دراسة UVID لخلية TOPCon: اختبار IV غير التلامسي يتتبع تدهور التخميل وفقدان كفاءة بنسبة 6.72%
جدول المحتويات
UVID لخلية TOPCon واختبار IV غير تلامسي
اكتسبت الخلايا الشمسية TOPCon مكانة رائدة في سوق الطاقة الشمسية بفضل التخميل السطحي القوي والتلامسات الانتقائية للحاملات. ومع ذلك، فإن التشغيل في الهواء الطلق يعرضها للتدهور الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية (UVID). في هذه الدراسة، انخفضت كفاءة التحويل بنسبة 6.72% بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية UV60.
غالبًا ما ربطت الأعمال السابقة UVID بشكل رئيسي بالفوتونات عالية الطاقة التي تكسر روابط Si-H وتطلق الهيدروجين المتحرك. يغطي الطيف الشمسي فوق البنفسجي نطاقًا أوسع بكثير من طاقة الفوتون يبلغ 3.1–4.43 eV، لذا لا يمكن تفسير تفاعله مع مواد السطح الأمامي فقط بكسر روابط Si-H. 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 بالميلي ثانية. وهو متوافق مع تصميمات الخلايا ذات التلامس الخلفي وبدون قضبان التجميع، ويمكنه الحصول على معلمات IV متعددة الأبعاد وEQE وPL في تسلسل اختبار واحد.
استخدمت هذه الدراسة مطياف الكتلة الأيونية الثانوية مع زمن الطيران (ToF-SIMS) بالإضافة إلى مطياف الضوء الإلكتروني للأشعة السينية مع ملف العمق (XPS) لتتبع توزيع العناصر والتغيرات في الروابط الكيميائية في طبقات Al₂O₃/SiNₓ قبل وبعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية UV60. تظهر 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. تزيد آليات الهيدروجين والأكسجين مجتمعة من إعادة التركيب السطحي وتوفر أساسًا أوضح لتحسين موثوقية طبقة التخميل.
الطريقة التجريبية
Millennial Solar
(أ) هيكل تخطيطي للخلية الشمسية TOPCon؛ (ب) عينة هيكل أمامي متماثل؛ (ج) عينة هيكل خلفي متماثل.
تم تحضير عينتين هيكليتين متماثلتين. كان الهيكل الأمامي SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. تضمن الهيكل الخلفي طبقات SiOₓ/n⁺-poly-Si. تم إجراء التقادم بالأشعة فوق البنفسجية على مستوى الوحدة باستخدام مصدر ضوء يغلب عليه الأشعة فوق البنفسجية من النوع A مع حوالي 11% من النوع B. كانت ظروف الاختبار 60 درجة مئوية ورطوبة نسبية 30%.
| عنصر الاختبار | الشرط أو التكوين |
|---|---|
| عينة أمامية متماثلة | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| عينة خلفية متماثلة | هيكل يحتوي 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% |
| الجرعة القصوى المبلغ عنها من الأشعة فوق البنفسجية | 60 kWh·m⁻²، تم تحديدها كـ UV60 |
| طرق التحليل الرئيسية | ToF-SIMS و XPS ذو المظهر العمقي |
الإشعاعية الطيفية لمصدر الضوء فوق البنفسجي.
مقاومة الأشعة فوق البنفسجية للهياكل الأمامية والخلفية
Millennial Solar
التغيرات في عينات الهيكل الأمامي والخلفي المتماثلة أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية: (أ) عمر الناقل الفعال، τeff، عند تركيز ناقل محقون 1 × 10¹⁵ cm⁻³؛ (ب) جهد الدائرة المفتوحة الضمني، iVoc؛ و (ج) كثافة تيار التشبع من جانب واحد، J₀.
أظهر الهيكل الخلفي المتماثل تدهورًا طفيفًا فقط بعد 60 kWh·m⁻² من التعرض للأشعة فوق البنفسجية. امتصت طبقة البولي سيليكون بسمك 120 نانومتر تقريبًا كل الإشعاع فوق البنفسجي الساقط ووفرت حماية فعالة للواجهة الأساسية.
تدهور الهيكل الأمامي المتماثل بشكل أشد بكثير:
انخفض عمر الناقل الفعال، τeff، من 2,895.6 μs إلى 1,552.8 μs.
انخفض جهد الدائرة المفتوحة الضمني، iVoc، من 735.5 mV إلى 715.2 mV.
زادت J₀ من جانب واحد إلى 18.4 fA·cm⁻²، أي حوالي ثلاثة أضعاف قيمتها الأولية.
تدهور أداء التخميل لـ Al₂O₃/SiNₓ بشكل كبير.
