Tế bào TOPCon dưới nhiệt ẩm: Tại sao mặt sau hỏng trước
Mục lục
Giới thiệu
TOPCon đã chiếm lĩnh phần lớn thị trường c-Si hiệu suất cao, nhưng độ tin cậy thực tế dài hạn vẫn là một mục tiêu đang thay đổi. Một điểm yếu liên tục xuất hiện trong các nghiên cứu về nhiệt ẩm: lớp thụ động phía sau. Một nghiên cứu gần đây (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) đã xác định chính xác điều gì xảy ra khi muối natri bám trên bề mặt tế bào và chịu điều kiện 85°C/85% RH. Tóm lại — lớp SiNₓ phía sau là điểm yếu, và một màng ALD AlOₓ mỏng khắc phục hầu hết vấn đề.
Các phát hiện chính
Lớp SiNₓ phía sau là điểm yếu dưới nhiệt ẩm. Natri axetat (CH₃COONa) làm giảm điện áp hở mạch (Voc) phía sau 5,8% và tăng điện trở nối tiếp (Rₛ) lên 450%.
Muối natri đẩy nhanh quá trình oxy hóa bề mặt và mất nitơ. XPS cho thấy tỷ lệ nguyên tử Si/N phía sau tăng từ 1,3 lên 23, và O/N từ 1,6 lên 53.
Một lớp chắn ALD Al₂O₃ dày 10nm tạo ra sự khác biệt lớn — tổn thất PCE dưới nhiễm CH₃COONa giảm từ 16% xuống chỉ còn 0,4%.
Lớp thụ động phía trước bền hơn nhiều. Lớp đa lớp AlOₓ/SiOᵧNᵣ chặn sự khuếch tán natri, do đó nhiễm bẩn ở đó chỉ gây tổn thất PCE 0,87%.
Hai chất gây ô nhiễm hoạt động khác nhau: natri axetat tấn công tiếp xúc kim loại, trong khi natri clorua (NaCl) chủ yếu oxy hóa lớp thụ động.
Bối cảnh
Câu hỏi cốt lõi rất đơn giản để nêu ra, nhưng khó trả lời hơn: tại sao pin TOPCon mất hiệu suất dưới nhiệt ẩm khi có muối natri, và tại sao lớp thụ động phía sau bị ảnh hưởng nặng hơn (Kyranaki et al., 2022)?
Những khoảng trống còn lại
Hầu hết các nghiên cứu trước đây tập trung vào ăn mòn tiếp xúc kim loại (Iqbal và cộng sự, 2023), nhưng chưa ai xem xét một cách có hệ thống sự phân hủy hóa học của lớp thụ động hóa. Các cấu trúc mặt trước và mặt sau được chế tạo khác nhau — mặt trước là AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, mặt sau là SiNₓ trên poly-Si pha tạp — và khả năng chống ăn mòn của chúng chưa từng được so sánh trực tiếp (Feldmann và cộng sự, 2014). Trên hết, hai chất gây ô nhiễm phổ biến (CH₃COONa so với NaCl) được cho là hoạt động giống nhau, nhưng thực tế không phải vậy (Li và cộng sự, 2021).
Hiểu đúng vấn đề này rất quan trọng về mặt kinh tế. Các nhà máy điện mặt trời được bán với cam kết tuổi thọ 25 năm (Peters và cộng sự, 2021), và một dạng hỏng hóc mặt sau xuất hiện trong điều kiện ẩm ướt chính là thứ làm giảm tuổi thọ đó.
Cách tiếp cận
Quy trình được giữ gần với quy trình sản xuất thực tế: pin TOPCon công nghiệp → phun muối natri cục bộ lên bề mặt trước hoặc sau → gia tốc damp heat (85°C/85% RH) → đặc tính điện và hóa học → kiểm tra lớp chắn ALD AlOₓ → tìm ra cơ chế bảo vệ.
Điểm mới
Về mặt lý thuyết, đây là nghiên cứu đầu tiên chỉ ra sự mất nitơ trong lớp SiNₓ mặt sau là nguyên nhân chính gây sụt giảm Voc. Về mặt thực tiễn, lớp AlOₓ 10nm được phủ bằng thiết bị ALD công nghiệp tiêu chuẩn và chỉ làm giảm hiệu suất tuyệt đối khoảng 0,01%. Về phương pháp luận, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một bài kiểm tra DH ở cấp độ pin, trong đó 20 giờ tương đương với vài năm lão hóa ngoài trời (Sen và cộng sự, 2023).
Chuỗi logic dễ hiểu: ô nhiễm mặt sau gây sụt giảm Voc mạnh, chỉ ra sự hỏng hóc thụ động hóa. XPS sau đó xác nhận phản ứng oxy hóa SiNₓ và con đường khuếch tán natri mà nó mở ra. Thêm lớp AlOₓ, chặn natri, và chụp ảnh PL xác nhận các khuyết tật đã bị triệt tiêu.
Phương pháp
Chuẩn bị mẫu
| Hạng mục | Chi tiết |
|---|---|
| Cấu trúc cell | TOPCon loại n. Mặt trước: emitter khuếch tán boron + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC. Mặt sau: SiO₂/poly-Si pha tạp phospho + SiNₓ, ARC |
| Chất gây ô nhiễm | Dung dịch CH₃COONa hoặc NaCl 0,155 mol/L, 0,3 g mỗi mẫu, phun cục bộ |
| Lớp chắn ALD | AlOₓ 10nm, lắng đọng ở 150°C (Leadmicro QL200) |
| Damp heat | 85°C/85% RH, 20 giờ (buồng môi trường ASLi) |
Cách đo
Các thông số I-V (Pmax, Voc, FF, Jsc) qua hệ thống LOANA (pv-tools).
Chất lượng thụ động hóa thông qua thời gian sống hiệu dụng của hạt tải thiểu số (τ_eff).
Hóa học bề mặt thông qua XPS và SEM-EDS.
Kết quả và thảo luận
Suy thoái điện
Mặt sau rõ ràng là mặt nhạy cảm. CH₃COONa ở mặt sau làm giảm Voc 5,8%, tăng Rₛ lên 450% (Bảng 1), và giảm cường độ PL 37,3% (Hình 3a). Cùng một xử lý ở mặt trước chỉ mất 0,87% PCE. Cùng một muối, kết quả rất khác nhau tùy thuộc vào mặt nào bị tác động.
Phân hủy hóa học của lớp thụ động
XPS trên bề mặt sau cho thấy tỷ lệ liên kết Si-O tăng vọt (Hình 5b), với tỷ lệ nguyên tử O/N từ 1,6 ở mẫu đối chứng lên 53 ở nhóm CH₃COONa. Cơ chế là mất nitơ — nhiệt ẩm thủy phân SiNₓ và phá hủy lớp thụ động bề mặt.
Tác dụng của lớp chắn AlOₓ
Với lớp AlOₓ 10nm ALD, tổn thất PCE dưới nhiễm bẩn CH₃COONa mặt sau giảm từ 16% xuống 0,4%, và Voc giữ nguyên (Hình 6a). SEM-EDS cho thấy hàm lượng natri giảm 86% trong các mẫu AlOₓ (Hình 6c), và PL không cho thấy kích hoạt khuyết tật (Hình 6b). Lớp chắn đang làm chính xác những gì bạn muốn — giữ natri ra ngoài.
Kết luận
Kết luận chính
Lớp SiNₓ mặt sau bị thủy phân và oxy hóa dưới nhiệt ẩm kết hợp muối natri, làm giảm Voc và tăng Rₛ (được hỗ trợ bởi XPS/EDS, Hình 4-5). Lớp AlOₓ 10nm chặn sự khuếch tán natri và giữ tổn thất PCE DH85 dưới 1% (Hình 6a). Và lớp đa lớp AlOₓ/SiOᵧNᵣ mặt trước có khả năng chống ăn mòn nội tại, do đó nhiễm bẩn ở đó hầu như không đáng kể.
Tại sao nó hữu ích
Lớp chắn AlOₓ có thể được đưa trực tiếp vào sản xuất hàng loạt TOPCon trên các thiết bị như Leadmicro QL200. Nhìn xa hơn, kết hợp AlOₓ với SiNₓ trong bao bọc mô-đun kính kép có thể kéo dài tuổi thọ nhà máy ở các vùng ẩm ướt.
Một chút nền tảng
Cấu trúc TOPCon: một lớp oxit đường hầm (SiO₂) cộng với tiếp xúc thụ động poly-Si pha tạp, giúp cắt giảm tái hợp tại kim loại (Feldmann et al., 2014).
ALD: tăng trưởng màng nano từng lớp, tạo lớp phủ AlOₓ đồng đều ở quy mô nanomet.
Kiểm tra DH: lão hóa tăng tốc ở 85°C/85% RH để mô phỏng suy thoái mô-đun trong khí hậu ẩm.
Thụ động SiNₓ: silicon nitride hydro hóa, tốt cho chống phản xạ và thụ động bề mặt, nhưng mang các liên kết lơ lửng và dễ thủy phân.
Tài liệu tham khảo
Tong H. et al., Giảm thiểu suy thoái do chất gây ô nhiễm trong pin mặt trời TOPCon thông qua lớp chắn ALD AlOₓ, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188
Feldmann F. et al., Tiếp xúc mặt sau thụ động cho pin mặt trời silicon loại n hiệu suất cao, Tạp chí Vật liệu Năng lượng Mặt trời và Pin Mặt trời 120 (2014) 270–274.
Li X. et al., Thử nghiệm gia tốc nhiệt ẩm của pin TOPCon sử dụng NaCl, Tạp chí Vật liệu Năng lượng Mặt trời và Pin Mặt trời 262 (2023) 112554.
Peters I.M. et al., Giá trị của độ ổn định trong quang điện, Joule 5 (2021) 3137–3153.
Quan điểm của Ooitech
Điểm nổi bật ở đây là phần lớn câu chuyện về độ tin cậy nằm ở lớp thụ động mặt sau, chứ không phải tiêu đề thiết kế pin. Trên dây chuyền thực tế, thêm một bước ALD AlOₓ 10nm là một khoản bảo hiểm rẻ cho các dự án ở vùng khí hậu ẩm, và nó dễ dàng tích hợp vào sản xuất module tiêu chuẩn mà không gặp nhiều rắc rối. Chúng tôi xây dựng các dây chuyền module chìa khóa trao tay từ đầu đến cuối, vì vậy chúng tôi theo dõi chặt chẽ những phát hiện như thế này — những điều chỉnh nhỏ trong quy trình ở thượng nguồn thường quyết định liệu một nhà máy có trụ vững trong 25 năm hay không. Nếu bạn muốn biết thêm từ nhà máy, kênh YouTube Ooitech (www.youtube.com/ooitech) đáng để theo dõi.
