TOPCon жасушалары ылғалды жылуда: неліктен артқы жағы бірінші істен шығады
Мазмұны
Кіріспе
TOPCon жоғары тиімді c-Si нарығының көп бөлігін иеленді, бірақ ұзақ мерзімді далалық сенімділік әлі де қозғалатын нысана болып қала береді. Ылғалды жылу зерттеулерінде бір әлсіз жер үнемі көрінеді: артқы пассивация қабаты. Жақында жүргізілген зерттеу (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) натрий тұздары элемент бетіне түсіп, 85°C/85% RH жағдайында болғанда не болатынын анықтады. Қысқаша айтқанда — артқы SiNₓ қабаты әлсіз жер, ал жұқа ALD AlOₓ қабықшасы оның көп бөлігін түзетеді.
Негізгі қорытындылар
Артқы SiNₓ қабаты ылғалды жылудың әлсіз жері болып табылады. Натрий ацетаты (CH₃COONa) артқы ашық тізбек кернеуін (Voc) 5.8% төмендетті және тізбекті кедергіні (Rₛ) 450% арттырды.
Натрий тұздары беттің тотығуын және азоттың жоғалуын тездетеді. XPS артқы Si/N атомдық қатынасының 1.3-тен 23-ке, ал O/N 1.6-дан 53-ке секіргенін көрсетті.
10 нм ALD Al₂O₃ тосқауылы үлкен айырмашылық жасады — CH₃COONa ластануы кезіндегі PCE жоғалтуы 16%-дан небәрі 0.4%-ға дейін төмендеді.
Алдыңғы пассивация әлдеқайда берік. AlOₓ/SiOᵧNᵣ көпқабатты құрылымы натрий диффузиясын блоктайды, сондықтан ондағы ластану тек 0.87% PCE жоғалтуға әкелді.
Екі ластаушы әртүрлі әсер етеді: натрий ацетаты металл контактіге шабуыл жасайды, ал натрий хлориді (NaCl) негізінен пассивация қабатын тотықтырады.
Фон
Негізгі сұрақты қою оңай, бірақ жауап беру қиынырақ: неге TOPCon элементтері натрий тұздары болған кезде ылғалды жылуда өнімділігін жоғалтады және неге артқы пассивация көбірек зардап шегеді (Kyranaki et al., 2022)?
Олқылықтар қайда
Алдыңғы жұмыстардың көпшілігі металл контактінің коррозиясына бағытталған (Iqbal et al., 2023), бірақ ешкім пассивация қабатының өзінің химиялық ыдырауын жүйелі түрде зерттемеген. Алдыңғы және артқы стектер әртүрлі құрастырылған — алдыңғы жағы AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, артқы жағы допирленген поли-Si үстіндегі SiNₓ — және олардың коррозияға төзімділігі ешқашан тікелей салыстырылмаған (Feldmann et al., 2014). Сонымен қатар, екі кең таралған ластаушы (CH₃COONa және NaCl) бірдей әрекет етеді деп ойлаған, бірақ олай емес (Li et al., 2021).
Мұны дұрыс түсіну нақты ақша үшін маңызды. Күн электр станциялары 25 жылдық қызмет ету мерзіміне кепілдікпен сатылады (Peters et al., 2021), ал ылғалдылық жағдайында пайда болатын артқы жақтың істен шығуы дәл осы кепілдікке әсер ететін нәрсе.
Тәсіл
Жұмыс ағыны нақты өндірістік ағынға жақын ұсталды: өнеркәсіптік TOPCon элементтері → алдыңғы немесе артқы бетке натрий тұзының жергілікті бүркуі → жеделдетілген ылғалды жылу (85°C/85% RH) → электрлік және химиялық сипаттама → ALD AlOₓ тосқауылын сынау → қорғаныс механизмін анықтау.
Мұндағы жаңалық
Теориялық жағынан, бұл Voc төмендеуінің негізгі драйвері ретінде артқы SiNₓ қабатындағы азот жоғалуын көрсететін алғашқы зерттеу. Практикалық жағынан, 10 нм AlOₓ қабаты стандартты өнеркәсіптік ALD жабдығында жұмыс істейді және абсолютті тиімділікте тек 0.01% құрайды. Әдістемелік тұрғыдан, команда 20 сағат бірнеше жылдық сыртқы қартаюды алмастыратын элемент деңгейіндегі DH сынағын құрастырды (Sen et al., 2023).
Логикалық тізбекті ұстану оңай: артқы жақтың ластануы күрт Voc төмендеуіне әкеледі, бұл пассивацияның істен шығуын көрсетеді. Содан кейін XPS SiNₓ тотығу реакциясын және ол ашатын натрий диффузия жолын растайды. AlOₓ қабатын қосыңыз, натрийді бөгеңіз, және PL бейнелеу ақаулардың басылғанын растайды.
