خلايا TOPCon تحت الحرارة الرطبة: لماذا
جدول المحتويات
إجابة سريعة: استحوذت TOPCon على معظم سوق السيليكون البلوري عالي الكفاءة، والسؤال المفتوح لم يعد يتعلق بالكفاءة بل بكيفية تصرف الخلية بعد سنوات في الميدان تحت الحرارة الرطبة. يُجرى الاختبار المتسارع القياسي عند 85 °C و85% رطوبة نسبية — DH85 — وهو مصمم لدفع الرطوبة إلى مادة التغليف ومكدس الخلية أسرع مما تفعله ظروف الميدان. يهم التركيب الطبقي هنا: أكسيد نفق بسماكة حوالي 10 nm تحت طبقة بوليسيليكون مطعمة رقيق بما يكفي بحيث تحدد كيمياء الواجهة، وليس المادة الكتلية، الموثوقية. تساهم درجات حرارة التصفيح القريبة من 150 °C ونفاذية الرطوبة الخاصة بمادة التغليف في نفس مسار الفشل. تُستخدم أدوات التوصيف من فئة QL200 لتتبع ما يفعله التعرض للحرارة الرطبة بالتخميل بدلاً من مجرد معرفة ما إذا انخفضت القدرة.
تصنيع وحدات PV · بقلم جيري، Ooitech
مقدمة
TOPCon استحوذت على معظم سوق السيليكون البلوري عالي الكفاءة، لكن الموثوقية الميدانية طويلة الأمد لا تزال هدفاً متحركاً. تظهر نقطة ضعف واحدة باستمرار في دراسات الحرارة الرطبة: طبقة التخميل الخلفية. حددت دراسة حديثة (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) ما يحدث فعلاً عندما تستقر أملاح الصوديوم على سطح الخلية وتبقى تحت ظروف 85°C/85% RH. الخلاصة — طبقة SiNₓ الخلفية هي نقطة الضعف، وطبقة رقيقة من ALD AlOₓ تعالج معظمها.
النتائج الرئيسية مقدمًا
طبقة SiNₓ الخلفية هي نقطة الضعف في الحرارة الرطبة. تسبب أسيتات الصوديوم (CH₃COONa) في انخفاض جهد الدائرة المفتوحة الخلفي (Voc) بنسبة 5.8% ورفع المقاومة التسلسلية (Rₛ) بنسبة 450%.
تعمل أملاح الصوديوم على تسريع الأكسدة السطحية وفقدان النيتروجين. أظهرت XPS أن النسبة الذرية Si/N الخلفية قفزت من 1.3 إلى 23، و O/N من 1.6 إلى 53.
أحدث حاجز ALD Al₂O₃ بسماكة 10 نانومتر فرقًا كبيرًا — انخفض فقدان كفاءة التحويل (PCE) تحت تلوث CH₃COONa من 16% إلى 0.4% فقط.
التخميل الأمامي أكثر متانة بكثير. طبقة AlOₓ/SiOᵧNᵣ المتعددة تمنع انتشار الصوديوم، لذا كلف التلوث هناك 0.87% فقط من PCE.
الملوثان يتصرفان بشكل مختلف: أسيتات الصوديوم تهاجم التلامس المعدني، بينما كلوريد الصوديوم (NaCl) يؤكسد طبقة التخميل بشكل أساسي.
الخلفية
السؤال الأساسي بسيط في صياغته، لكن الإجابة أصعب: لماذا تفقد خلايا TOPCon أداءها تحت الحرارة الرطبة عند وجود أملاح الصوديوم، ولماذا يكون التخميل الخلفي أكثر تضررًا (Kyranaki et al., 2022)؟
أين الفجوات
ركزت معظم الأبحاث السابقة على تآكل التلامس المعدني (Iqbal et al., 2023)، لكن لم يفحص أحد بشكل منهجي الانهيار الكيميائي لطبقة التخميل نفسها. الطبقات الأمامية والخلفية مبنية بشكل مختلف — الأمامية AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ، والخلفية SiNₓ فوق بولي-Si المشوب — ولم تتم مقارنة مقاومتها للتآكل مباشرة من قبل (Feldmann et al., 2014). علاوة على ذلك، كان يُعتقد أن الملوثين الشائعين (CH₃COONa مقابل NaCl) يتصرفان بنفس الطريقة، لكنهما لا يتصرفان كذلك (Li et al., 2021).
