UVID trong pin mặt trời TOPCon: Kiểm tra IV không tiếp xúc theo dõi sự suy giảm thụ động và mất hiệu suất 6,72%

Giới thiệu

Pin mặt trời TOPCon hiện chiếm ưu thế trên thị trường PV nhờ khả năng thụ động bề mặt mạnh và tiếp xúc chọn lọc hạt tải. Nhưng vận hành ngoài trời bộc lộ một điểm yếu thực sự: suy hao do bức xạ UV, hay UVID. Sau khi chiếu UV60, hiệu suất giảm tới 6,72%.

Hầu hết các nghiên cứu trước đây cho rằng UVID do 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, vì vậy tương tác của nó với các lớp bề mặt phía trước vượt xa một con đường phá vỡ Si–H đơn lẻ. Và chồng lớp Al₂O₃ / SiNₓ phía trước yếu hơn nhiều trước UV so với phía sau.

Một thiết bị đo IV không tiếp xúc giúp ích rất nhiều ở đây. Nó không phá hủy mẫu, không dùng vật tư tiêu hao, chạy ở tốc độ mili giây, hoạt động với thiết kế BC và không busbar, đồng thời thu thập các thông số IV, EQE và PL trong một lần đo.

Nghiên cứu này sử dụng ToF-SIMS và XPS phân tích độ 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. Liên kết Al–O trong Al₂O₃ vô định hình bị phá vỡ bởi UV và tạo ra một lượng lớn lỗ trống oxy. Các cơ chế hydro và oxy chồng chất và làm trầm trọng thêm sự tái hợp bề mặt, đưa ra hướng đi rõ ràng để cải thiện độ tin cậy của lớp thụ động.

Phương pháp thực nghiệm

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

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

Cường độ bức xạ phổ của nguồn sáng UV

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

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

Cấu trúc phía sau đối xứng hầu như không bị suy giảm sau khi tiếp xúc với tia UV 60 kWh·m⁻². 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 cho thấy một câu chuyện khác. τeff giảm từ 2895,6 μs xuống còn 1552,8 μs. iVoc giảm từ 735,5 mV xuống còn 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 đã bị suy giảm nghiêm trọng.

Sự Tiến Hóa Thành Phần Hóa Học

Hồ sơ độ sâu cường độ của (a) hydro và (b) oxy trong mẫu cấu trúc phía trước đối xứng được đánh bóng trước và sau UV60, được đo bằng ToF-SIMS

ToF-SIMS cho thấy nồng độ hydro tăng rõ rệt sau khi tiếp xúc với tia UV, đặc biệt là bên trong lớp SiNₓ. Phân tích độ sâu XPS N 1s cho thấy tại giao diện SiNₓ / Al₂O₃, tỷ lệ liên kết N–H giảm từ 9,64% xuống còn 5,97%. Vì vậy, sự 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 kết hợp với silicon ở đó, đó là lý do tại sao tỷ lệ N–H thực sự tăng lên 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 cho thấy 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 thấp và các lỗ trống oxy bẫy electron và trở nên tích điện âm, làm giảm năng lượng kích hoạt cho sự phá vỡ liên kết Al–O lân cận xuống còn khoảng 2,4 eV. Điều đó có nghĩa là ánh sáng UV 400 nm (3,1 eV) là đủ để phá vỡ chúng.

Phổ XPS phân tích độ 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 đổi thành các lỗ trống oxy (OII). Trong phổ Al 2p, tỷ lệ Al₂O₃ giảm từ 69,99% xuống còn 60,36% trong khi Al–OH tăng từ 30,01% lên 39,64%. Trong phổ Si 2p, Si²⁺ tăng lên trong khi silicon hóa trị cao hơn giảm. Các electron được giải phóng khi các lỗ trống oxy hình thành làm giảm silicon từ các trạng thái oxy hóa cao hơn. Tổng hợp lại, những thay đổi trong liên kết oxy, nhôm và silicon này cho thấy chất lượng màng Al₂O₃ đã bị ảnh hưởng.

Suy giảm hiệu suất điện

Đường cong EQE và 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 tiếp xúc UV60

Độ phản xạ về cơ bản không thay đổi sau UV60. EQE cho thấy mức giảm vừa phải ở vùng bước sóng ngắn dưới 500 nm, phù hợp với sự tái hợp bề mặt phía trước mạnh hơn. Điện trở suất tiếp xúc phía trước tăng gần như tuyến tính theo liều UV, đạt 4,1 mΩ·cm², cao hơn khoảng 8,6 lần. Nguyên nhân: hydro và oxy tự do sinh ra trong lớp thụ động khuếch tán đến bề mặt 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 sự suy giảm thụ động bề mặt phía trước và J₀ tăng. FF giảm 2,82%, do điện trở suất tiếp xúc phía trước tăng. Jsc chỉ giảm 0,64%, vì mất mát EQE ở bước sóng ngắn bị hạn chế. Tổng mất mát hiệu suất chuyển đổi quang điện cuối cùng là 6,72%.

Kết luận

Cấu trúc SiNₓ/Al₂O₃ phía trước của tế bào TOPCon yếu hơn nhiều so với cấu trúc phía sau khi chịu UV. Dưới tác động của UV, các liên kết Si–H và N–H đứt gãy tuần tự và giải phóng hydro tự do. Các liên kết Al–O trong Al₂O₃ vô định hình đứt gãy dưới UV, giải phóng oxy tự do và tạo ra một lượng lớn các lỗ trống oxy. Al₂O₃ chuyển hóa thành Al–OH và hóa trị silic thay đổi. Hai cơ chế suy giảm này, hydro và oxy, chồng chất lên nhau và làm trầm trọng thêm sự tái hợp bề mặt. Thêm vào sự tăng mạnh của điện trở suất tiếp xúc phía trước, kết quả là mất 6,72% hiệu suất. Công trình 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 lớp thụ động.

Quan điểm của Ooitech

UVID liên tục chứng minh rằng cụm phía trước là nơi độ tin cậy thực sự bị thử thách, vì vậy cách bạn xây dựng và kiểm soát quá trình lắng đọng và bao bọc SiNₓ/Al₂O₃ trên dây chuyền mô-đun quan trọng không kém công thức tế bào. Trên các dây chuyền mô-đun TOPCon và PERC chìa khóa trao tay của chúng tôi, chúng tôi thấy bài học tương tự diễn ra ở khâu xếp lớp, cán màng và kiểm tra EL; những lựa chọn quy trình nhỏ quyết định liệu tấm pin có trụ vững ngoài trời trong nhiều năm hay không. Nếu bạn muốn có thêm góc nhìn thực tế từ nhà máy, kênh YouTube Ooitech tại www.youtube.com/ooitech đáng để theo dõi.