Әдістер
Үлгі дайындау
| Элемент | Толық ақпарат |
|---|---|
| Элемент құрылымы | n-типті TOPCon. Алдыңғы жағы: бор диффузиялы эмиттер + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC. Артқы жағы: SiO₂/фосфор допирленген поли-Si + SiNₓ, ARC |
| Ластаушы | 0.155 моль/л CH₃COONa немесе NaCl ерітіндісі, үлгіге 0.3 г, жергілікті бүрку |
| ALD тосқауылы | 10 нм AlOₓ, 150°C температурада тұндырылған (Leadmicro QL200) |
| Ылғалды жылу | 85°C/85% RH, 20 сағат (ASLi экологиялық камерасы) |
Қалай өлшенді
I-V параметрлері (Pmax, Voc, FF, Jsc) LOANA жүйесі арқылы (pv-tools).
Пассивация сапасы тиімді минорлық тасымалдаушылардың өмір сүру уақыты (τ_eff) арқылы.
Беттік химия XPS және SEM-EDS арқылы.
Нәтижелер және талқылау
Электрлік деградация
Артқы жағы сезімтал екені анық. Артқы жағындағы CH₃COONa Voc-ты 5,8%-ға төмендетті, Rₛ-ті 450%-ға арттырды (1-кесте) және PL қарқындылығын 37,3%-ға кесті (3а-сурет). Алдыңғы жағындағы сол өңдеу PCE-нің тек 0,87%-ын жоғалтты. Бірдей тұз, бірақ қай бетке түсетініне байланысты нәтиже мүлдем басқаша.
Пассивацияның химиялық бұзылуы
Артқы беттің XPS талдауы Si-O байланыс үлесінің күрт өскенін көрсетті (5b-сурет), O/N атомдық қатынасы бақылау тобында 1,6-дан CH₃COONa тобында 53-ке дейін өсті. Механизм - азоттың жоғалуы: ылғалды жылу SiNₓ-ті гидролиздейді және беттік пассивацияны бұзады.
AlOₓ тосқауылының қызметі
10 нм ALD AlOₓ қабатымен артқы CH₃COONa ластануы кезінде PCE жоғалуы 16%-дан 0,4%-ға төмендеді, ал Voc өзгеріссіз қалды (6a-сурет). SEM-EDS AlOₓ үлгілерінде натрий мөлшерінің 86%-ға төмендегенін көрсетті (6c-сурет), ал PL ақаулардың белсендірілмегенін көрсетті (6b-сурет). Тосқауыл дәл қажетті нәрсені істейді - натрийді ұстап қалады.
Қорытынды
Негізгі қорытындылар
Артқы SiNₓ қабаты ылғалды жылу мен натрий тұзы әсерінен гидролизденіп, тотығады, бұл Voc-тың төмендеуіне және Rₛ-тің артуына әкеледі (XPS/EDS дәлелдейді, 4-5-суреттер). 10 нм AlOₓ қабаты натрий диффузиясын бөгеп, DH85 PCE жоғалуын 1%-дан төмен ұстайды (6a-сурет). Ал алдыңғы AlOₓ/SiOᵧNᵣ көпқабатты құрылымы коррозияға төзімді, сондықтан ластану онда әрең байқалады.
Неліктен бұл пайдалы
AlOₓ тосқауылын Leadmicro QL200 сияқты құрылғыларда TOPCon сериялық өндірісіне тікелей енгізуге болады. Одан әрі, AlOₓ-ті SiNₓ-пен қосарлап, екі шынылы модульдерді қаптауда қолдану ылғалды аймақтарда электр станцияларының қызмет ету мерзімін ұзартуы мүмкін.
Кішкене анықтама
TOPCon құрылымы: туннельдік оксид (SiO₂) және допирленген поли-Si пассивациялаушы контакт, бұл металдағы рекомбинацияны азайтады (Feldmann et al., 2014).
ALD: қабат-қабат нано-қабықша өсіру, біркелкі нанометрлік AlOₓ жабынын береді.
DH сынағы: 85°C/85% ылғалдылықтағы жеделдетілген қартаю, ылғалды климаттағы модуль деградациясын модельдеу.
SiNₓ пассивациясы: гидрленген кремний нитриді, жарыққа қарсы және беттік пассивация үшін жақсы, бірақ ілінген байланыстары бар және оңай гидролизденеді.
Әдебиеттер
Tong H. et al., Mitigating contaminant-induced degradation in TOPCon solar cells via ALD AlOₓ barrier, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188
Feldmann F. et al., Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.
Li X. et al., Accelerated damp-heat testing of TOPCon cells using NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.
Peters I.M. et al., The value of stability in photovoltaics, Joule 5 (2021) 3137–3153.
Ooitech көзқарасы
Мұнда ерекше назар аударатын нәрсе - сенімділік тарихының көп бөлігі жасуша дизайнының атауында емес, артқы пассивация қабатында жатыр. Нақты өндірістік желіде қосымша 10 нм ALD AlOₓ қабаты ылғалды климаттық жобалар үшін арзан сақтандыру болып табылады және ол стандартты модуль өндірісіне көп қиындықсыз енеді. Біз кілттік модуль желілерін басынан аяғына дейін саламыз, сондықтан мұндай нәтижелерді мұқият қадағалаймыз — шағын технологиялық түзетулер көбінесе зауыттың 25 жыл бойы жұмыс істеуін анықтайды. Егер зауыт алаңынан көбірек ақпарат алғыңыз келсе, Ooitech YouTube арнасы (www.youtube.com/ooitech) жазылуға тұрарлық.
