دراسة UVID لخلايا TOPCon: اختبار IV غير التلامسي يتتبع تدهور التخميل وفقدان كفاءة بنسبة 6.72%
جدول المحتويات
UVID لخلية TOPCon واختبار IV غير التلامسي
اكتسبت الخلايا الشمسية TOPCon مكانة رائدة في سوق الطاقة الكهروضوئية بفضل تخميل السطح القوي والتلامسات الانتقائية للحامل. ومع ذلك، فإن التشغيل في الهواء الطلق يعرضها للتدهور الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية، أو UVID. في هذه الدراسة، انخفضت كفاءة التحويل بنسبة 6.72% بعد التعرض لـ UV60.
غالبًا ما ربطت الأبحاث السابقة UVID بشكل أساسي بكسر الفوتونات عالية الطاقة لروابط Si-H وإطلاق الهيدروجين المتحرك. يغطي الطيف الشمسي فوق البنفسجي نطاقًا أوسع بكثير من طاقات الفوتون يتراوح بين 3.1–4.43 eV، لذا لا يمكن تفسير تفاعله مع مواد السطح الأمامي بكسر روابط Si-H وحده. كما تُظهر طبقة Al₂O₃/SiNₓ الأمامية مقاومة أضعف بكثير للأشعة فوق البنفسجية مقارنة بالبنية الخلفية.
يوفر جهاز اختبار IV غير التلامسي من Millennial Solar اختبارًا غير مدمر بدون مواد استهلاكية وسرعة قياس بمستوى المللي ثانية. وهو متوافق مع تصميمات الخلايا ذات التلامس الخلفي والخلايا بدون حافلات، ويمكنه الحصول على معلمات IV وEQE وPL متعددة الأبعاد في تسلسل اختبار واحد.
استخدمت هذه الدراسة مطياف كتلة الأيونات الثانوية زمن الطيران، أو ToF-SIMS، مع مطياف الضوء الإلكتروني بالأشعة السينية مع ملف العمق، أو XPS، لتتبع توزيع العناصر وتغيرات الروابط الكيميائية في طبقات Al₂O₃/SiNₓ قبل وبعد التعرض لـ UV60. تُظهر النتائج أن كسر روابط N-H يعمل كمصدر ثانٍ للهيدروجين بالإضافة إلى كسر روابط Si-H. كما يؤدي التعرض للأشعة فوق البنفسجية إلى إتلاف روابط Al-O في Al₂O₃ غير المتبلور، مما يخلق أعدادًا كبيرة من فراغات الأكسجين. تعمل آليات الهيدروجين والأكسجين مجتمعة على زيادة إعادة التركيب السطحي وتوفر أساسًا أوضح لتحسين موثوقية طبقة التخميل.
الطريقة التجريبية
Millennial Solar
(أ) البنية التخطيطية للخلية الشمسية TOPCon؛ (ب) عينة البنية الأمامية المتناظرة؛ (ج) عينة البنية الخلفية المتناظرة.
تم تحضير عينتين متناظرتين. البنية الأمامية كانت SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. تضمنت البنية الخلفية طبقات SiOₓ/n⁺-poly-Si. تم إجراء التقادم بالأشعة فوق البنفسجية على مستوى الوحدة باستخدام مصدر ضوء يهيمن عليه UV-A مع حوالي 11% UV-B. كانت ظروف الاختبار 60 درجة مئوية ورطوبة نسبية 30%.
| عنصر الاختبار | الحالة أو التكوين |
|---|---|
| عينة أمامية متماثلة | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| عينة خلفية متماثلة | بنية تحتوي على طبقات SiOₓ/n⁺-poly-Si |
| مصدر الأشعة فوق البنفسجية | بشكل أساسي UV-A، مع حوالي 11% UV-B |
| درجة حرارة الاختبار | 60 درجة مئوية |
| الرطوبة النسبية | 30% |
| أقصى جرعة أشعة فوق بنفسجية مبلغ عنها | 60 كيلوواط ساعة·م⁻²، محددة باسم UV60 |
| طرق التحليل الرئيسية | ToF-SIMS و XPS مع ملف العمق |
الإشعاعية الطيفية لمصدر الضوء فوق البنفسجي.
