تدهور درجة الحرارة وديناميكيات LeTID
جدول المحتويات
إجابة سريعة: تنقل الخلايا المتشابكة ذات التلامس الخلفي كلا قطبي التلامس إلى الخلف، ويختلف السلوك الحراري لهذه البنية عن خلية ذات تلامس أمامي. يغطي هذا التحليل التدهور الحراري والتدهور الناجم عن الضوء ودرجات الحرارة المرتفعة، أو LeTID، في خلايا IBC عبر ظروف تتراوح من 25 °C حتى 85 °C، مع قيم جهد الدائرة المفتوحة المبلغ عنها حول 0.743 V و0.69 V للبنى المقارنة. هذا النوع من التدهور قابل للاسترداد جزئياً، مما يجعله عرضة للقراءة الخاطئة: فالخلية التي تتعافى بعد إزالة الإجهاد قد تكون قد فقدت أداءها بشكل دائم، والاختبار الذي يسجل الرقم النهائي فقط لا يمكنه الفصل بين الحالتين. درجة حرارة القياس لا تقل أهمية عن درجة حرارة الإجهاد، لأن كلاً من التدهور والتعافي ينشطان حرارياً.
تصنيع وحدات PV · بقلم جيري، Ooitech
مقدمة المنتج
تنقل الخلايا الشمسية ذات التلامس الخلفي المتداخل (IBC) كلا التلامسين المعدنيين للقطبية إلى الخلف. لا تحمل الواجهة الأمامية أي تظليل من الخطوط الشبكية، لذا تأتي المزايا البصرية للتنميق وطلاء مضاد الانعكاس بكامل قوتها. إلى جانب التخميل الجيد وعملية التلامس، يمكن أن تصل خلايا IBC من النوع n إلى جهد دائرة مفتوحة وكثافة تيار عالية جدًا.
المقايضة هي حساسية هيكلية مدمجة في التصميم. يجب أن تنتقل حاملات الشحنة الأقلية المولدة ضوئيًا جانبيًا عبر القاعدة قبل أن يتمكن الباعث المتداخل الخلفي من جمعها. يعتمد أداء الجهاز بشكل كبير على عمر الحاملات في الكتلة وجودة التخميل الخلفي. بمجرد أن يتم تنشيط إعادة التركيب في الواجهة الخلفية أو تسرب التلامس حراريًا، ترتفع كثافة تيار التشبع المظلم J0 بشكل غير متناسب، ويتأثر Voc.
هذه هي نقطة الدخول بالضبط لهذا العمل. على خلية IBC من النوع n، يتم وضع ثلاث مجموعات من الأدلة في نفس البيئة الحرارية بحيث تقفل معًا: قياسات J-V المضيئة من 25 إلى 85 درجة مئوية، تجربة إجهاد LeTID تعمل تحت شمس واحدة عند 45 إلى 85 درجة مئوية لمدة تصل إلى 960 دقيقة، وتحليل I-V المظلم على نفس نطاق درجة الحرارة.
التصميم التجريبي
مخطط مقطع عرضي لخلية IBC من النوع n: تلامسات خلفية متداخلة من الباعث p+ و BSF n+، تنميق أمامي و ARC.
تبلغ مساحة الخلية الاختبارية 258.3 سم²، وسمك الرقاقة 151 ± 6 ميكرومتر، وفترة التداخل الخلفي حوالي 480 ميكرومتر، وعرض أصابع الباعث و BSF حوالي 250 ميكرومتر و 90 ميكرومتر. أجريت القياسات المضيئة عند AM1.5G، 100 ميجاواط/سم². عند كل نقطة درجة حرارة، بعد الاستقرار الحراري، تم حساب متوسط خمسة مسحات. تم قياس إجهاد LeTID مباشرة عند درجة حرارة الإجهاد، دون تبريد في منتصف الاختبار، وتم تسجيله على فترات أسية من 1، 2، 4، 8 دقائق وهكذا. تم تطبيع كل معلمة إلى قيمتها الأولية، مما يفصل ديناميكيات التدهور الجوهرية عن تأثير معامل درجة الحرارة اللحظي.
الحساسية الحرارية للحالة المستقرة
التطور الحراري المعياري لأربعة معاملات نسبة إلى قيمها عند 25 درجة مئوية.
عند 25 درجة مئوية، تُظهر الخلية تيار دائرة قصر (Jsc) حوالي 38.6 مللي أمبير/سم²، وجهد دائرة مفتوحة (Voc) حوالي 0.743 فولت، وعامل تعبئة (FF) حوالي 79%، وكفاءة حوالي 22.7%. عند التسخين إلى 85 درجة مئوية، يرتفع تيار Jsc بنسبة 3% فقط (+0.0203 مللي أمبير·سم⁻²·ك⁻¹، أي حوالي +0.05%/ك). ينخفض جهد Voc خطيًا بمعدل −1.4 مللي فولت/ك (حوالي −0.2%/درجة مئوية). تنخفض الكفاءة حوالي 9%، بينما يتحرك عامل FF بالكاد.
الزيادة الصغيرة في التيار تأتي من تضييق فجوة النطاق. وفقًا لعلاقة فارشني، تنتقل حافة الامتصاص نحو أطوال موجية أطول، مما يعزز التوليد الضوئي قليلاً. الانخفاض السريع في الجهد يأتي من النمو الأسي لتيار التشبع العكسي J0(T)، المتحكم فيه بتركيز الحاملات الجوهرية ونشاط إعادة التركيب. يتناسب جهد Voc مع ln(Jsc/J0)، لذا فإن الارتفاع المعتدل في J0 يكفي لإحداث خسارة قابلة للقياس.
يقع معامل درجة الحرارة هذا في نطاق −1.3 إلى −1.6 مللي فولت/ك الشائع في أجهزة السيليكون البلورية عالية الجودة. إنه يميز خلية محدودة بإعادة التركيب وليس محدودة بالمقاومة أو النقل. بعد التطبيع، يكون الترتيب واضحًا بنفس القدر: عند 85 درجة مئوية، ينخفض جهد Voc حوالي 15%، والكفاءة حوالي 9%، ويبقى FF ضمن ±1%، بينما يكتسب Jsc حوالي 3% فعليًا.
ديناميكيات LeTID
ديناميكيات تدهور LeTID.
القياس في الحالة المستقرة يجيب فقط على سؤال "كم الحرارة؟". تجربة إجهاد LeTID تملأ الفراغ حول "كيف يتغير مع الوقت؟". عند 85 درجة مئوية، ينخفض جهد Voc بسرعة في أول 10 إلى 30 دقيقة، ثم يقترب ببطء من شبه تشبع. عند درجات حرارة أقل، يكون الانحلال ألطف بكثير. بعد 960 دقيقة، ينخفض جهد Voc إلى حوالي 0.69 فولت، ويبقى Jsc ضمن ±2% طوال الوقت، ويتذبذب FF قليلاً، ولا يظهر أي تجدد داخل نافذة التجربة. نظرًا لأن القياسات أُخذت عند درجة حرارة الإجهاد بعد الاستقرار الحراري، يجب أن يُعزى الانخفاض المبكر في الجهد إلى التنشيط السريع لحالات العيوب وليس إلى التوازن الحراري العابر. استقرار Jsc يشير إلى أن التوليد الضوئي واستخراج الدائرة القصيرة لم يتأثرا، لذا فإن الخسارة السائدة ليست محدودة بالتوليد. يلاحظ المؤلفون أيضًا قيدًا: لا توجد تجربة تحكم بالمعالجة الحرارية في الظلام، لذا لا يمكن استبعاد مساهمة تأثير حراري بحت تمامًا.
التحقق في الحالة المظلمة
السلوك الكهربائي المظلم وقنوات التسريب: (أ) منحنيات J-V المظلمة، (ب) المقاومة التفاضلية، (ج) مقاومات التحويل والتسلسل المستخرجة، (د) تحليل أرينيوس لموصلية التحويل معطياً Ea ≈ 1.10 إلكترون فولت.
يقترب منحنى I-V الداكن من المشكلة نفسها من خارج نطاق الإضاءة. يزداد التيار الأمامي بشكل ملحوظ مع درجة الحرارة. يُظهر ميل الجهد المنخفض انخفاض مقاومة التحويل بوضوح، بينما يتغير نطاق التيار العالي قليلاً. لذا فإن تطور المقاومة الناتج عن درجة الحرارة يهيمن عليه تنشيط التسرب، وليس تدهور المقاومة التسلسلية. يبقى معامل المثالية عند 1.05 إلى 1.25، مما يعني أن إعادة التركيب الانتشارية هي السائدة، مع احتمال مساهمة SRH عند درجات الحرارة المرتفعة.
يعطي تحليل أرينيوس لموصلية التحويل ملاءمة خطية جيدة لـ ln(1/Rsh) مقابل 1/T (R² = 0.97)، مع طاقة تنشيط تبلغ 1.10 ± 0.08 إلكترون فولت. وهذا مشابه لفجوة نطاق السيليكون (حوالي 1.12 إلكترون فولت) ويقع ضمن نطاق LeTID المبلغ عنه من 0.8 إلى 1.2 إلكترون فولت. غالبًا ما ترتبط طاقة التنشيط بمقياس فجوة النطاق بالتوصيل بمساعدة العيوب العميقة المستويات، ولكن لا يمكن استبعاد مساهمة تركيز الناقلات الجوهرية. لذا فهو يدعم سلوك التسرب المنشط حراريًا دون تحديد نوع عيب معين.
إطار موحد واستقراء ميداني
تتقارب ثلاثة خطوط من الأدلة في إطار ظاهري واحد: J0(t, T) = J0,intr(T) + A·Ndef(t, T). فوق تيار التشبع الجوهري توجد مساهمة عيب منشطة حراريًا تتطور مع الوقت ودرجة الحرارة. يتحول هذا بعد ذلك إلى فقدان جهد من خلال Voc = (nkT/q)·ln(Jsc/(J0 + 1)). يعمل تعزيز إعادة التركيب وتنشيط التسرب بالتوازي داخل نفس التعبير. وبالتالي، يرتبط معامل درجة الحرارة في الحالة المستقرة وديناميكيات LeTID وتطور التسرب الداكن معًا. لا يحدد الإطار هوية عيب محددة.
بالاستقراء إلى التشغيل الخارجي: تحت الإشعاع العالي، غالبًا ما تتراوح درجات حرارة خلايا الوحدة بين 50 و65°C. باستخدام −1.4 mV/K، يعني 60°C نسبةً إلى 25°C حوالي 49 mV من فقدان الجهد، ويضيف LeTID المعجَّل حراريًا فقدانًا يعتمد على الزمن فوق ذلك. تنطبق الاستنتاجات فقط على الخلية المقاسة. بالنسبة للخلايا الخلفية TOPCon وHJT ذات التلامس الخلفي فهي مرجع نوعي فقط: يعتمد مقدار التدهور وطاقة التنشيط وديناميكيات التجديد على مخطط التلامس السلبي لكل منها، وجودة الواجهة، وتوزيع الهيدروجين، والاستقرار الحراري، وتستحق دراسة مقارنة مخصصة. بالنسبة لأجهزة التلامس الخلفي عالية الكفاءة في المناخات الدافئة، تعتمد متانة الجهد وإنتاج الطاقة على المدى الطويل في النهاية على استقرار التخميل الخلفي وإدارة العيوب.
رؤية Ooitech
ما يلفت انتباهنا هنا هو مقدار فقدان الـ 49 mV في الهواء الطلق الذي يتركز على الجانب الخلفي، حيث تحدد جودة التخميل والتلامس استمرارية Voc على المدى الطويل. على خط الوحدات، القصة نفسها: طريقة القص، والتوصيل، والتغليف لخلية IBC تحدد ما إذا كانت استقرارية الجانب الخلفي ستبقى في الميدان. وبما أننا بنينا خطوط تسليم مفتاح لتصاميم IBC وHPBC، نرى متانة LeTID كمسألة عملية ومواد بقدر ما هي مسألة خلية. يستحق المتابعة على قناتنا على يوتيوب www.youtube.com/ooitech إذا كنت تريد رؤية كيفية بناء وحدات التلامس الخلفي فعليًا.
