Estudio UVID de Celdas TOPCon: Pruebas IV sin Contacto Rastrean la Degradación de la Pasivación y la Pérdida de Eficiencia del 6.72%
Tabla de contenidos
UVID en células TOPCon y pruebas IV sin contacto
Las células solares TOPCon han ganado una posición líder en el mercado fotovoltaico debido a su fuerte pasivación superficial y contactos selectivos de portadores. Sin embargo, la operación al aire libre las expone a la degradación inducida por ultravioleta, o UVID. En este estudio, la eficiencia de conversión cayó un 6.72% después de la exposición a UV60.
Trabajos anteriores a menudo vinculaban la UVID principalmente a la ruptura de enlaces Si–H por fotones de alta energía y la liberación de hidrógeno móvil. El espectro ultravioleta solar cubre un rango mucho más amplio de energía de fotones de 3.1–4.43 eV, por lo que su interacción con los materiales de la superficie frontal no puede explicarse solo por la ruptura de enlaces Si–H. La pila frontal Al₂O₃/SiNₓ también muestra una resistencia UV mucho más débil que la estructura trasera.
El probador IV sin contacto Millennial Solar proporciona pruebas no destructivas sin consumibles y velocidad de medición a nivel de milisegundos. Es compatible con diseños de células de contacto trasero y sin barras colectoras y puede obtener parámetros multidimensionales de IV, EQE y PL en una sola secuencia de prueba.
Este estudio utilizó espectrometría de masas de iones secundarios por tiempo de vuelo, o ToF-SIMS, junto con espectroscopía de fotoelectrones de rayos X con perfil de profundidad, o XPS, para rastrear la distribución elemental y los cambios de enlaces químicos en las capas Al₂O₃/SiNₓ antes y después de la exposición a UV60. Los resultados muestran que la ruptura de enlaces N–H actúa como una segunda fuente de hidrógeno además de la ruptura de enlaces Si–H. La exposición UV también daña los enlaces Al–O en el Al₂O₃ amorfo, creando grandes cantidades de vacantes de oxígeno. Los mecanismos combinados de hidrógeno y oxígeno aumentan la recombinación superficial y proporcionan una base más clara para mejorar la fiabilidad de la capa de pasivación.
Método experimental
Millennial Solar
(a) Estructura esquemática de la célula solar TOPCon; (b) muestra simétrica de estructura frontal; (c) muestra simétrica de estructura trasera.
Se prepararon dos muestras simétricas. La estructura frontal fue SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. La estructura trasera incluía capas de SiOₓ/n⁺-poli-Si. El envejecimiento UV se realizó a nivel de módulo utilizando una fuente de luz dominada por UV-A con aproximadamente un 11% de UV-B. Las condiciones de prueba fueron 60°C y 30% de humedad relativa.
| Elemento de prueba | Condición o configuración |
|---|---|
| Muestra simétrica frontal | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Muestra simétrica trasera | Estructura que contiene capas de SiOₓ/n⁺-poli-Si |
| Fuente UV | Principalmente UV-A, con aproximadamente un 11% de UV-B |
| Temperatura de prueba | 60 °C |
| Humedad relativa | 30% |
| Dosis máxima de UV reportada | 60 kWh·m⁻², identificada como UV60 |
| Métodos de análisis principales | ToF-SIMS y XPS de perfil de profundidad |
Irradiancia espectral de la fuente de luz ultravioleta.
Resistencia UV de las estructuras frontal y trasera
Millennial Solar
Cambios en las muestras simétricas de las estructuras frontal y trasera durante la exposición UV: (a) tiempo de vida efectivo del portador, τeff, a una concentración de portadores inyectados de 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) voltaje de circuito abierto implícito, iVoc; y (c) densidad de corriente de saturación de un solo lado, J₀.
La estructura trasera simétrica mostró solo una degradación menor después de 60 kWh·m⁻² de exposición UV. Su capa de poli-Si de 120 nm absorbió casi toda la radiación UV incidente y proporcionó una protección efectiva a la interfaz subyacente.
La estructura frontal simétrica se degradó mucho más severamente:
El tiempo de vida efectivo del portador, τeff, cayó de 2,895.6 μs a 1,552.8 μs.
El voltaje de circuito abierto implícito, iVoc, disminuyó de 735.5 mV a 715.2 mV.
La J₀ de un solo lado aumentó a 18.4 fA·cm⁻², aproximadamente tres veces su valor inicial.
El rendimiento de pasivación de Al₂O₃/SiNₓ se deterioró sustancialmente.
Estos resultados confirman que la pila frontal de SiNₓ/Al₂O₃ es considerablemente más vulnerable a la exposición ultravioleta que la estructura trasera de SiOₓ/poli-Si.
Evolución de la Composición Química
Millennial Solar
Perfiles de profundidad ToF-SIMS de la intensidad de (a) hidrógeno y (b) oxígeno en muestras pulidas de estructura frontal simétrica antes y después de la exposición UV60.
ToF-SIMS mostró un claro aumento en la concentración de hidrógeno después de la exposición ultravioleta, especialmente dentro de la capa de SiNₓ. El análisis de perfil de profundidad de la señal XPS de N 1s encontró que la proporción de enlaces N–H en la interfaz SiNₓ/Al₂O₃ disminuyó de 9.64% a 5.97%. Esto confirma que la ruptura de enlaces N–H es otra fuente importante de hidrógeno junto con la disociación de enlaces Si–H.
