikan bahwa tumpukan depan adalah tempat keandalan benar-benar diuji, jadi bagaimana Anda membangun dan mengontrol deposisi serta enkapsulasi SiNₓ/Al₂O₃ di jalur modul sama pentingnya dengan resep sel. Di jalur modul TOPCon dan PERC turnkey kami, kami melihat pelajaran yang sama terjadi di sisi layup, laminasi, dan EL, pilihan proses kecil menentukan apakah panel bertahan di luar ruangan selama bertahun-tahun. Jika Anda ingin lebih banyak pandangan langsung dari lantai pabrik, saluran YouTube Ooitech di www.youtube.com/ooitech layak untuk diikuti.