مقاومة الأشعة فوق البنفسجية للبنى الأمامية والخلفية
Millennial Solar
التغيرات في عينات البنى الأمامية والخلفية المتماثلة أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية: (أ) عمر الناقل الفعال، τeff، عند تركيز ناقل محقون قدره 1 × 10¹⁵ سم⁻³؛ (ب) جهد الدائرة المفتوحة الضمني، iVoc؛ و (ج) كثافة تيار التشبع من جانب واحد، J₀.
أظهرت البنية الخلفية المتماثلة تدهورًا طفيفًا فقط بعد 60 كيلوواط ساعة·م⁻² من التعرض للأشعة فوق البنفسجية. امتصت طبقة البولي سيليكون بسمك 120 نانومتر تقريبًا كل الإشعاع فوق البنفسجي الساقط ووفرت حماية فعالة للواجهة الأساسية.
تدهورت البنية الأمامية المتماثلة بشكل أكثر شدة:
انخفض عمر الناقل الفعال، τeff، من 2,895.6 ميكروثانية إلى 1,552.8 ميكروثانية.
انخفض جهد الدائرة المفتوحة الضمني، iVoc، من 735.5 مللي فولت إلى 715.2 مللي فولت.
زادت J₀ من جانب واحد إلى 18.4 fA·cm⁻²، أي حوالي ثلاثة أضعاف قيمتها الأولية.
تدهور أداء التخميل Al₂O₃/SiNₓ بشكل كبير.
تؤكد هذه النتائج أن كومة SiNₓ/Al₂O₃ الأمامية أكثر عرضة بشكل ملحوظ للأشعة فوق البنفسجية من البنية الخلفية SiOₓ/poly-Si.
تطور التركيب الكيميائي
Millennial Solar
ملفات تعريف العمق ToF-SIMS لشدة (أ) الهيدروجين و(ب) الأكسجين في عينات الهيكل الأمامي المتماثل المصقولة قبل وبعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية 60.
أظهرت ToF-SIMS ارتفاعًا واضحًا في تركيز الهيدروجين بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية، خاصة داخل طبقة SiNₓ. وجد تحليل ملف التعريف العمقي لإشارة XPS لـ N 1s أن نسبة روابط N–H عند واجهة SiNₓ/Al₂O₃ انخفضت من 9.64% إلى 5.97%. وهذا يؤكد أن كسر روابط N–H هو مصدر هيدروجين مهم آخر إلى جانب تفكك روابط Si–H.
انتشر بعض الهيدروجين المنطلق نحو سطح SiNₓ وأعاد الارتباط بالسيليكون. وهذا يفسر لماذا زادت نسبة N–H المحلية القريبة من السطح بدلاً من الاستمرار في الانخفاض.
كان تطور الأكسجين أيضًا حاسمًا. انخفض تركيز الأكسجين داخل طبقة Al₂O₃ قليلاً، بينما زاد عند كل من واجهتي SiNₓ/Al₂O₃ وAl₂O₃/Si. يشير هذا التوزيع إلى أن الأكسجين المنطلق من كسر روابط Al–O انتشر إلى الخارج من فيلم Al₂O₃.
تبلغ طاقة رابطة Al–O في البلورة المثالية حوالي 5.3 إلكترون فولت. يختلف Al₂O₃ غير المتبلور. يمكن لأيونات الألومنيوم غير المنسقة بشكل كافٍ وفراغات الأكسجين سالبة الشحنة أن تخفض طاقة التنشيط لكسر روابط Al–O المجاورة إلى حوالي 2.4 إلكترون فولت. يحمل فوتون الأشعة فوق البنفسجية بطول موجة 400 نانومتر حوالي 3.1 إلكترون فولت, وهو ما يكفي بالفعل لبدء هذه العملية.
أطياف XPS لملف التعريف العمقي N 1s عند واجهات Al₂O₃/SiNₓ المختلفة قبل وبعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية 60، بما في ذلك روابط N–Si المناسبة عند 397.5 إلكترون فولت وروابط N–H عند 399.5 إلكترون فولت.
أظهرت نتائج XPS لـ O 1s تحولًا من الأكسجين الشبكي، المحدد بـ OI، نحو المكونات المرتبطة بفراغات الأكسجين، المحددة بـ OII. في أطياف Al 2p، انخفضت نسبة Al₂O₃ من 69.99% إلى 60.36%, بينما زادت Al–OH من 30.01% إلى 39.64%.