تؤكد هذه النتائج أن الطبقة الأمامية SiNₓ/Al₂O₃ أكثر عرضة بشكل ملحوظ للأشعة فوق البنفسجية من الهيكل الخلفي SiOₓ/poly-Si.
تطور التركيب الكيميائي
Millennial Solar
ملامح عمق ToF-SIMS لشدة (أ) الهيدروجين و(ب) الأكسجين في عينات الهيكل الأمامي المتماثل المصقولة قبل وبعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية UV60.
أظهرت ToF-SIMS ارتفاعًا واضحًا في تركيز الهيدروجين بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية، خاصة داخل طبقة SiNₓ. وجد تحليل ملف العمق لإشارة XPS N 1s أن نسبة روابط N–H عند واجهة SiNₓ/Al₂O₃ انخفضت من 9.64% إلى 5.97%. وهذا يؤكد أن كسر رابطة N–H هو مصدر هيدروجين مهم آخر إلى جانب تفكك رابطة Si–H.
انتشر بعض الهيدروجين المنطلق نحو سطح SiNₓ وارتبط مرة أخرى بالسيليكون. وهذا يفسر لماذا زادت نسبة N–H المحلية بالقرب من السطح بدلاً من الاستمرار في الانخفاض.
كان تطور الأكسجين حاسمًا أيضًا. انخفض تركيز الأكسجين داخل طبقة Al₂O₃ قليلاً، بينما زاد عند كل من واجهتي SiNₓ/Al₂O₃ و Al₂O₃/Si. يشير هذا التوزيع إلى أن الأكسجين المنطلق عن طريق كسر رابطة Al–O قد انتشر خارجًا من طبقة Al₂O₃.
طاقة رابطة Al–O في بلورة مثالية تبلغ حوالي 5.3 eV. تختلف Al₂O₃ غير المتبلورة. يمكن لأيونات الألومنيوم غير المنسقة وفراغات الأكسجين سالبة الشحنة أن تخفض طاقة التنشيط لكسر روابط Al–O المجاورة إلى حوالي 2.4 eV. يحمل فوتون فوق بنفسجي بطول موجة 400 نانومتر حوالي 3.1 eV، وهو كافٍ بالفعل لبدء هذه العملية.
أطياف XPS لملف العمق N 1s عند واجهات Al₂O₃/SiNₓ المختلفة قبل وبعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية UV60، بما في ذلك روابط N–Si المناسبة عند 397.5 eV وروابط N–H عند 399.5 eV.
أظهرت نتائج XPS 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 تلف واسع في طبقة Al₂O₃ بدلاً من تفاعل كسر رابطة واحد معزول.
تدهور الأداء الكهربائي
Millennial Solar
منحنيات EQE والانعكاسية للخلية الشمسية TOPCon 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 الأمامي للخلية الشمسية TOPCon أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية UV60.
زادت مقاومة التلامس الأمامي بشكل خطي تقريبًا مع جرعة الأشعة فوق البنفسجية، لتصل إلى 4.1 mΩ·cm²، حوالي 8.6 مرة من قيمتها الأولية. ترتبط الآلية المقترحة 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 للخلية الشمسية TOPCon أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية UV60: (a) Voc؛ (b) Jsc؛ (c) FF؛ و (d) 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 الأمامي.
انخفض Jsc بنسبة 0.64% فقط، حيث كان فقدان EQE محدودًا بشكل أساسي في منطقة الطول الموجي القصير.
انخفضت كفاءة التحويل بنسبة 6.72% بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية UV60.
وبالتالي، فإن هيكل SiNₓ/Al₂O₃ الأمامي للخلية الشمسية TOPCon يتمتع بمقاومة للأشعة فوق البنفسجية أقل بكثير من الهيكل الخلفي. تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية، تنكسر روابط Si–H و N–H وتطلق هيدروجينًا متنقلًا. كما تتلف روابط Al–O في Al₂O₃ غير المتبلور، مما يطلق الأكسجين ويولد كثافة عالية من فراغات الأكسجين. في الوقت نفسه، يتحول Al₂O₃ نحو Al–OH ويتغير توزيع حالة أكسدة السيليكون.
تعمل آليات التدهور المرتبطة بالهيدروجين والأكسجين معًا لتكثيف إعادة التركيب السطحي. تضيف الزيادة المصاحبة في مقاومة التلامس الأمامي 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 المدى لطبقات التخميل الأمامية.
رؤية Ooitech
النقطة الأساسية هي أن UVID في خلايا TOPCon لا يمكن معالجتها كمشكلة بسيطة لروابط Si–H. يجب تقييم كيمياء التخميل، والتحكم في فراغات الأكسجين، واستقرار التعدين 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.