Parte del hidrógeno liberado se difundió hacia la superficie de SiNₓ y se volvió a enlazar con silicio. Esto explica por qué la proporción local de N–H cerca de la superficie aumentó en lugar de seguir disminuyendo.
La evolución del oxígeno también fue crítica. La concentración de oxígeno dentro de la capa de Al₂O₃ disminuyó ligeramente, mientras que aumentó tanto en las interfaces SiNₓ/Al₂O₃ como Al₂O₃/Si. Esta distribución indica que el oxígeno liberado por la ruptura de enlaces Al–O se difundió hacia afuera de la película de Al₂O₃.
La energía de enlace Al–O en un cristal ideal es de aproximadamente 5.3 eV. El Al₂O₃ amorfo es diferente. Los iones de aluminio subcoordinados y las vacancias de oxígeno cargadas negativamente pueden reducir la energía de activación para romper enlaces Al–O adyacentes a alrededor de 2.4 eV. Un fotón ultravioleta de 400 nm lleva aproximadamente 3.1 eV, lo cual ya es suficiente para desencadenar este proceso.
Espectros XPS de perfil de profundidad de N 1s en diferentes interfaces Al₂O₃/SiNₓ antes y después de la exposición UV60, incluyendo enlaces N–Si ajustados a 397.5 eV y enlaces N–H a 399.5 eV.
Los resultados XPS de O 1s mostraron una conversión de oxígeno de red, identificado como OI, hacia componentes relacionados con vacancias de oxígeno, identificados como OII. En los espectros de Al 2p, la proporción de Al₂O₃ cayó de 69.99% a 60.36%, mientras que Al–OH aumentó de 30.01% a 39.64%.
Los espectros de Si 2p también mostraron un aumento en Si²⁺ y una disminución en los estados de oxidación más altos del silicio. Los electrones liberados durante la formación de vacancias de oxígeno redujeron el silicio desde estados de oxidación más altos. Estos cambios coordinados en los enlaces de oxígeno, aluminio y silicio indican un daño extenso en la película de Al₂O₃ en lugar de una reacción aislada de ruptura de enlaces.
Degradación del Rendimiento Eléctrico
Millennial Solar
Curvas de EQE y reflectancia de la célula solar TOPCon antes y después de la exposición UV60.
La reflectancia permaneció casi sin cambios después de la exposición UV60. La EQE mostró una disminución moderada en la región de longitud de onda corta por debajo de 500 nm, lo que corresponde a una recombinación más fuerte en la superficie frontal.
Cambio en la resistividad de contacto frontal de la célula solar TOPCon durante la exposición UV60.
La resistividad de contacto frontal aumentó casi linealmente con la dosis de UV, alcanzando 4.1 mΩ·cm², aproximadamente 8.6 veces su valor inicial. El mecanismo propuesto está relacionado con hidrógeno y oxígeno móviles generados dentro de las capas de pasivación. Estas especies se difunden hacia la interfaz del electrodo y participan en reacciones de oxidación-reducción.
La radiación UV también puede convertir moléculas de agua en la superficie de plata en radicales hidroxilo. Juntas, estas reacciones promueven la corrosión del electrodo metálico y aumentan la resistencia de contacto.
Degradación del rendimiento eléctrico de la célula solar TOPCon durante la exposición UV60: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; y (d) eficiencia.
Las pérdidas eléctricas finales se distribuyeron en varios parámetros:
Voc disminuyó un 3.46%, principalmente debido a la degradación de la pasivación de la superficie frontal y al aumento de J₀.
FF disminuyó un 2.82%, principalmente debido al fuerte aumento en la resistividad de contacto frontal.
Jsc disminuyó solo un 0.64%, ya que la pérdida de EQE se limitó principalmente a la región de longitud de onda corta.
La eficiencia de conversión disminuyó un 6.72% después de la exposición UV60.
La estructura frontal SiNₓ/Al₂O₃ de la célula solar TOPCon tiene, por lo tanto, una resistencia ultravioleta mucho menor que la estructura trasera. Bajo exposición UV, los enlaces Si–H y N–H se rompen y liberan hidrógeno móvil. Los enlaces Al–O en el Al₂O₃ amorfo también se dañan, liberando oxígeno y generando una alta densidad de vacantes de oxígeno. Al mismo tiempo, el Al₂O₃ se desplaza hacia Al–OH y la distribución del estado de oxidación del silicio cambia.
Los mecanismos de degradación relacionados con hidrógeno y oxígeno trabajan juntos para intensificar la recombinación superficial. El aumento acompañante en la resistividad de contacto frontal añade una pérdida eléctrica separada, lo que lleva a la degradación de eficiencia medida del 6.72%. Estos hallazgos ofrecen una referencia útil para comprender el UVID en TOPCon y mejorar la confiabilidad a largo plazo de las pilas de pasivación del lado frontal.
La opinión de Ooitech
El punto clave es que el UVID en TOPCon no puede tratarse como un simple problema de enlaces Si–H. La química de pasivación, el control de vacantes de oxígeno y la estabilidad de la metalización deben evaluarse en conjunto, especialmente al calificar los procesos de producción de módulos para una larga vida útil en exteriores. El seguimiento sin contacto de IV, EQE y PL puede ayudar a identificar estas pérdidas antes, sin agregar daño mecánico por contacto a diseños de celdas cada vez más delicados.