أظهرت أطياف Si 2p أيضًا زيادة في Si²⁺ وانخفاضًا في حالات الأكسدة الأعلى للسيليكون. أدت الإلكترونات المنبعثة أثناء تكوين فراغات الأكسجين إلى تقليل السيليكون من حالات الأكسدة الأعلى. تشير هذه التغييرات المنسقة في ترابط الأكسجين والألومنيوم والسيليكون إلى ضرر واسع النطاق لفيلم Al₂O₃ وليس مجرد تفاعل كسر رابطة معزول واحد.
تدهور الأداء الكهربائي
Millennial Solar
منحنيات EQE والانعكاسية لخلية TOPCon الشمسية قبل وبعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية UV60.
بقيت الانعكاسية دون تغيير تقريبًا بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية UV60. أظهرت EQE انخفاضًا معتدلًا في منطقة الطول الموجي القصير أقل من 500 نانومتر، وهو ما يتوافق مع إعادة تركيب أقوى على السطح الأمامي.
التغير في مقاومة التلامس الأمامية لخلية TOPCon الشمسية أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية UV60.
زادت مقاومة التلامس الأمامية بشكل خطي تقريبًا مع جرعة الأشعة فوق البنفسجية، لتصل إلى 4.1 مΩ·سم²، أي حوالي 8.6 مرات قيمتها الأولية. الآلية المقترحة مرتبطة بالهيدروجين والأكسجين المتنقلين المتولدين داخل طبقات التخميل. تنتشر هذه الأنواع نحو واجهة القطب وتشارك في تفاعلات الأكسدة والاختزال.
يمكن للأشعة فوق البنفسجية أيضًا تحويل جزيئات الماء على سطح الفضة إلى جذور هيدروكسيل. معًا، تعزز هذه التفاعلات تآكل القطب المعدني وترفع مقاومة التلامس.
تدهور الأداء الكهربائي لخلية TOPCon الشمسية أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية UV60: (أ) Voc؛ (ب) Jsc؛ (ج) FF؛ و(د) الكفاءة.
تم توزيع الخسائر الكهربائية النهائية عبر عدة معلمات:
انخفض Voc بنسبة 3.46%، ويرجع ذلك أساسًا إلى تدهور تخميل السطح الأمامي وزيادة J₀.
انخفض FF بنسبة 2.82%، ويرجع ذلك أساسًا إلى الارتفاع الحاد في مقاومة التلامس الأمامية.
انخفض Jsc بنسبة 0.64% فقط، حيث اقتصر فقدان EQE بشكل رئيسي على منطقة الطول الموجي القصير.
انخفضت كفاءة التحويل بنسبة 6.72% بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية UV60.
وبالتالي، فإن بنية SiNₓ/Al₂O₃ الأمامية لخلية TOPCon الشمسية لديها مقاومة للأشعة فوق البنفسجية أقل بكثير من البنية الخلفية. تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية، تنكسر روابط Si–H وN–H وتطلق هيدروجينًا متنقلًا. كما تتلف روابط Al–O في Al₂O₃ غير المتبلورة، مما يطلق الأكسجين ويولد كثافة عالية من فراغات الأكسجين. في الوقت نفسه، يتحول Al₂O₃ نحو Al–OH ويتغير توزيع حالات أكسدة السيليكون.
تعمل آليات التدهور المرتبطة بالهيدروجين والأكسجين معًا لتعزيز إعادة التركيب السطحي. تضيف الزيادة المصاحبة في مقاومة التلامس الأمامية خسارة كهربائية منفصلة، مما يؤدي إلى تدهور الكفاءة المقاس بنسبة 6.72%. توفر هذه النتائج مرجعًا مفيدًا لفهم UVID في خلايا TOPCon وتحسين الموثوقية طويلة الأمد لطبقات التخميل الأمامية.
رؤية Ooitech
النقطة الأساسية هي أن UVID في خلايا TOPCon لا يمكن معالجته كمشكلة بسيطة لروابط Si–H. يجب تقييم كيمياء التخميل، والتحكم في فراغات الأكسجين، واستقرار المعدنة معًا، خاصة عند تأهيل عمليات إنتاج الوحدات للخدمة الخارجية الطويلة. يمكن أن يساعد تتبع IV غير التلامسي، وEQE، وPL في تحديد هذه الخسائر مبكرًا دون إضافة ضرر تلامس ميكانيكي لتصميمات الخلايا الحساسة بشكل متزايد.
