Nghiên cứu UVID trên Cell TOPCon: Kiểm tra IV không tiếp xúc theo dõi suy giảm thụ động và mất hiệu suất 6,72%
Mục lục
UVID pin TOPCon và Thử nghiệm IV không tiếp xúc
Pin mặt trời TOPCon đã giành được vị trí dẫn đầu trên thị trường quang điện nhờ khả năng thụ động bề mặt mạnh mẽ và các tiếp điểm chọn lọc hạt tải. Tuy nhiên, khi vận hành ngoài trời, chúng phải đối mặt với suy thoái do tia cực tím (UVID). Trong nghiên cứu này, hiệu suất chuyển đổi đã giảm 6,72% sau khi tiếp xúc UV60.
Các nghiên cứu trước đây thường cho rằng UVID chủ yếu do các photon năng lượng cao phá vỡ liên kết Si–H và giải phóng hydro di động. Tuy nhiên, phổ tử ngoại của mặt trời bao phủ một dải năng lượng photon rộng hơn nhiều là 3,1–4,43 eV, vì vậy tương tác của nó với vật liệu bề mặt phía trước không thể chỉ giải thích bằng sự phá vỡ liên kết Si–H. Lớp xếp chồng Al₂O₃/SiNₓ phía trước cũng cho thấy khả năng chống UV yếu hơn nhiều so với cấu trúc phía sau.
Máy thử IV không tiếp xúc Millennial Solar cung cấp thử nghiệm không phá hủy, không tiêu hao và tốc độ đo mili giây. Nó tương thích với các thiết kế pin tiếp xúc sau và không có thanh cái, đồng thời có thể thu được các thông số IV, EQE và PL đa chiều trong một chuỗi thử nghiệm.
Nghiên cứu này đã sử dụng phổ khối ion thứ cấp thời gian bay (ToF-SIMS) cùng với quang phổ quang điện tử tia X phân tích độ sâu (XPS) để theo dõi sự phân bố nguyên tố và thay đổi liên kết hóa học trong các lớp Al₂O₃/SiNₓ trước và sau khi tiếp xúc UV60. Kết quả cho thấy sự phá vỡ liên kết N–H hoạt động như một nguồn hydro thứ hai bên cạnh sự phá vỡ liên kết Si–H. Tiếp xúc UV cũng làm hỏng liên kết Al–O trong Al₂O₃ vô định hình, tạo ra một số lượng lớn lỗ trống oxy. Các cơ chế hydro và oxy kết hợp làm tăng tái hợp bề mặt và cung cấp cơ sở rõ ràng hơn để cải thiện độ tin cậy của lớp thụ động.
Phương pháp thực nghiệm
Millennial Solar
(a) Cấu trúc sơ đồ của pin mặt trời TOPCon; (b) Mẫu cấu trúc phía trước đối xứng; (c) Mẫu cấu trúc phía sau đối xứng.
Hai mẫu cấu trúc đối xứng đã được chuẩn bị. Cấu trúc phía trước là SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. Cấu trúc phía sau bao gồm các lớp SiOₓ/n⁺-poly-Si. Quá trình lão hóa UV được thực hiện ở cấp độ module sử dụng 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%.
| Mục thử nghiệm | Điều kiện hoặc cấu hình |
|---|---|
| Mẫu đối xứng phía trước | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Mẫu đối xứng phía 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 |
| Phương pháp phân tích chính | ToF-SIMS và XPS phân tích độ sâu |
Bức xạ quang phổ của nguồn sáng tử ngoại.
Khả năng chống UV của cấu trúc phía trước và phía sau
Millennial Solar
Những thay đổi trong các mẫu cấu trúc đối xứng phía trước và phía sau trong quá trình tiếp xúc UV: (a) thời gian sống của hạt tải hiệu dụng, τeff, tại nồng độ hạt tải được tiêm là 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) điện áp hở mạch ngụ ý, iVoc; và (c) mật độ dòng bão hòa một phía, J₀.
Cấu trúc đối xứng phía sau chỉ suy giảm nhẹ sau 60 kWh·m⁻² tiếp xúc UV. Lớp poly-Si dày 120 nm của nó đã hấp thụ gần như toàn bộ bức xạ UV tới và bảo vệ hiệu quả bề mặt phân cách bên dưới.
Cấu trúc đối xứng phía trước suy giảm nghiêm trọng hơn nhiều:
Thời gian sống của hạt tải hiệu dụng, τeff, giảm từ 2.895,6 μs xuống 1.552,8 μs.
Điện áp hở mạch ngụ ý, iVoc, giảm từ 735,5 mV xuống 715,2 mV.
J₀ một phía tăng lên 18,4 fA·cm⁻², xấp xỉ ba lần giá trị ban đầu.
Hiệu suất thụ động của Al₂O₃/SiNₓ suy giảm đáng kể.
Những kết quả này xác nhận rằng lớp xếp chồng SiNₓ/Al₂O₃ phía trước dễ bị tổn thương hơn đáng kể khi tiếp xúc với tia cực tím so với cấu trúc SiOₓ/poly-Si phía sau.
Sự tiến hóa của thành phần hóa học
Millennial Solar
Hồ sơ độ sâu ToF-SIMS của (a) hydro và (b) cường độ oxy trong các mẫu cấu trúc phía trước đối xứng được đánh bóng trước và sau khi tiếp xúc UV60.
ToF-SIMS cho thấy sự gia tăng rõ rệt nồng độ hydro sau khi tiếp xúc với tia cực tím, đặc biệt là bên trong lớp SiNₓ. Phân tích hồ sơ độ sâu của 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 oxy cũng rất quan trọng. Nồng độ oxy bên trong lớp Al₂O₃ giảm nhẹ, trong khi tăng lên ở cả hai giao diện SiNₓ/Al₂O₃ và Al₂O₃/Si. Sự phân bố này chỉ ra rằng oxy được giải phóng do phá vỡ liên kết Al–O đã khuếch tán ra khỏi màng Al₂O₃.
Năng lượng liên kết Al–O trong tinh thể lý tưởng là khoảng 5,3 eV. Al₂O₃ vô định hình khác biệt. Các ion nhôm phối trí thấp và các lỗ trống oxy mang điện tích âm có thể làm giảm năng lượng kích hoạt để phá vỡ các liên kết Al–O lân cận xuống khoảng 2,4 eV. Một photon tử ngoại 400 nm mang năng lượng khoảng 3,1 eV, đủ để kích hoạt quá trình này.
Phổ XPS hồ sơ độ sâu N 1s tại các giao diện Al₂O₃/SiNₓ khác nhau trước và sau khi tiếp xúc UV60, bao gồm các liên kết N–Si 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 silicon cao hơn. Các electron được giải phóng trong quá trình hình thành lỗ trống oxy đã khử silicon từ các trạng thái oxy hóa cao hơn. Những thay đổi phối hợp trong liên kết oxy, nhôm và silicon cho thấy sự hư hỏng rộng rãi đối với màng Al₂O₃ chứ không phải là một phản ứng phá vỡ liên kết đơn lẻ.
Suy giảm hiệu suất điện
Millennial Solar
Đường cong EQE và phản xạ của pin mặt trời TOPCon trước và sau khi tiếp xúc UV60.
Phản xạ hầu như không thay đổi sau khi tiếp xúc UV60. EQE cho thấy sự suy 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 suất tiếp xúc trước của pin mặt trời TOPCon trong quá trình tiếp xúc UV60.
Điện trở suất tiếp xúc trước tăng gần như tuyến tính với liều UV, đạt 4.1 mΩ·cm², khoảng 8.6 lần giá trị ban đầu. Cơ chế đề xuất liên quan đến hydro và oxy di động được tạo ra bên trong các lớp thụ động. Các 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, các phản ứng này thúc đẩy sự 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 tiếp xúc UV60: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; và (d) hiệu suất.
Các tổn thất điện cuối cùng được phân bố trên một số thông số:
Voc giảm 3.46%, chủ yếu do suy giảm thụ động bề mặt trước và sự gia tăng J₀.
FF giảm 2.82%, chủ yếu do sự gia tăng mạnh điện trở suất tiếp xúc 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 tiếp xúc UV60.
Do đó, cấu trúc SiNₓ/Al₂O₃ phía trước của pin mặt trời TOPCon có khả năng chống tia cực tím thấp hơn nhiều so với cấu trúc phía sau. Dưới tác động của UV, các liên kết Si–H và N–H bị đứt và giải phóng hydro di động. Các liên kết Al–O trong Al₂O₃ vô định hình cũng bị hư hại, giải phóng oxy và tạo ra mật độ cao các lỗ trống oxy. Đồng thời, Al₂O₃ chuyển dịch về phía Al–OH và sự phân bố trạng thái oxy hóa silicon thay đổi.
Các cơ chế suy thoái liên quan đến hydro và oxy hoạt động cùng nhau để tăng cường tái hợp bề mặt. Sự gia tăng điện trở suất tiếp xúc trước đi kèm bổ sung thêm một tổn thất điện riêng biệt, dẫn đến sự suy giảm hiệu suất 6.72%. Những phát hiện này cung cấp tài liệu tham khảo hữu ích để hiểu về UVID của TOPCon và cải thiện độ tin cậy lâu dài của các lớp thụ động mặt trước.
Quan điểm của Ooitech
Điểm mấu chốt là UVID của TOPCon không thể được coi là một vấn đề đơn giản của liên kết Si–H. Hóa học thụ động, kiểm soát lỗ trống oxy và độ ổn định của kim loại hóa cần được đánh giá cùng nhau, đặc biệt khi chứng nhận quy trình sản xuất mô-đun cho thời gian hoạt động ngoài trời dài. Theo dõi IV không tiếp xúc, EQE và PL có thể giúp xác định sớm các tổn thất này mà không gây thêm hư hại tiếp xúc cơ học cho các thiết kế tế bào ngày càng tinh vi.
