Nghiên cứu UVID pin TOPCon: Kiểm tra IV không tiếp xúc theo dõi
Mục lục
Câu trả lời nhanh: UVID, suy giảm do tia cực tím gây ra, là một cơ chế độ tin cậy ở pin TOPCon mà các phép đo công suất tiêu chuẩn bỏ sót vì nó phát triển dần dần dưới ánh sáng thay vì xuất hiện như một tổn thất tức thời. Đo IV không tiếp xúc được sử dụng để theo dõi nó: pin được đo mà không cần chạm đầu dò vào lớp kim loại hóa, do đó cùng một pin có thể được đo lại nhiều lần qua một lần phơi nhiễm tăng tốc mà không gây hư hại do tiếp xúc làm sai lệch kết quả. Các điều kiện stress trong nghiên cứu này bao gồm phơi nhiễm UV ở 60 °C, với các phép đo trên các dải quang phổ gần 120 nm, 400 nm và 500 nm, sử dụng các bộ mẫu được dán nhãn UV60. Giá trị của phép đo không tiếp xúc là nó biến UVID từ một quan sát phá hủy ở cuối thử nghiệm thành một đường cong có thể theo dõi, điều này cho phép đánh giá một thay đổi quy trình thay vì chỉ chấp nhận hoặc loại bỏ nó.
Sản xuất mô-đun PV · bởi Jerry, Ooitech
TOPCon Kiểm tra UVID và IV không tiếp xúc cho Cell
Pin mặt trời TOPCon đã giành được vị trí dẫn đầu trên thị trường quang điện nhờ khả năng thụ động hóa bề mặt mạnh mẽ và các tiếp xúc chọn lọc hạt tải. Tuy nhiên, hoạt động ngoài trời khiến chúng bị suy giảm do tia cực tím, hay UVID. Trong nghiên cứu này, hiệu suất chuyển đổi giảm 6,72% sau phơi nhiễm UV60.
Các nghiên cứu trước đây thường liên kết UVID chủ yếu với việc các photon năng lượng cao phá vỡ liên kết Si–H và giải phóng hydro di động. Phổ tia cực tím mặt trời bao phủ một dải năng lượng photon rộng hơn nhiều, từ 3,1–4,43 eV, vì vậy tương tác của nó với vật liệu bề mặt mặt trước không thể chỉ được giải thích bằng sự phá vỡ liên kết Si–H. Chồng lớp Al₂O₃/SiNₓ mặt trước cũng cho thấy khả năng chống UV yếu hơn nhiều so với cấu trúc mặt sau.
Máy thử nghiệm IV không tiếp xúc Millennial Solar cung cấp khả năng thử nghiệm không phá hủy, không tiêu hao vật tư và tốc độ đo ở mức mili giây. Nó tương thích với các thiết kế pin tiếp xúc mặt sau và không có thanh busbar, đồng thời có thể thu được các thông số IV, EQE và PL đa chiều trong một trình tự thử nghiệm.
Nghiên cứu này đã sử dụng phổ khối ion thứ cấp thời gian bay, hay ToF-SIMS, cùng với phổ quang điện tử tia X phân tích theo chiều sâu, hay XPS, để theo dõi sự phân bố nguyên tố và những thay đổi liên kết hóa học trong các lớp Al₂O₃/SiNₓ trước và sau phơi nhiễm UV60. Kết quả cho thấy sự phá vỡ liên kết N–H đóng vai trò là nguồn hydro thứ hai bên cạnh sự phá vỡ liên kết Si–H. Phơi nhiễm UV cũng làm hỏng các liên kết Al–O trong Al₂O₃ vô định hình, tạo ra số lượng lớn lỗ trống oxy. Cơ chế kết hợp của hydro và oxy làm tăng tái hợp bề mặt và cung cấp cơ sở rõ ràng hơn để cải thiện độ tin cậy của lớp thụ động hóa.
Phương pháp thí nghiệm
Millennial Solar
(a) Sơ đồ cấu trúc của pin mặt trời TOPCon; (b) mẫu cấu trúc mặt trước đối xứng; (c) mẫu cấu trúc mặt sau đối xứng.
Hai cấu trúc mẫu đối xứng đã được chuẩn bị. Cấu trúc mặt trước là SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. Cấu trúc mặt sau bao gồm các lớp SiOₓ/n⁺-poly-Si. Quá trình lão hóa UV được thực hiện ở cấp độ module bằng nguồn sáng chủ yếu là UV-A với khoảng 11% UV-B. Điều kiện thử nghiệm là 60°C và độ ẩm tương đối 30%.
| Hạng mục thử nghiệm | Điều kiện hoặc cấu hình |
|---|---|
| Mẫu đối xứng mặt trước | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Mẫu đối xứng mặt sau | Cấu trúc chứa các lớp SiOₓ/n⁺-poly-Si |
| Nguồn UV | Chủ yếu là UV-A, với khoảng 11% UV-B |
| Nhiệt độ thử nghiệm | 60°C |
| Độ ẩm tương đối | 30% |
| Liều UV tối đa được báo cáo | 60 kWh·m⁻², được xác định là UV60 |
| Các phương pháp phân tích chính | ToF-SIMS và XPS phân tích theo chiều sâu |
Độ chiếu phổ của nguồn sáng tia cực tím.
Khả năng chống UV của cấu trúc mặt trước và mặt sau
Millennial Solar
Những thay đổi trong các mẫu cấu trúc mặt trước và mặt sau đối xứng trong quá trình phơi nhiễm UV: (a) thời gian sống hạt tải hiệu dụng, τeff, tại nồng độ hạt tải được bơm 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) điện áp mạch hở ngụ ý, iVoc; và (c) mật độ dòng bão hòa một phía, J₀.
Cấu trúc mặt sau đối xứng chỉ cho thấy suy giảm nhẹ sau 60 kWh·m⁻² phơi nhiễm UV. Lớp poly-Si dày 120 nm của nó hấp thụ gần như toàn bộ bức xạ UV tới và cung cấp sự bảo vệ hiệu quả cho giao diện bên dưới.
Cấu trúc mặt trước đối xứng suy giảm nghiêm trọng hơn nhiều:
Thời gian sống hạt tải hiệu dụng, τeff, giảm từ 2.895,6 μs xuống 1.552,8 μs.
Điện áp mạch hở ngụ ý, iVoc, giảm từ 735,5 mV xuống 715,2 mV.
J₀ một phía tăng lên 18,4 fA·cm⁻², khoảng ba lần giá trị ban đầu.
Hiệu suất thụ động hóa của Al₂O₃/SiNₓ suy giảm đáng kể.
Những kết quả này xác nhận rằng chồng lớp SiNₓ/Al₂O₃ mặt trước dễ bị tổn thương bởi phơi nhiễm tia cực tím hơn đáng kể so với cấu trúc SiOₓ/poly-Si mặt sau.
Sự tiến hóa của thành phần hóa học
Millennial Solar
Phân tích theo chiều sâu ToF-SIMS về cường độ (a) hydro và (b) oxy trong các mẫu cấu trúc mặt trước đối xứng đã được đánh bóng trước và sau phơi nhiễm UV60.
ToF-SIMS cho thấy sự gia tăng rõ rệt nồng độ hydro sau phơi nhiễm tia cực tím, đặc biệt là bên trong lớp SiNₓ. Phân tích theo chiều sâu tín hiệu XPS N 1s cho thấy tỷ lệ liên kết N–H tại giao diện SiNₓ/Al₂O₃ giảm từ 9,64% xuống 5,97%. Điều này xác nhận rằng sự phá vỡ liên kết N–H là một nguồn hydro quan trọng khác bên cạnh sự phân ly liên kết Si–H.
Một phần hydro được giải phóng khuếch tán về phía bề mặt SiNₓ và liên kết lại với silicon. Điều này giải thích tại sao tỷ lệ N–H cục bộ gần bề mặt lại tăng lên thay vì tiếp tục giảm.
Sự tiến hóa của oxy cũng rất quan trọng. Nồng độ oxy bên trong lớp Al₂O₃ giảm nhẹ, trong khi nó tăng lên tại cả hai giao diện SiNₓ/Al₂O₃ và Al₂O₃/Si. Sự phân bố này cho thấy oxy được giải phóng do sự phá vỡ liên kết Al–O đã khuếch tán ra ngoài từ màng Al₂O₃.
Năng lượng liên kết Al–O trong một tinh thể lý tưởng là khoảng 5,3 eV. Al₂O₃ vô định hình thì khác. Các ion nhôm có phối trí thiếu và các lỗ trống oxy mang điện tích âm có thể làm giảm năng lượng hoạt hóa để phá vỡ các liên kết Al–O lân cận xuống khoảng 2,4 eV. Một photon tia cực tím 400 nm mang năng lượng khoảng 3,1 eV, đã đủ để kích hoạt quá trình này.
Phổ XPS phân tích theo chiều sâu N 1s tại các giao diện Al₂O₃/SiNₓ khác nhau trước và sau phơi nhiễm UV60, bao gồm các liên kết N–Si được khớp ở 397,5 eV và liên kết N–H ở 399,5 eV.
Kết quả XPS O 1s cho thấy sự chuyển đổi từ oxy mạng, được xác định là OI, sang các thành phần liên quan đến lỗ trống oxy, được xác định là OII. Trong phổ Al 2p, tỷ lệ Al₂O₃ giảm từ 69,99% xuống 60,36%, trong khi Al–OH tăng từ 30,01% lên 39,64%.
Phổ Si 2p cũng cho thấy sự gia tăng Si²⁺ và giảm các trạng thái oxy hóa silic cao hơn. Các electron được giải phóng trong quá trình hình thành lỗ trống oxy đã khử silic từ các trạng thái oxy hóa cao hơn. Những thay đổi phối hợp này trong liên kết oxy, nhôm và silic cho thấy tổn thất rộng khắp màng Al₂O₃ thay vì một phản ứng phá vỡ liên kết đơn lẻ.
Suy giảm hiệu suất điện
Millennial Solar
Đường cong EQE và độ phản xạ của pin mặt trời TOPCon trước và sau khi phơi nhiễm UV60.
Độ phản xạ gần như không thay đổi sau khi phơi nhiễm UV60. EQE cho thấy mức giảm vừa phải ở vùng bước sóng ngắn dưới 500 nm, tương ứng với sự tái hợp mạnh hơn ở bề mặt trước.
Thay đổi điện trở tiếp xúc mặt trước của pin mặt trời TOPCon trong quá trình phơi nhiễm UV60.
Điện trở tiếp xúc mặt trước tăng gần như tuyến tính theo liều UV, đạt 4,1 mΩ·cm², khoảng 8,6 lần giá trị ban đầu. Cơ chế được đề xuất có liên quan đến hydro và oxy di động được tạo ra bên trong các lớp thụ động hóa. Những loại này khuếch tán về phía giao diện điện cực và tham gia vào các phản ứng oxy hóa-khử.
Bức xạ UV cũng có thể chuyển đổi các phân tử nước trên bề mặt bạc thành các gốc hydroxyl. Cùng nhau, những phản ứng này thúc đẩy ăn mòn điện cực kim loại và làm tăng điện trở tiếp xúc.
Suy giảm hiệu suất điện của pin mặt trời TOPCon trong quá trình phơi nhiễm UV60: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; và (d) hiệu suất.
Các tổn thất điện cuối cùng được phân bổ trên một số thông số:
Voc giảm 3,46%, chủ yếu do suy giảm thụ động hóa bề mặt trước và sự gia tăng J₀.
FF giảm 2,82%, chủ yếu do sự gia tăng mạnh của điện trở tiếp xúc mặt trước.
Jsc chỉ giảm 0,64%, vì tổn thất EQE chủ yếu giới hạn ở vùng bước sóng ngắn.
Hiệu suất chuyển đổi giảm 6,72% sau khi phơi nhiễm UV60.
Do đó, cấu trúc SiNₓ/Al₂O₃ mặt trước của pin mặt trời TOPCon có khả năng chống tia cực tím thấp hơn nhiều so với cấu trúc mặt sau. Dưới phơi nhiễm UV, các liên kết Si–H và N–H bị phá vỡ và giải phóng hydro di động. Các liên kết Al–O trong Al₂O₃ vô định hình cũng bị tổn hại, giải phóng oxy và tạo ra mật độ lỗ trống oxy cao. Đồng thời, Al₂O₃ chuyển dịch về phía Al–OH và phân bố trạng thái oxy hóa silic thay đổi.
Các cơ chế suy giảm liên quan đến hydro và oxy kết hợp với nhau để tăng cường tái hợp bề mặt. Sự gia tăng kèm theo của điện trở tiếp xúc mặt trước tạo thêm một tổn thất điện riêng biệt, dẫn đến suy giảm hiệu suất 6,72%được đo. Những phát hiện này cung cấp một tài liệu tham khảo hữu ích để hiểu về UVID của TOPCon và cải thiện độ tin cậy lâu dài của các chồng lớp thụ động hóa mặt trước.
Quan điểm của Ooitech
Điểm mấu chốt là UVID của TOPCon không thể được coi là một vấn đề liên kết Si–H đơn giản. Hóa học thụ động hóa, kiểm soát lỗ trống oxy và độ ổn định kim loại hóa cần được đánh giá cùng nhau, đặc biệt khi đủ điều kiện cho các quy trình sản xuất mô-đun phục vụ lâu dài ngoài trời. Theo dõi IV, EQE và PL không tiếp xúc có thể giúp xác định những tổn thất này sớm hơn mà không gây thêm hư hại tiếp xúc cơ học cho các thiết kế pin ngày càng tinh vi.
Liên quan: TOPCon UVID và sự phân tách r-UVID / ir-UVID phân tách tổn thất mà quá trình ủ sáng khôi phục được với tổn thất còn tồn tại.
Đọc thêm và dữ liệu nền tảng
Tài liệu tham khảo công khai về chủ đề này, được công bố bởi các tổ chức duy trì lộ trình công nghệ và dữ liệu thị trường của ngành:
