UVID en celdas solares TOPCon: Pruebas IV sin contacto rastrean la degradación de la pasivación y una pérdida de eficiencia del 6.72%

Introducción

Las células solares TOPCon ahora dominan el mercado fotovoltaico gracias a la fuerte pasivación superficial y los contactos selectivos de portadores. Pero la operación al aire libre expone un punto débil real: la degradación inducida por UV, o UVID. Después de la irradiación UV60, la eficiencia cae hasta un 6.72%.

La mayoría de los trabajos anteriores culpaban a la UVID por la ruptura de enlaces Si–H por fotones de alta energía y la liberación de hidrógeno libre. Eso es solo parte de la historia. El espectro solar UV abarca un amplio rango de energía de 3.1–4.43 eV, por lo que su interacción con las capas frontales va mucho más allá de una única vía de ruptura de Si–H. Y la pila frontal Al₂O₃ / SiNₓ es mucho más débil contra los UV que el lado trasero.

Un probador IV sin contacto ayuda mucho aquí. Es no destructivo, usa cero consumibles, funciona a velocidad de milisegundos, trabaja con diseños BC y sin busbars, y obtiene parámetros IV, EQE y PL en una sola medición.

Este estudio utiliza ToF-SIMS y XPS con perfilado de profundidad para rastrear la distribución de elementos y los cambios de enlaces químicos en las capas Al₂O₃ / SiNₓ antes y después de UV60. El hallazgo: la ruptura de enlaces N–H es una segunda fuente de hidrógeno junto con Si–H. Los enlaces Al–O en el Al₂O₃ amorfo se rompen por los UV y generan una gran cantidad de vacancias de oxígeno. Los mecanismos de hidrógeno y oxígeno se acumulan y empeoran la recombinación superficial, dando una dirección clara para mejorar la confiabilidad de la pasivación.

Método Experimental

(a) Esquema de la estructura de la célula solar TOPCon (b) muestra simétrica de estructura frontal (c) muestra simétrica de estructura trasera

Se prepararon muestras simétricas de estructura frontal (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) y muestras simétricas de estructura trasera (con capa de SiOₓ/n⁺-poly-Si). El envejecimiento por UV se realizó a nivel de módulo. La fuente de luz era principalmente UV-A con aproximadamente 11% de UV-B, a 60°C y 30% de humedad.

Irradiancia espectral de la fuente de luz UV

Estructura Frontal vs Trasera: Resistencia a los UV Comparada

Cambios en (a) τeff a una concentración de portadores inyectados de 1×10¹⁵ cm⁻³, (b) iVoc, y (c) J₀ de un solo lado para muestras simétricas de estructura frontal y trasera durante la exposición a los UV

La estructura trasera simétrica apenas se degradó después de 60 kWh·m⁻² de exposición UV. Su capa de poli-Si de 120 nm de espesor absorbe casi toda la luz UV y proporciona un blindaje eficaz.

La estructura frontal contó una historia diferente. τeff cayó de 2895.6 μs a 1552.8 μs. iVoc bajó de 735.5 mV a 715.2 mV. J₀ de un solo lado se disparó hasta 18.4 fA·cm⁻², aproximadamente tres veces el valor inicial. La pasivación de Al₂O₃ / SiNₓ se degradó gravemente.

Evolución de la composición química

Perfiles de profundidad de intensidad de (a) hidrógeno y (b) oxígeno en la muestra pulida de estructura frontal simétrica antes y después de UV60, medidos por ToF-SIMS

ToF-SIMS muestra que la concentración de hidrógeno aumenta claramente después de la exposición UV, especialmente dentro de la capa de SiNₓ. El perfilado de profundidad por XPS de N 1s muestra que en la interfaz SiNₓ / Al₂O₃, la fracción de enlaces N–H cayó del 9.64% al 5.97%. Por lo tanto, la ruptura de enlaces N–H es la segunda fuente de hidrógeno más allá de Si–H. El hidrógeno liberado se difunde hacia la región superficial de SiNₓ y se recombina con el silicio allí, razón por la cual la fracción de N–H en realidad aumenta cerca de esa superficie.

El oxígeno cuenta una historia igualmente importante. El oxígeno en la capa de Al₂O₃ disminuyó ligeramente, mientras que el oxígeno en las interfaces SiNₓ/Al₂O₃ y Al₂O₃/Si aumentó. Esto apunta a la ruptura de enlaces Al–O y a la migración de oxígeno libre hacia afuera. La energía de enlace Al–O en un cristal ideal es de aproximadamente 5.3 eV. Pero en Al₂O₃ amorfo, los iones de aluminio subcoordinados y las vacantes de oxígeno atrapan electrones y se vuelven negativamente cargados, reduciendo la energía de activación para la ruptura de enlaces Al–O adyacentes a aproximadamente 2.4 eV. Eso significa que la luz UV de 400 nm (3.1 eV) es suficiente para romperlos.

Espectros XPS de perfilado de profundidad de N 1s en diferentes interfaces de la capa de Al₂O₃/SiNₓ antes y después de UV60, con curvas ajustadas para enlaces N–Si (397.5 eV) y N–H (399.5 eV)

El XPS de O 1s muestra oxígeno de red (OI) convirtiéndose en vacantes de oxígeno (OII). En los espectros de Al 2p, la fracción de Al₂O₃ cayó del 69.99% al 60.36% mientras que Al–OH aumentó del 30.01% al 39.64%. En los espectros de Si 2p, Si²⁺ aumentó mientras que el silicio de mayor valencia disminuyó. Los electrones liberados cuando se forman vacantes de oxígeno reducen el silicio de estados de oxidación más altos. En conjunto, estos cambios en los enlaces de oxígeno, aluminio y silicio muestran que la calidad de la película de Al₂O₃ ya ha sufrido.

Degradación del Rendimiento Eléctrico

Curvas de EQE y reflectancia de la célula solar TOPCon antes y después de UV60

Cambio en la resistividad de contacto frontal de la célula solar TOPCon durante la exposición UV60

La reflectancia se mantuvo básicamente sin cambios después de UV60. El EQE mostró una caída moderada en la región de longitud de onda corta por debajo de 500 nm, coincidiendo con una recombinación superficial frontal más fuerte. La resistividad de contacto frontal aumentó casi linealmente con la dosis de UV, alcanzando 4.1 mΩ·cm², aproximadamente 8.6 veces mayor. La causa: el hidrógeno libre y el oxígeno generados en la capa de pasivación se difunden hacia la interfaz del electrodo y participan en reacciones redox. El UV también convierte las moléculas de agua en la superficie de plata en radicales hidroxilo, y juntos corroen el electrodo metálico.

Tasas de degradación del rendimiento eléctrico durante la exposición UV60: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff

Voc cayó un 3.46% relativo, impulsado por la degradación de la pasivación frontal y el aumento de J₀. FF cayó un 2.82%, impulsado por la mayor resistividad de contacto frontal. Jsc solo cayó un 0.64%, ya que la pérdida de EQE en longitud de onda corta fue limitada. La pérdida final de eficiencia de conversión fotoeléctrica fue del 6.72%.

Conclusión

La estructura frontal SiNₓ/Al₂O₃ de las celdas TOPCon es mucho más débil contra el UV que la estructura trasera. Bajo UV, los enlaces Si–H y N–H se rompen en secuencia y liberan hidrógeno libre. Los enlaces Al–O en el Al₂O₃ amorfo se rompen bajo UV, liberando oxígeno libre y creando una gran cantidad de vacantes de oxígeno. El Al₂O₃ se convierte hacia Al–OH y la valencia del silicio cambia. Estos dos mecanismos de degradación, hidrógeno y oxígeno, se acumulan y empeoran la recombinación superficial. Añadiendo el fuerte aumento en la resistividad de contacto frontal, el resultado es una pérdida de eficiencia del 6.72%. Este trabajo ofrece una referencia útil para comprender el UVID en TOPCon y para mejorar la fiabilidad a largo plazo de las capas de pasivación.

Opinión de Ooitech

El UVID sigue demostrando que la pila frontal es donde realmente se pone a prueba la fiabilidad, por lo que la forma de construir y controlar la deposición y encapsulación de SiNₓ/Al₂O₃ en una línea de módulos importa tanto como la receta de la celda. En nuestras líneas llave en mano de módulos TOPCon y PERC vemos la misma lección en el layup, la laminación y el lado EL: pequeñas decisiones de proceso determinan si los paneles resisten al aire libre durante años. Si quieres más vistas prácticas desde la fábrica, el canal de YouTube de Ooitech en www.youtube.com/ooitech vale la pena seguirlo.