Estudio UVID de células TOPCon: Las pruebas IV sin contacto rastrean
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Respuesta rápida: La UVID, degradación inducida por ultravioleta, es un mecanismo de fiabilidad en células TOPCon que las mediciones de potencia estándar pasan por alto porque se desarrolla gradualmente bajo iluminación en lugar de aparecer como una pérdida inmediata. Las pruebas IV sin contacto se utilizan para rastrearla: la célula se mide sin sondear la metalización, por lo que la misma célula puede volver a medirse repetidamente a través de una exposición acelerada sin introducir daños por contacto que confundirían el resultado. Las condiciones de estrés en este estudio implican exposición UV a 60 °C, con mediciones en rangos espectrales cercanos a 120 nm, 400 nm y 500 nm, utilizando conjuntos de muestras etiquetados UV60. El valor de la medición sin contacto es que convierte la UVID de una observación destructiva al final de la prueba en una curva que se puede observar, lo que permite evaluar un cambio de proceso en lugar de solo aceptarlo o rechazarlo.
Fabricación de módulos fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech
TOPCon UVID en células 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 en exteriores 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 UV60.
Trabajos anteriores a menudo vinculaban la UVID principalmente a fotones de alta energía que rompen enlaces Si–H y liberan hidrógeno móvil. El espectro ultravioleta solar cubre un rango de energía de fotones mucho más amplio 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 de Al₂O₃/SiNₓ también muestra una resistencia a los UV mucho más débil que la estructura trasera.
El probador IV sin contacto de Millennial Solar proporciona pruebas no destructivas sin consumibles y una velocidad de medición de nivel milisegundo. Es compatible con diseños de células de contacto posterior y sin barras colectoras y puede obtener parámetros IV, EQE y PL multidimensionales en una sola secuencia de prueba.
Este estudio utilizó espectrometría de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo, o ToF-SIMS, junto con espectroscopía de fotoelectrones de rayos X de perfil en profundidad, o XPS, para rastrear la distribución elemental y los cambios de enlaces químicos en las capas de Al₂O₃/SiNₓ antes y después de la exposición 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 estructuras de muestra simétricas. La estructura frontal fue SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. La estructura trasera incluía capas de SiOₓ/n⁺-poly-Si. El envejecimiento UV se llevó a cabo 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⁺-poly-Si |
| Fuente UV | Principalmente UV-A, con aproximadamente un 11% de UV-B |
| Temperatura de prueba | 60°C |
| Humedad relativa | 30% |
| Dosis UV máxima reportada | 60 kWh·m⁻², identificado como UV60 |
| Métodos principales de análisis | ToF-SIMS y XPS de perfil en profundidad |
Irradiancia espectral de la fuente de luz ultravioleta.
Resistencia a los rayos UV de las estructuras frontal y trasera
Millennial Solar
Cambios en las muestras simétricas de estructura frontal y trasera durante la exposición a UV: (a) tiempo de vida efectivo de los portadores, 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 a UV. Su capa de poly-Si de 120 nm absorbió casi toda la radiación UV incidente y proporcionó una protección eficaz a la interfaz subyacente.
La estructura frontal simétrica se degradó mucho más severamente:
La vida media efectiva de los portadores, 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.
J₀ unilateral 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 del enlace N–H es otra fuente importante de hidrógeno junto con la disociación del enlace Si–H.
Parte del hidrógeno liberado se difundió hacia la superficie de SiNₓ y se unió de nuevo con el 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 del enlace Al–O se difundió hacia afuera desde la película de Al₂O₃.
La energía del 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 vacantes de oxígeno con carga negativa pueden reducir la energía de activación para romper los enlaces Al–O adyacentes a alrededor de 2,4 eV. Un fotón ultravioleta de 400 nm transporta aproximadamente 3,1 eV, lo que 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 a UV60, incluidos los enlaces N–Si ajustados a 397,5 eV y los enlaces N–H a 399,5 eV.
Los resultados de XPS de O 1s mostraron una conversión de oxígeno de red, identificado como OI, hacia componentes relacionados con vacantes 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 de Si²⁺ y una disminución de estados de oxidación del silicio más altos. Los electrones liberados durante la formación de vacantes 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 generalizado a la película de Al₂O₃ en lugar de una única 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 a UV60.
La reflectancia permaneció casi sin cambios después de la exposición a 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 del contacto frontal de la célula solar TOPCon durante la exposición a UV60.
La resistividad del 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 vinculado al hidrógeno y oxígeno móviles generados dentro de las capas de pasivación. Estas especies difunden hacia la interfaz del electrodo y participan en reacciones de oxidación-reducción.
La radiación UV también puede convertir las moléculas de agua en la superficie de plata en radicales hidroxilo. En conjunto, 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 a UV60: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; y (d) eficiencia.
Las pérdidas eléctricas finales se distribuyeron entre 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 de la resistividad del 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 a UV60.
La estructura frontal de SiNₓ/Al₂O₃ de la célula solar TOPCon tiene, por lo tanto, una resistencia a los rayos ultravioleta mucho menor que la estructura trasera. Bajo la exposición a 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 el hidrógeno y el oxígeno actúan juntos para intensificar la recombinación superficial. El aumento acompañante de la resistividad del 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 de TOPCon y mejorar la fiabilidad a largo plazo de las pilas de pasivación del lado frontal.
Ooitech cree: las uniones de recombinación de nanocristales de In₂O₃ con ingeniería de superficie combinadas con la ingeniería de HSM en volumen/interfaz han llevado los módulos tándem totalmente de perovskita de gran área a una eficiencia certificada del 26,2 %, acercando decisivamente esta tecnología a la comercialización.
El punto clave es que el UVID de 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 conjuntamente, especialmente al cualificar procesos de producción de módulos para servicio exterior prolongado. El seguimiento de IV sin contacto, EQE y PL puede ayudar a identificar estas pérdidas antes sin añadir daño por contacto mecánico a diseños de células cada vez más delicados.
Relacionado: TOPCon UVID y la división r-UVID / ir-UVID separa la pérdida que devuelve un light soak de la pérdida que permanece.
Lecturas adicionales y datos de contexto
Material de referencia público sobre este tema, publicado por las organizaciones que mantienen la hoja de ruta tecnológica y los datos de mercado del sector:
