UVID en células solares TOPCon: Pruebas IV sin contacto
Índice
Respuesta rápida: La investigación sobre UVID en células TOPCon utiliza pruebas IV sin contacto porque la degradación se desarrolla con el tiempo de exposición y la propia medición no debe alterar lo que se está midiendo. Sondear una célula para tomar una lectura IV daña ligeramente la metalización, lo que se acumularía a lo largo de mediciones repetidas y haría ilegible la curva de degradación. Los métodos sin contacto leen la célula ópticamente, por lo que la misma muestra puede seguirse a través de una secuencia de exposición UV. Las condiciones de estrés en este trabajo utilizan exposición UV a 60 °C en los rangos espectrales de 120 nm, 400 nm y 500 nm, con muestras designadas UV60. La ventaja de TOPCon sobre arquitecturas anteriores proviene de su pasivación superficial y selectividad de portadores, y la UVID es el mecanismo que ataca exactamente esas propiedades, por lo que se monitorea por separado del rendimiento frente a humedad-calor.
Fabricación de módulos fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech
Introducción
TOPCon las células solares ahora dominan el mercado fotovoltaico gracias a una fuerte pasivación superficial y contactos selectivos de portadores. Pero la operación en exteriores expone un punto débil real: la degradación inducida por UV, o UVID. Tras la irradiación UV60, la eficiencia cae hasta un 6,72%.
La mayoría de los trabajos anteriores atribuían la UVID a que los fotones de alta energía rompen los enlaces Si–H y liberan hidrógeno libre. Eso es solo parte de la historia. El espectro UV solar abarca un amplio rango de energía de 3,1–4,43 eV, por lo que su interacción con las capas de la superficie frontal va mucho más allá de una única vía de ruptura de Si–H. Y la pila frontal de Al₂O₃ / SiNₓ es mucho más débil frente a la UV que el lado trasero.
Un probador IV sin contacto ayuda mucho aquí. Es no destructivo, no usa consumibles, funciona a velocidad de milisegundos, es compatible con diseños BC y sin busbar, y obtiene parámetros IV, EQE y PL en una sola toma.
Este estudio utiliza ToF-SIMS y XPS con perfilado en profundidad para rastrear la distribución de elementos y los cambios en los enlaces químicos en las capas de 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 la UV y generan una gran cantidad de vacantes de oxígeno. Los mecanismos de hidrógeno y oxígeno se acumulan y empeoran la recombinación superficial, dando una dirección clara para mejorar la fiabilidad 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 UV se llevó a cabo a nivel de módulo. La fuente de luz fue principalmente UV-A con aproximadamente un 11% de UV-B, bajo 60°C y 30% de humedad.
Irradiancia espectral de la fuente de luz UV
Estructura frontal vs trasera: comparación de resistencia a la UV
Cambios en (a) τeff a una concentración de portadores de inyección 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 UV
La estructura trasera simétrica apenas se degradó tras 60 kWh·m⁻² de exposición UV. Su capa de poly-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. La J₀ de un solo lado se disparó hasta 18,4 fA·cm⁻², aproximadamente el triple del valor inicial. La pasivación de Al₂O₃ / SiNₓ se degradó fuertemente.
Evolución de la composición química
Perfiles de profundidad de intensidad de (a) hidrógeno y (b) oxígeno en la muestra simétrica pulida de estructura frontal antes y después de UV60, medidos por ToF-SIMS
ToF-SIMS muestra que la concentración de hidrógeno aumenta claramente tras la exposición UV, especialmente dentro de la capa de SiNₓ. El perfilado en profundidad XPS de N 1s muestra que en la interfaz SiNₓ / Al₂O₃, la fracción de enlaces N–H cayó del 9,64% al 5,97%. Así, 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 del SiNₓ y se recombinan con el silicio allí, que es por lo que 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 que los enlaces Al–O se rompen y el oxígeno libre migra hacia afuera. La energía del enlace Al–O en un cristal ideal es de aproximadamente 5,3 eV. Pero en el Al₂O₃ amorfo, los iones de aluminio subcoordinados y las vacantes de oxígeno atrapan electrones y se vuelven cargados negativamente, 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 en 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 la conversión de oxígeno de red (OI) 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 desde estados de oxidación superiores. En conjunto, estos cambios en los enlaces de oxígeno, aluminio y silicio muestran que la calidad de la película de Al₂O₃ ya se ha deteriorado.
Degradación del rendimiento eléctrico
Curvas de EQE y reflectancia de la célula solar TOPCon antes y después de UV60
Cambio en la resistividad del contacto frontal de la célula solar TOPCon durante la exposición UV60
La reflectancia se mantuvo básicamente sin cambios tras UV60. La EQE mostró una caída moderada en la región de longitud de onda corta por debajo de 500 nm, coincidiendo con una mayor recombinación en la superficie frontal. La resistividad del contacto frontal aumentó casi linealmente con la dosis UV, alcanzando 4,1 mΩ·cm², aproximadamente 8,6 veces mayor. La causa: el hidrógeno y el oxígeno libres generados en la capa de pasivación se difunden a la interfaz del electrodo y participan en reacciones redox. La 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 de la superficie frontal y el aumento de J₀. FF cayó un 2,82%, impulsado por una mayor resistividad del 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 fotovoltaica llegó al 6,72%.
Conclusión
La estructura frontal de SiNₓ/Al₂O₃ de las células TOPCon es mucho más débil frente a la radiación UV que la estructura trasera. Bajo radiación 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 la radiación 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, el de hidrógeno y el de oxígeno, se acumulan y empeoran la recombinación superficial. Súmese el fuerte aumento de la resistividad del contacto frontal y el resultado es una pérdida de eficiencia del 6,72 %. El trabajo ofrece una referencia útil para comprender el UVID de las células TOPCon y para mejorar la fiabilidad a largo plazo de las capas de pasivación.
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 UVID sigue demostrando que la estructura frontal es donde realmente se pone a prueba la fiabilidad, por lo que la forma de construir y controlar la deposición y el encapsulado de SiNₓ/Al₂O₃ en una línea de módulos importa tanto como la receta de la célula. En nuestras líneas de módulos TOPCon y PERC llave en mano vemos la misma lección repetirse en el apilado, el laminado y el lado de EL: pequeñas decisiones de proceso determinan si los paneles resisten a la intemperie durante años. Si quieres más opiniones prácticas desde el taller, el canal de YouTube de Ooitech en www.youtube.com/ooitech merece un seguimiento.
Relacionado: TOPCon UVID y la división r-UVID / ir-UVID explica por qué el mismo módulo se lee de manera diferente según cuándo se tome la medición.
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:
