Degradación por temperatura y dinámica LeTID en celdas solares de contacto trasero tipo n

Introducción del Producto

Las células solares de contacto posterior interdigitado (IBC) mueven ambos contactos metálicos de polaridad a la parte trasera. La parte frontal no tiene sombreado de líneas de rejilla, por lo que las ventajas ópticas del texturizado y la capa antirreflectante se manifiestan por completo. Combinado con una buena pasivación y un proceso de contacto, el IBC de tipo n puede alcanzar una tensión de circuito abierto y una densidad de corriente muy altas.

La contrapartida es una sensibilidad estructural inherente al diseño. Los portadores minoritarios fotogenerados deben viajar lateralmente a través de la base antes de que el emisor interdigitado trasero pueda recolectarlos. El rendimiento del dispositivo depende en gran medida de la vida útil del volumen y de la calidad de la pasivación trasera. Una vez que la recombinación en la interfaz trasera o la fuga de contacto se activan térmicamente, la densidad de corriente de saturación oscura J0 aumenta desproporcionadamente y Voc se ve afectada.

Ese es exactamente el punto de entrada de este trabajo. En una célula IBC de tipo n, se colocan tres conjuntos de evidencia en el mismo entorno térmico para que se complementen: mediciones J-V iluminadas de 25 a 85 °C, un experimento de estrés LeTID realizado bajo un sol a 45 a 85 °C durante hasta 960 minutos, y análisis I-V en oscuridad en el mismo rango de temperatura.

Diseño Experimental

Esquema de sección transversal de la célula IBC de tipo n: contactos traseros interdigitados de emisor p+ y BSF n+, texturizado frontal y ARC.

La célula de prueba tiene un área de 258,3 cm², un espesor de oblea de 151 ± 6 μm, un período interdigitado trasero de aproximadamente 480 μm y anchos de dedo de emisor y BSF de aproximadamente 250 μm y 90 μm. Las mediciones iluminadas se realizaron a AM1.5G, 100 mW/cm². En cada punto de temperatura, después de la estabilización térmica, se promediaron cinco escaneos. El estrés LeTID se midió directamente a la temperatura de estrés, sin enfriar a mitad de la prueba, y se registró en intervalos exponenciales de 1, 2, 4, 8 minutos y así sucesivamente. Cada parámetro se normalizó a su valor inicial, lo que separa la dinámica de degradación intrínseca del efecto instantáneo del coeficiente de temperatura.

Sensibilidad Térmica en Estado Estacionario

Evolución térmica normalizada de cuatro parámetros en relación con sus propios valores a 25°C.

A 25°C la celda muestra Jsc alrededor de 38.6 mA/cm², Voc alrededor de 0.743 V, FF alrededor de 79%, y eficiencia alrededor de 22.7%. Al calentar a 85°C, Jsc aumenta solo alrededor de un 3% (+0.0203 mA·cm⁻²·K⁻¹, aproximadamente +0.05%/K). Voc cae linealmente a −1.4 mV/K (aproximadamente −0.2%/°C). La eficiencia disminuye alrededor de un 9%, y FF apenas se mueve.

El pequeño aumento de corriente proviene de la reducción de la banda prohibida. Bajo la relación de Varshni, el borde de absorción se desplaza hacia longitudes de onda más largas, por lo que la fotogeneración recibe un ligero impulso. La rápida caída de voltaje proviene del crecimiento exponencial de J0(T), gobernado por la concentración de portadores intrínsecos y la actividad de recombinación. Voc escala con ln(Jsc/J0), por lo que un aumento moderado en J0 es suficiente para causar una pérdida medible.

Este coeficiente de temperatura se sitúa en el rango de −1.3 a −1.6 mV/K común en dispositivos de silicio cristalino de alta calidad. Marca una celda limitada por recombinación en lugar de una limitada por resistencia o transporte. Después de la normalización, la clasificación es igualmente clara: a 85°C, Voc cae alrededor de un 15%, la eficiencia alrededor de un 9%, FF se mantiene dentro de ±1%, y Jsc en realidad gana alrededor de un 3%.

Dinámica de LeTID

Dinámica de degradación de LeTID.

La medición en estado estacionario solo responde "qué tan caliente". El experimento de estrés LeTID completa "cómo cambia con el tiempo". A 85°C, Voc cae rápidamente en los primeros 10 a 30 minutos, luego se acerca lentamente a una cuasi-saturación. A temperaturas más bajas, la caída es mucho más suave. Después de 960 minutos, Voc cae a aproximadamente 0.69 V, Jsc se mantiene dentro de ±2% durante todo el proceso, FF fluctúa ligeramente, y no se muestra regeneración dentro de la ventana experimental. Dado que las mediciones se tomaron a la temperatura de estrés después de la estabilización térmica, la caída temprana de voltaje debe atribuirse a la activación rápida de estados de defecto en lugar de un equilibrio térmico transitorio. El Jsc estable indica que la fotogeneración y la extracción en cortocircuito no se vieron afectadas, por lo que la pérdida dominante no está limitada por la generación. Los autores también señalan una limitación: no hay experimento de control de recocido en oscuridad, por lo que la contribución de un efecto puramente térmico no puede descartarse por completo.

Verificación en Estado Oscuro

Comportamiento eléctrico oscuro y canales de fuga: (a) curvas J-V oscuras, (b) resistencia diferencial, (c) resistencias en derivación y en serie extraídas, (d) análisis de Arrhenius de la conductancia en derivación dando Ea ≈ 1.10 eV.

La curva I-V en oscuridad aborda el mismo problema desde fuera del régimen iluminado. La corriente directa aumenta notablemente con la temperatura. La pendiente a bajo voltaje muestra una caída clara de la resistencia en derivación, mientras que la región de alta corriente cambia poco. Así, la evolución de la resistencia inducida por temperatura está dominada por la activación de fugas, no por la degradación de la resistencia en serie. El factor de idealidad se mantiene entre 1.05 y 1.25, lo que significa que la recombinación por difusión domina, con una posible contribución SRH a alta temperatura.

Un análisis de Arrhenius de la conductancia en derivación proporciona un buen ajuste lineal de ln(1/Rsh) frente a 1/T (R² = 0.97), con una energía de activación de 1.10 ± 0.08 eV. Esto es comparable a la banda prohibida del silicio (alrededor de 1.12 eV) y se encuentra dentro del rango reportado para LeTID de 0.8 a 1.2 eV. Una energía de activación a escala de banda prohibida a menudo se asocia con conducción asistida por defectos de nivel profundo, pero no se puede excluir una contribución de la concentración intrínseca de portadores. Por lo tanto, respalda un comportamiento de fuga térmicamente activado sin identificar una especie de defecto específica.

Marco Unificado y Extrapolación de Campo

Tres líneas de evidencia convergen en un marco fenomenológico único: J0(t, T) = J0,intr(T) + A·Ndef(t, T). Sobre la corriente de saturación intrínseca se asienta una contribución de defectos térmicamente activada que evoluciona con el tiempo y la temperatura. Esto se convierte en pérdida de voltaje a través de Voc = (nkT/q)·ln(Jsc/(J0 + 1)). La mejora de la recombinación y la activación de fugas operan en paralelo dentro de la misma expresión. El coeficiente de temperatura en estado estacionario, la dinámica de LeTID y la evolución de la fuga en oscuridad quedan así vinculados. El marco no identifica una identidad de defecto específica.

Extrapolando a la operación en exteriores: bajo irradiancia alta, las temperaturas de las celdas del módulo suelen estar entre 50 y 65°C. Usando −1.4 mV/K, 60°C en relación con 25°C significa alrededor de 49 mV de pérdida de voltaje, y el LeTID acelerado por temperatura añade pérdida dependiente del tiempo además de eso. Las conclusiones se aplican solo a la celda medida. Para TOPCon de contacto posterior y HJT de contacto posterior son solo una referencia cualitativa: la magnitud de la degradación, la energía de activación y la dinámica de regeneración dependen del esquema de contacto pasivante de cada uno, la calidad de la interfaz, la distribución de hidrógeno y la estabilidad térmica, y merecen un estudio comparativo dedicado. Para dispositivos de contacto posterior de alta eficiencia en climas cálidos, la robustez del voltaje y el rendimiento energético a largo plazo dependen en última instancia de la estabilidad de la pasivación trasera y la gestión de defectos.

La opinión de Ooitech

Lo que nos llama la atención aquí es cuánta de esa pérdida exterior de 49 mV reside en la parte trasera, donde la pasivación y la calidad del contacto determinan el Voc a largo plazo. En la línea de módulos la historia es la misma: cómo se corta, se conecta en serie y se lamina una célula IBC decide si esa estabilidad trasera sobrevive en el campo. Habiendo construido líneas llave en mano para diseños IBC y HPBC, vemos la robustez LeTID como un problema de proceso y materiales tanto como de célula. Vale la pena seguir nuestro canal de YouTube www.youtube.com/ooitech si quieres ver cómo se fabrican realmente los módulos de contacto posterior.