Células TOPCon bajo calor húmedo: por qué
Índice
Respuesta rápida: TOPCon se ha hecho con la mayor parte del mercado de silicio cristalino de alta eficiencia, y la cuestión abierta ya no es la eficiencia, sino cómo se comporta la célula tras años en el campo bajo calor húmedo. El ensayo acelerado estándar se realiza a 85 °C y 85% de humedad relativa — DH85 —, diseñado para introducir humedad en el encapsulante y la pila de la célula más rápido de lo que lo harían las condiciones de campo. La estructura en capas importa aquí: un óxido túnel de alrededor de 10 nm bajo una capa de polisilicio dopado es lo bastante fino como para que la química de la interfaz, y no el material en volumen, decida la fiabilidad. Las temperaturas de laminación cercanas a 150 °C y la propia permeabilidad a la humedad del encapsulante alimentan la misma ruta de fallo. Las herramientas de caracterización de la clase QL200 se utilizan para rastrear qué le hace la exposición al calor húmedo a la pasivación, en lugar de solo si la potencia cayó.
Fabricación de módulos fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech
Introducción
TOPCon se ha hecho con la mayor parte del mercado de c-Si de alta eficiencia, pero la fiabilidad a largo plazo en el campo sigue siendo un objetivo móvil. Un punto débil sigue apareciendo 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 es lo que realmente falla cuando las sales de sodio se depositan en la superficie de la célula y permanecen a 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.
Hallazgos clave por adelantado
La capa trasera de SiNₓ es el punto débil frente al calor húmedo. El acetato de sodio (CH₃COONa) redujo el voltaje de circuito abierto trasero (Voc) un 5,8% y elevó la resistencia en serie (Rₛ) un 450%.
Las sales de sodio aceleran la oxidación superficial y la pérdida de nitrógeno. El XPS mostró que la relación atómica Si/N trasera saltó de 1,3 a 23, y la de O/N de 1,6 a 53.
Una barrera de Al₂O₃ por ALD de 10nm marcó una gran diferencia: la pérdida de PCE bajo contaminación con CH₃COONa cayó del 16% a solo el 0,4%.
La pasivación frontal es mucho más resistente. La multicapa de AlOₓ/SiOᵧNᵣ bloquea la difusión del sodio, por lo que la contaminación allí solo costó un 0,87% de PCE.
Los dos contaminantes actúan de forma diferente: el acetato de sodio ataca el contacto metálico, mientras que el cloruro de sodio (NaCl) principalmente oxida la capa de pasivación.
Antecedentes
La pregunta central es fácil de enunciar, 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 del contacto metálico (Iqbal et al., 2023), pero nadie había examinado sistemáticamente la degradación química de la propia capa de pasivación. Las pilas frontal y trasera están construidas de forma 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, y no lo hacen (Li et al., 2021).
Acertar con esto importa por dinero real. Las plantas fotovoltaicas se venden con la promesa de una vida útil de 25 años (Peters et al., 2021), y un modo de fallo en la cara trasera que aparece bajo humedad es exactamente el tipo de cosa que se come eso.
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 → probar una barrera de AlOₓ por ALD → determinar el mecanismo de protección.
Qué hay de nuevo aquí
En el plano 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 plano práctico, la capa de AlOₓ de 10nm funciona con equipos ALD industriales estándar y solo cuesta alrededor del 0,01% en eficiencia absoluta. Y metodológicamente, el equipo construyó un ensayo DH a nivel de célula en el que 20 horas representan 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, que apunta directamente a un fallo de pasivación. El XPS confirma entonces la reacción de oxidación del SiNₓ y la ruta de difusión de sodio que abre. Añade la capa de AlOₓ, bloquea el sodio, y las imágenes de PL confirman que los defectos se suprimen.
Métodos
Preparación de muestras
| Elemento | Detalle |
|---|---|
| Estructura de la célula | TOPCon de 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 | AlOₓ de 10nm, depositada 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 mediante el tiempo de vida efectivo de portadores minoritarios (τ_eff).
Química superficial mediante XPS y SEM-EDS.
Resultados y discusión
Degradación eléctrica
La cara trasera es claramente la sensible. El CH₃COONa en la parte trasera redujo el Voc un 5,8%, elevó la Rₛ un 450% (Tabla 1) y recortó la intensidad de PL un 37,3% (Fig. 3a). El mismo tratamiento en la parte frontal solo costó un 0,87% de PCE. La misma sal, resultado muy diferente según la cara que golpea.
Degradación química de la pasivación
El XPS en la superficie trasera mostró que la fracción de enlaces Si-O se disparaba (Fig. 5b), con la relación atómica O/N pasando de 1,6 en el control a 53 en el grupo con CH₃COONa. El mecanismo es la pérdida de nitrógeno: el calor húmedo hidroliza el SiNₓ y destruye la pasivación superficial.
Qué hace la barrera de AlOₓ
Con el AlOₓ por ALD de 10nm en su sitio, la pérdida de PCE bajo contaminación trasera con CH₃COONa cayó del 16% al 0,4%, y el Voc se mantuvo (Fig. 6a). El SEM-EDS mostró un contenido de sodio reducido un 86% en las muestras con AlOₓ (Fig. 6c), y la PL no mostró activación de defectos (Fig. 6b). La barrera hace exactamente lo que se querría: 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 el Voc y eleva la Rₛ (respaldado por XPS/EDS, Fig. 4-5). Una capa de AlOₓ de 10nm bloquea la difusión del 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 nota.
Por qué es útil
La barrera de AlOₓ puede pasar directamente a la producción en masa de TOPCon en herramientas como la Leadmicro QL200. A más largo plazo, combinar AlOₓ con SiNₓ en la encapsulación de módulos de doble vidrio podría prolongar 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-películas capa por capa, que proporciona una cobertura uniforme de AlOₓ a escala nanométrica.
Prueba DH: envejecimiento acelerado a 85°C/85% HR para simular la degradación del módulo en climas húmedos.
Pasivación con SiNₓ: nitruro de silicio hidrogenado, bueno para la anti-reflexión y la pasivación superficial, pero presenta enlaces libres 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., 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 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.
Lo que destaca aquí es cuánto de la historia de fiabilidad reside en la pila de pasivación trasera, no en el titular del diseño de la célula. En una línea real, un paso adicional de ALD AlOₓ de 10nm es un seguro barato para proyectos en climas húmedos, y se integra en la producción estándar de módulos sin complicaciones. Construimos líneas de módulos llave en mano de principio a fin, por lo que seguimos de cerca hallazgos como este: pequeños ajustes de proceso aguas arriba a menudo deciden si una planta resiste 25 años. Si quieres más desde el taller de fábrica, el canal de YouTube de Ooitech (www.youtube.com/ooitech) .
