TOPCon ұяшығының UVID зерттеуі: Байланыссыз IV сынағы пассивацияның деградациясын және 6.72% тиімділік жоғалтуын бақылайды
Мазмұны
TOPCon элементінің UVID және байланыссыз IV сынау
TOPCon күн элементтері күшті беттік пассивациясы және тасымалдаушы-селективті контактілері арқасында фотоэлектрлік нарықта жетекші орынға ие болды. Дегенмен, ашық ауада жұмыс істеу оларды ультракүлгін сәулеленуден туындаған деградацияға немесе UVID-ге ұшыратады. Бұл зерттеуде түрлендіру тиімділігі UV60 әсерінен кейін 6,72% төмендеді.
Бұрынғы жұмыстар UVID-ді негізінен жоғары энергиялы фотондардың Si-H байланыстарын үзіп, мобильді сутегін босатуымен байланыстырды. Күннің ультракүлгін спектрі фотон энергиясының әлдеқайда кең диапазонын қамтиды 3,1–4,43 эВ, сондықтан оның алдыңғы бет материалдарымен әрекеттесуін тек Si-H байланысының үзілуімен түсіндіру мүмкін емес. Алдыңғы Al₂O₃/SiNₓ қабаты да артқы жақ құрылымына қарағанда әлдеқайда әлсіз UV төзімділігін көрсетеді.
Millennial Solar байланыссыз IV сынаушысы шығын материалдарын қажет етпейтін және миллисекундтық өлшеу жылдамдығымен бұзбайтын сынауды қамтамасыз етеді. Ол артқы контактілі және шинасыз элемент конструкцияларымен үйлесімді және бір сынақ тізбегінде көп өлшемді IV, EQE және PL параметрлерін ала алады.
Бұл зерттеуде Al₂O₃/SiNₓ қабаттарындағы элементтік таралуды және химиялық байланыс өзгерістерін UV60 әсеріне дейін және одан кейін бақылау үшін ұшу уақытының екіншілік иондық масс-спектрометриясы (ToF-SIMS) және тереңдік профильді рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS) қолданылды. Нәтижелер N-H байланысының үзілуі Si-H байланысының үзілуіне қосымша екінші сутегі көзі ретінде әрекет ететінін көрсетеді. UV әсері сонымен қатар аморфты Al₂O₃-тегі Al-O байланыстарын бұзып, көптеген оттегі бос орындарын жасайды. Сутегі мен оттегі механизмдерінің бірігуі беттік рекомбинацияны арттырады және пассивация қабатының сенімділігін жақсарту үшін неғұрлым нақты негіз береді.
Эксперименттік Әдіс
Millennial Solar
(a) TOPCon күн элементінің схемалық құрылымы; (b) симметриялы алдыңғы құрылым үлгісі; (c) симметриялы артқы құрылым үлгісі.
Екі симметриялы үлгі құрылымы дайындалды. Алдыңғы құрылым SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. Артқы құрылым SiOₓ/n⁺-poly-Si қабаттарын қамтыды. УК-қартаю модуль деңгейінде шамамен 11% УК-В бар УК-А басым жарық көзімен жүргізілді. Сынақ шарттары 60°C және 30% салыстырмалы ылғалдылық болды.
| Сынақ элементі | Шарт немесе конфигурация |
|---|---|
| Алдыңғы симметриялы үлгі | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Артқы симметриялы үлгі | SiOₓ/n⁺-poly-Si қабаттарын қамтитын құрылым |
| УК көзі | Негізінен УК-А, шамамен 11% УК-В |
| Сынақ температурасы | 60°C |
| Салыстырмалы ылғалдылық | 30% |
| Хабарланған ең жоғары УК дозасы | 60 кВт·сағ·м⁻², УК60 деп анықталған |
| Негізгі талдау әдістері | ToF-SIMS және тереңдік профилі XPS |
Ультракүлгін жарық көзінің спектрлік сәулеленуі.
Алдыңғы және артқы құрылымдардың УК-төзімділігі
Millennial Solar
УК әсері кезіндегі симметриялы алдыңғы және артқы құрылым үлгілеріндегі өзгерістер: (a) 1 × 10¹⁵ см⁻³ инжекцияланған тасымалдаушы концентрациясындағы эффективті тасымалдаушы өмір сүру уақыты, τeff; (b) болжамды ашық тізбек кернеуі, iVoc; және (c) бір жақты қанығу ток тығыздығы, J₀.
Симметриялы артқы құрылым 60 кВт·сағ·м⁻² УК әсерінен кейін аз ғана деградацияны көрсетті. Оның 120 нм поли-Si қабаты түсетін УК сәулеленуінің барлығын дерлік сіңіріп, астындағы интерфейсті тиімді қорғады.
Симметриялы алдыңғы құрылым әлдеқайда қатты деградацияға ұшырады:
Эффективті тасымалдаушы өмір сүру уақыты, τeff, 2 895,6 мкс-тен 1 552,8 мкс-ке.
Болжамды ашық тізбек кернеуі, iVoc, 735,5 мВ-тан 715,2 мВ-қа.
Бір жақты J₀ 18,4 фА·см⁻²-ге дейін өсті, бұл оның бастапқы мәнінен шамамен үш есе көп.
Al₂O₃/SiNₓ пассивация өнімділігі айтарлықтай нашарлады.
Бұл нәтижелер алдыңғы SiNₓ/Al₂O₃ стекінің ультракүлгін сәулеленуіне артқы SiOₓ/poly-Si құрылымына қарағанда айтарлықтай осал екенін растайды.
Химиялық құрамның эволюциясы
Millennial Solar
УК60 әсеріне дейін және одан кейін жылтыратылған симметриялық алдыңғы құрылым үлгілеріндегі (а) сутегі және (б) оттегі қарқындылығының ToF-SIMS тереңдік профильдері.
ToF-SIMS ультракүлгін сәулеленуден кейін, әсіресе SiNₓ қабатының ішінде сутегі концентрациясының айқын өскенін көрсетті. N 1s XPS сигналының тереңдік-профильдік талдауы SiNₓ/Al₂O₃ интерфейсіндегі N–H байланыстарының үлесі 9.64%-дан 5.97%-ғатөмендегенін анықтады. Бұл N–H байланысының үзілуі Si–H байланысының диссоциациясымен қатар сутегінің тағы бір маңызды көзі екенін растайды.
Бөлінген сутегінің бір бөлігі SiNₓ бетіне қарай диффузияланып, кремниймен қайта байланысты. Бұл бетке жақын жердегі жергілікті N–H үлесінің төмендеудің орнына неге өскенін түсіндіреді.
Оттегінің эволюциясы да маңызды болды. Al₂O₃ қабатының ішіндегі оттегі концентрациясы аздап төмендеді, ал SiNₓ/Al₂O₃ және Al₂O₃/Si интерфейстерінде өсті. Бұл таралу Al–O байланысының үзілуінен бөлінген оттегінің Al₂O₃ пленкасынан сыртқа қарай диффузияланғанын көрсетеді.
Идеал кристалдағы Al–O байланыс энергиясы шамамен 5.3 эВқұрайды. Аморфты Al₂O₃ басқаша. Төмен үйлестірілген алюминий иондары және теріс зарядталған оттегі бос орындары көршілес Al–O байланыстарын үзу үшін активтендіру энергиясын шамамен 2.4 эВдейін төмендете алады. 400 нм ультракүлгін фотоны шамамен 3.1 эВтасымалдайды, бұл бұл процесті бастау үшін жеткілікті.
УК60 әсеріне дейін және одан кейін әртүрлі Al₂O₃/SiNₓ интерфейстеріндегі N 1s тереңдік-профильдік XPS спектрлері, 397.5 эВ-тағы N–Si байланыстары және 399.5 эВ-тағы N–H байланыстары көрсетілген.
O 1s XPS нәтижелері OI ретінде анықталған торлы оттегінен OII ретінде анықталған оттегі бос орындарға байланысты компоненттерге ауысуды көрсетті. Al 2p спектрлерінде Al₂O₃ үлесі 69.99%-дан 60.36%-ғатөмендеді, ал Al–OH 30.01%-дан 39.64%-ға.
өсті. Si 2p спектрлері де Si²⁺ өсімін және кремнийдің жоғары тотығу дәрежелерінің төмендеуін көрсетті. Оттегі бос орындарының пайда болуы кезінде бөлінген электрондар кремнийді жоғары тотығу дәрежелерінен төмендетті. Оттегі, алюминий және кремний байланысындағы үйлестірілген өзгерістер жалғыз оқшауланған байланыс үзілу реакциясы емес, Al₂O₃ пленкасына кең зақым келгенін көрсетеді.
Электрлік өнімділіктің нашарлауы
Millennial Solar
TOPCon күн элементінің UV60 әсеріне дейінгі және кейінгі EQE және шағылысу қисықтары.
Шағылысу UV60 әсерінен кейін дерлік өзгеріссіз қалды. EQE 500 нм-ден төмен қысқа толқынды аймақта орташа төмендеуді көрсетті, бұл алдыңғы беттегі күштірек рекомбинацияға сәйкес келеді.
UV60 әсері кезінде TOPCon күн элементінің алдыңғы контактілі кедергісінің өзгеруі.
Алдыңғы контактілі кедергі УК дозасымен сызықты түрде өсті, 4.1 мОм·см²шамамен 8.6 есе бастапқы мәніне жетті. Ұсынылған механизм пассивация қабаттары ішінде пайда болатын жылжымалы сутегі мен оттегімен байланысты. Бұл бөлшектер электрод интерфейсіне қарай диффузияланады және тотығу-тотықсыздану реакцияларына қатысады.
УК сәулеленуі күміс бетіндегі су молекулаларын гидроксил радикалдарына айналдыра алады. Бірге бұл реакциялар металл электродтың коррозиясын жеделдетеді және контактілі кедергіні арттырады.
UV60 әсері кезінде TOPCon күн элементінің электрлік өнімділігінің төмендеуі: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; және (d) ПӘК.
Соңғы электрлік шығындар бірнеше параметрлер бойынша бөлінді:
Voc 3.46% төмендеді, негізінен алдыңғы бет пассивациясының нашарлауына және J₀ өсуіне байланысты.
FF 2.82% төмендеді, негізінен алдыңғы контактілі кедергінің күрт өсуіне байланысты.
Jsc тек 0.64% төмендеді, себебі EQE жоғалуы негізінен қысқа толқынды аймақпен шектелді.
Түрлендіру ПӘК 6.72% төмендеді UV60 әсерінен кейін.
Сондықтан TOPCon күн элементінің алдыңғы SiNₓ/Al₂O₃ құрылымы артқы құрылымға қарағанда ультракүлгінге төзімділігі әлдеқайда төмен. УК әсерінен Si–H және N–H байланыстары үзіліп, жылжымалы сутегі бөлінеді. Аморфты Al₂O₃-тегі Al–O байланыстары да зақымдалып, оттегі бөлінеді және оттегі бос орындарының жоғары тығыздығы пайда болады. Сонымен қатар, Al₂O₃ Al–OH бағытына ауысады және кремний тотығу күйінің таралуы өзгереді.
Сутегі мен оттегіге байланысты деградация механизмдері беттік рекомбинацияны күшейту үшін бірге жұмыс істейді. Алдыңғы контактілі кедергінің ілеспе өсуі бөлек электрлік шығынды қосады, бұл өлшенген 6.72% ПӘК төмендеуіне. Бұл нәтижелер TOPCon UVID түсіну және алдыңғы жақ пассивация қабаттарының ұзақ мерзімді сенімділігін арттыру үшін пайдалы анықтама береді.
Ooitech көзқарасы
Негізгі мәселе - TOPCon UVID қарапайым Si–H байланыс мәселесі ретінде қарастырылмауы керек. Пассивация химиясы, оттегі-бос орындарды бақылау және металдандыру тұрақтылығы бірге бағалануы керек, әсіресе модуль өндіріс процестерін ұзақ сыртқы қызметке сертификаттау кезінде. Байланыссыз IV, EQE және PL бақылауы бұл шығындарды ерте анықтауға көмектеседі, сонымен қатар өте нәзік ұяшық конструкцияларына механикалық жанасу зақымдануын қоспайды.
