Células TOPCon bajo calor húmedo: por qué falla primero la parte trasera
Tabla de Contenidos
Introducción
TOPCon ha dominado la mayor parte del mercado de c-Si de alta eficiencia, pero la fiabilidad a largo plazo en campo sigue siendo un objetivo en movimiento. Un punto débil aparece repetidamente en los estudios de calor húmedo: la pila de pasivación trasera. Un estudio reciente (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) determinó qué sale mal cuando las sales de sodio se depositan en la superficie de la célula y permanecen bajo 85°C/85% HR. La versión corta: la capa trasera de SiNₓ es el punto débil, y una fina película de AlOₓ por ALD soluciona la mayor parte del problema.
Hallazgos clave de inmediato
La capa trasera de SiNₓ es el punto débil ante el calor húmedo. El acetato de sodio (CH₃COONa) redujo el voltaje de circuito abierto (Voc) trasero en un 5.8% y aumentó la resistencia en serie (Rₛ) en un 450%.
Las sales de sodio aceleran la oxidación superficial y la pérdida de nitrógeno. XPS mostró que la relación atómica Si/N trasera saltó de 1.3 a 23, y O/N de 1.6 a 53.
Una barrera de Al₂O₃ de 10 nm por ALD marcó una gran diferencia: la pérdida de PCE bajo contaminación con CH₃COONa se redujo del 16% a solo el 0.4%.
La pasivación frontal es mucho más resistente. La multicapa AlOₓ/SiOᵧNᵣ bloquea la difusión de sodio, por lo que la contaminación allí costó solo un 0.87% de PCE.
Los dos contaminantes actúan de manera diferente: el acetato de sodio ataca el contacto metálico, mientras que el cloruro de sodio (NaCl) oxida principalmente la capa de pasivación.
Antecedentes
La pregunta central es simple de plantear, pero más difícil de responder: ¿por qué las células TOPCon pierden rendimiento bajo calor húmedo cuando hay sales de sodio presentes, y por qué la pasivación trasera se ve más afectada (Kyranaki et al., 2022)?
Dónde están las lagunas
La mayoría de los trabajos previos se centraron en la corrosión de contactos metálicos (Iqbal et al., 2023), pero nadie había analizado sistemáticamente la descomposición química de la propia capa de pasivación. Las estructuras frontal y trasera están construidas de manera diferente — la frontal es AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, la trasera es SiNₓ sobre poli-Si dopado — y su resistencia a la corrosión nunca se había comparado directamente (Feldmann et al., 2014). Además, se pensaba que los dos contaminantes comunes (CH₃COONa vs. NaCl) se comportaban igual, pero no es así (Li et al., 2021).
Acertar en esto es importante por el dinero real. Las plantas fotovoltaicas se venden con una promesa de vida útil de 25 años (Peters et al., 2021), y un modo de fallo en la parte trasera que aparece bajo humedad es exactamente el tipo de cosa que reduce esa vida útil.
Enfoque
El flujo de trabajo se mantuvo cercano a un flujo de producción real: células TOPCon industriales → pulverización local de sal de sodio en la superficie frontal o trasera → calor húmedo acelerado (85°C/85% HR) → caracterización eléctrica y química → prueba de una barrera de AlOₓ por ALD → determinar el mecanismo de protección.
Novedades
En el aspecto teórico, este es el primer estudio que señala la pérdida de nitrógeno en la capa trasera de SiNₓ como el principal impulsor de la caída de Voc. En el aspecto práctico, la capa de 10 nm de AlOₓ se deposita con equipos ALD industriales estándar y solo cuesta aproximadamente un 0.01% en eficiencia absoluta. Y metodológicamente, el equipo construyó una prueba DH a nivel de célula donde 20 horas equivalen a varios años de envejecimiento en exteriores (Sen et al., 2023).
La cadena lógica es fácil de seguir: la contaminación trasera causa una fuerte caída de Voc, lo que apunta directamente a una falla de pasivación. Luego, XPS confirma la reacción de oxidación del SiNₓ y la ruta de difusión de sodio que abre. Agregue la capa de AlOₓ, bloquee el sodio, y la imagen PL confirma que los defectos se suprimen.
Métodos
Preparación de muestras
| Elemento | Detalle |
|---|---|
| Estructura de celda | TOPCon tipo n. Frontal: emisor difundido con boro + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC. Trasera: SiO₂/poli-Si dopado con fósforo + SiNₓ, ARC |
| Contaminante | Solución de CH₃COONa o NaCl 0.155 mol/L, 0.3 g por muestra, pulverización local |
| Barrera ALD | 10 nm de AlOₓ, depositado a 150°C (Leadmicro QL200) |
| Calor húmedo | 85°C/85% HR, 20 horas (cámara ambiental ASLi) |
Cómo se midió
Parámetros I-V (Pmax, Voc, FF, Jsc) mediante el sistema LOANA (pv-tools).
Calidad de pasivación a través del tiempo de vida efectivo de portadores minoritarios (τ_eff).
Química superficial mediante XPS y SEM-EDS.
Resultados y discusión
Degradación eléctrica
La parte trasera es claramente la sensible. CH₃COONa en la parte trasera redujo Voc en un 5.8 %, aumentó Rₛ en un 450 % (Tabla 1) y redujo la intensidad de PL en un 37.3 % (Fig. 3a). El mismo tratamiento en la parte delantera costó solo un 0.87 % de PCE. La misma sal, resultado muy diferente según la cara que golpee.
Descomposición química de la pasivación
XPS en la superficie trasera mostró que la fracción de enlace Si-O se disparó (Fig. 5b), con la relación atómica O/N pasando de 1.6 en el control a 53 en el grupo CH₃COONa. El mecanismo es pérdida de nitrógeno: el calor húmedo hidroliza el SiNₓ y arruina la pasivación superficial.
Lo que hace la barrera de AlOₓ
Con la capa de AlOₓ de 10 nm por ALD, la pérdida de PCE bajo contaminación trasera con CH₃COONa cayó del 16 % al 0.4 %, y Voc se mantuvo (Fig. 6a). SEM-EDS mostró contenido de sodio reducido en un 86 % en las muestras con AlOₓ (Fig. 6c), y PL no mostró activación de defectos (Fig. 6b). La barrera está haciendo exactamente lo que se desea: mantener el sodio fuera.
Conclusión
Conclusiones principales
La capa trasera de SiNₓ se hidroliza y oxida bajo calor húmedo más sal de sodio, lo que reduce Voc y aumenta Rₛ (respaldado por XPS/EDS, Fig. 4-5). Una capa de AlOₓ de 10 nm bloquea la difusión de sodio y mantiene la pérdida de PCE en DH85 por debajo del 1 % (Fig. 6a). Y la multicapa frontal de AlOₓ/SiOᵧNᵣ es intrínsecamente resistente a la corrosión, por lo que la contaminación allí apenas se registra.
Por qué es útil
La barrera de AlOₓ puede integrarse directamente en la producción en masa de TOPCon en herramientas como la Leadmicro QL200. Mirando más allá, combinar AlOₓ con SiNₓ en el encapsulado de módulos de doble vidrio podría extender la vida útil de las plantas en regiones húmedas.
Un poco de contexto
Estructura TOPCon: un óxido túnel (SiO₂) más un contacto pasivante de poli-Si dopado, que reduce la recombinación en el metal (Feldmann et al., 2014).
ALD: crecimiento de nano-capas capa por capa, dando una cobertura uniforme de AlOₓ a escala nanométrica.
Pruebas DH: envejecimiento acelerado a 85 °C/85 % HR para simular la degradación de módulos en climas húmedos.
Pasivación con SiNₓ: nitruro de silicio hidrogenado, bueno para antirreflejos y pasivación superficial, pero tiene enlaces colgantes y se hidroliza fácilmente.
Referencias
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., Contactos traseros pasivados para células solares de silicio tipo n de alta eficiencia, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.
Li X. et al., Pruebas aceleradas de calor húmedo en células TOPCon usando NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.
Peters I.M. et al., El valor de la estabilidad en la fotovoltaica, Joule 5 (2021) 3137–3153.
Opinión de Ooitech
Lo que destaca aquí es cuánto de la historia de confiabilidad reside en la pila de pasivación trasera, no en el diseño principal de la célula. En una línea real, un paso adicional de 10 nm de ALD AlOₓ es un seguro económico para proyectos en climas húmedos, y se integra en la producción estándar de módulos sin mucha complicación. Construimos líneas de módulos llave en mano de principio a fin, por lo que seguimos de cerca hallazgos como este: pequeños ajustes en el proceso aguas arriba a menudo deciden si una planta se mantiene durante 25 años. Si desea más información desde la fábrica, el canal de YouTube de Ooitech (www.youtube.com/ooitech) vale la pena seguir.
