UVID trong tế bào mặt trời TOPCon: Kiểm tra IV không tiếp xúc theo dõi sự suy giảm thụ động hóa và tổn thất hiệu suất 6,72%

Giới thiệu

Pin mặt trời TOPCon hiện đang thống trị thị trường PV nhờ lớp thụ động bề mặt mạnh mẽ và các tiếp xúc chọn lọc hạt tải. Nhưng hoạt động ngoài trời lại bộc lộ một điểm yếu thực sự: suy giảm do UV, hay UVID. Sau khi chiếu xạ UV60, hiệu suất giảm tới 6,72%.

Hầu hết các nghiên cứu trước đây đổ lỗi cho UVID là do các photon năng lượng cao phá vỡ liên kết Si–H và giải phóng hydro tự do. Đó chỉ là một phần của câu chuyện. Phổ UV mặt trời trải rộng trong dải năng lượng 3,1–4,43 eV, nên tương tác của nó với các lớp bề mặt phía trước vượt xa một con đường phá vỡ Si–H duy nhất. Và chồng lớp Al₂O₃ / SiNₓ phía trước yếu hơn nhiều trước UV so với mặt sau.

Một thiết bị kiểm tra IV không tiếp xúc giúp ích rất nhiều ở đây. Nó không phá hủy, không tiêu tốn vật tư, chạy ở tốc độ mili giây, hoạt động với thiết kế BC và không thanh cái, và thu thập các thông số IV, EQE và PL chỉ trong một lần đo.

Nghiên cứu này sử dụng ToF-SIMS và XPS phân tích theo chiều sâu để theo dõi sự phân bố nguyên tố và thay đổi liên kết hóa học trong các lớp Al₂O₃ / SiNₓ trước và sau UV60. Phát hiện: phá vỡ liên kết N–H là nguồn hydro thứ hai bên cạnh Si–H. Các liên kết Al–O trong Al₂O₃ vô định hình bị UV phá vỡ và tạo ra một lượng lớn khuyết oxy. Các cơ chế hydro và oxy chồng chất lên nhau và làm trầm trọng thêm tái hợp bề mặt, đưa ra định hướng rõ ràng để cải thiện độ tin cậy của lớp thụ động.

Phương pháp thí nghiệm

(a) Sơ đồ cấu trúc pin mặt trời TOPCon (b) mẫu cấu trúc phía trước đối xứng (c) mẫu cấu trúc phía sau đối xứng

Các mẫu cấu trúc phía trước đối xứng (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) và mẫu cấu trúc phía sau đối xứng (với lớp SiOₓ/n⁺-poly-Si) đã được chuẩn bị. Lão hóa UV được thực hiện ở cấp độ module. Nguồn sáng chủ yếu là UV-A với khoảng 11% UV-B, dưới 60°C và độ ẩm 30%.

Bức xạ phổ của nguồn sáng UV

Cấu trúc phía trước so với phía sau: So sánh khả năng chống UV

Thay đổi của (a) τeff ở nồng độ hạt tải tiêm 1×10¹⁵ cm⁻³, (b) iVoc, và (c) J₀ một phía đối với các mẫu cấu trúc phía trước và phía sau đối xứng trong quá trình phơi nhiễm UV

Cấu trúc phía sau đối xứng hầu như không suy giảm sau 60 kWh·m⁻² phơi nhiễm UV. Lớp poly-Si dày 120 nm của nó hấp thụ gần như toàn bộ ánh sáng UV và cung cấp khả năng che chắn hiệu quả.

Cấu trúc phía trước lại kể một câu chuyện khác. τeff giảm từ 2895,6 μs xuống 1552,8 μs. iVoc giảm từ 735,5 mV xuống 715,2 mV. J₀ một phía tăng vọt lên 18,4 fA·cm⁻², gấp khoảng ba lần giá trị ban đầu. Lớp thụ động Al₂O₃ / SiNₓ suy giảm nghiêm trọng.

Sự tiến hóa thành phần hóa học

Phân tích theo chiều sâu cường độ của (a) hydro và (b) oxy trong mẫu cấu trúc phía trước đối xứng đã đánh bóng trước và sau UV60, đo bằng ToF-SIMS

ToF-SIMS cho thấy nồng độ hydro tăng rõ rệt sau phơi nhiễm UV, đặc biệt bên trong lớp SiNₓ. Phân tích theo chiều sâu XPS N 1s cho thấy tại giao diện SiNₓ / Al₂O₃, tỷ lệ liên kết N–H giảm từ 9,64% xuống 5,97%. Vậy phá vỡ liên kết N–H là nguồn hydro thứ hai ngoài Si–H. Hydro được giải phóng khuếch tán về phía vùng bề mặt SiNₓ và tái hợp với silicon ở đó, đó là lý do tại sao tỷ lệ N–H thực sự tăng gần bề mặt đó.

Oxy cũng kể một câu chuyện quan trọng không kém. Oxy trong lớp Al₂O₃ giảm nhẹ, trong khi oxy tại các giao diện SiNₓ/Al₂O₃ và Al₂O₃/Si tăng lên. Điều này chỉ ra rằng các liên kết Al–O bị phá vỡ và oxy tự do di chuyển ra ngoài. Năng lượng liên kết Al–O trong tinh thể lý tưởng là khoảng 5,3 eV. Nhưng trong Al₂O₃ vô định hình, các ion nhôm phối trí thiếu và khuyết oxy bẫy electron và trở nên tích điện âm, làm giảm năng lượng hoạt hóa cho sự phá vỡ liên kết Al–O lân cận xuống khoảng 2,4 eV. Điều đó có nghĩa là ánh sáng UV 400 nm (3,1 eV) đủ để phá vỡ chúng.

Phổ XPS phân tích theo chiều sâu N 1s tại các giao diện khác nhau của lớp Al₂O₃/SiNₓ trước và sau UV60, với các đường cong khớp cho liên kết N–Si (397,5 eV) và N–H (399,5 eV)

XPS O 1s cho thấy oxy mạng tinh thể (OI) chuyển thành khuyết oxy (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%. Trong phổ Si 2p, Si²⁺ tăng trong khi silicon hóa trị cao hơn giảm. Các electron được giải phóng khi khuyết oxy hình thành khử silicon từ các trạng thái oxy hóa cao hơn. Tổng hợp lại, những thay đổi này trong liên kết oxy, nhôm và silicon cho thấy chất lượng màng Al₂O₃ đã bị tổn hại.

Suy giảm hiệu suất điện

Đường cong EQE và độ phản xạ của pin mặt trời TOPCon trước và sau UV60

Thay đổi điện trở suất tiếp xúc phía trước của pin mặt trời TOPCon trong quá trình phơi nhiễm UV60

Độ phản xạ hầu như không thay đổi sau UV60. EQE cho thấy mức giảm vừa phải ở vùng bước sóng ngắn dưới 500 nm, phù hợp với tái hợp bề mặt phía trước mạnh hơn. Điện trở suất tiếp xúc phía trước tăng gần như tuyến tính với liều UV, đạt 4,1 mΩ·cm², cao hơn khoảng 8,6 lần. Nguyên nhân: hydro và oxy tự do được tạo ra trong lớp thụ động khuếch tán đến giao diện điện cực và tham gia vào các phản ứng oxy hóa khử. UV cũng chuyển đổi các phân tử nước trên bề mặt bạc thành các gốc hydroxyl, và cùng nhau chúng ăn mòn điện cực kim loại.

Tốc độ suy giảm hiệu suất điện trong quá trình phơi nhiễm UV60: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff

Voc giảm 3,46% tương đối, do suy giảm lớp thụ động bề mặt phía trước và J₀ tăng. FF giảm 2,82%, do điện trở suất tiếp xúc phía trước cao hơn. Jsc chỉ giảm 0,64%, vì tổn thất EQE bước sóng ngắn bị hạn chế. Mức suy giảm hiệu suất chuyển đổi quang điện cuối cùng là 6,72%.

Kết luận

Cấu trúc SiNₓ/Al₂O₃ phía trước của pin TOPCon yếu hơn nhiều trước UV so với cấu trúc phía sau. Dưới UV, các liên kết Si–H và N–H bị phá vỡ lần lượt và giải phóng hydro tự do. Các liên kết Al–O trong Al₂O₃ vô định hình bị phá vỡ dưới UV, giải phóng oxy tự do và tạo ra một lượng lớn khuyết oxy. Al₂O₃ chuyển đổi về phía Al–OH và hóa trị silicon thay đổi. Hai cơ chế suy giảm này, hydro và oxy, chồng chất lên nhau và làm trầm trọng thêm tái hợp bề mặt. Thêm vào đó là sự gia tăng mạnh của điện trở suất tiếp xúc phía trước, và kết quả là mức suy giảm hiệu suất 6,72%. Công trình này cung cấp một tài liệu tham khảo hữu ích để hiểu UVID của TOPCon và để cải thiện độ tin cậy lâu dài của các lớp thụ động.

Quan điểm của Ooitech

UVID liên tục chứng minh rằng chồng lớp phía trước là nơi độ tin cậy thực sự được kiểm nghiệm, vì vậy cách bạn xây dựng và kiểm soát quá trình lắng đọng và đóng gói SiNₓ/Al₂O₃ trên dây chuyền module cũng quan trọng như công thức pin. Trên các dây chuyền module TOPCon và PERC chìa khóa trao tay của chúng tôi, chúng tôi thấy bài học tương tự diễn ra ở khâu xếp lớp, ép laminate và EL, những lựa chọn quy trình nhỏ quyết định liệu các tấm pin có chịu được ngoài trời trong nhiều năm hay không. Nếu bạn muốn có thêm góc nhìn thực tế từ sàn nhà máy, kênh YouTube Ooitech tại www.youtube.com/ooitech đáng để theo dõi.