إن إتقان هذا الأمر مهم لأموال حقيقية. تُباع محطات الطاقة الكهروضوئية على وعد بعمر 25 عامًا (بيترز وآخرون، 2021)، ونمط الفشل في الجانب الخلفي الذي يظهر تحت الرطوبة هو بالضبط ما يقلل من ذلك.
المنهجية
تم إبقاء سير العمل قريبًا من سير الإنتاج الفعلي: خلايا TOPCon صناعية → رش موضعي لمحلول ملح الصوديوم على السطح الأمامي أو الخلفي → حرارة رطبة متسارعة (85 درجة مئوية / 85٪ رطوبة نسبية) → توصيف كهربائي وكيميائي → اختبار حاجز AlOₓ بواسطة ALD → استنتاج آلية الحماية.
ما الجديد هنا
على الجانب النظري، هذه هي الدراسة الأولى التي تشير إلى فقدان النيتروجين في طبقة SiNₓ الخلفية باعتباره المحرك الرئيسي لانخفاض Voc. على الجانب العملي، تعمل طبقة AlOₓ بسماكة 10 نانومتر على أدوات ALD الصناعية القياسية وتكلف حوالي 0.01٪ فقط من الكفاءة المطلقة. ومن الناحية المنهجية، بنى الفريق اختبار DH على مستوى الخلية حيث تمثل 20 ساعة عدة سنوات من التقادم الخارجي (سين وآخرون، 2023).
سلسلة المنطق سهلة المتابعة: التلوث الخلفي يسبب انخفاضًا حادًا في Voc، مما يشير مباشرة إلى فشل التخميل. ثم يؤكد XPS تفاعل أكسدة SiNₓ ومسار انتشار الصوديوم الذي يفتحه. أضف طبقة AlOₓ، وامنع الصوديوم، ويؤكد تصوير PL أن العيوب مكبوتة.
الطرق
تحضير العينات
| البند | التفاصيل |
|---|---|
| بنية الخلية | نوع n TOPCon. الأمامي: باعث منتشر بالبورون + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ، طلاء مضاد للانعكاس. الخلفي: SiO₂/بولي-Si مشبع بالفوسفور + SiNₓ، طلاء مضاد للانعكاس |
| الملوث | محلول 0.155 مول/لتر من CH₃COONa أو NaCl، 0.3 غرام لكل عينة، رش موضعي |
| حاجز ALD | 10 نانومتر AlOₓ، مترسب عند 150 درجة مئوية (Leadmicro QL200) |
| حرارة رطبة | 85 درجة مئوية / 85٪ رطوبة نسبية، 20 ساعة (غرفة بيئية ASLi) |
كيف تم القياس
معلمات I-V (Pmax، Voc، FF، Jsc) عبر نظام LOANA (pv-tools).
جودة التخميل من خلال عمر الناقل الأقلية الفعال (τ_eff).
كيمياء السطح من خلال XPS وSEM-EDS.
النتائج والمناقشة
التدهور الكهربائي
الجانب الخلفي هو بوضوح الجانب الحساس. أسيتات الصوديوم على الخلف خفضت Voc بنسبة 5.8%، ورفعت Rₛ بنسبة 450% (الجدول 1)، وقللت شدة PL بنسبة 37.3% (الشكل 3أ). نفس المعالجة على الأمام كلفت فقط 0.87% من كفاءة الخلية. نفس الملح، نتيجة مختلفة جدًا اعتمادًا على الوجه الذي يصيبه.
التحليل الكيميائي للتخميل
أظهرت الأشعة السينية الضوئية الإلكترونية على السطح الخلفي ارتفاعًا حادًا في نسبة رابطة Si-O (الشكل 5ب)، مع ارتفاع النسبة الذرية O/N من 1.6 في المجموعة الضابطة إلى 53 في مجموعة أسيتات الصوديوم. الآلية هي فقدان النيتروجين — الرطوبة الحرارية تحلل SiNₓ وتدمر التخميل السطحي.
ما يفعله حاجز AlOₓ
مع وجود طبقة AlOₓ بسمك 10 نانومتر بواسطة الترسيب الذري الطبقي، انخفض فقدان كفاءة الخلية تحت تلوث أسيتات الصوديوم الخلفي من 16% إلى 0.4%، وبقي Voc ثابتًا (الشكل 6أ). أظهرت المجهرية الإلكترونية الماسحة مع التحليل الطيفي المشتت للطاقة انخفاض محتوى الصوديوم بنسبة 86% في عينات AlOₓ (الشكل 6ج)، وأظهرت PL عدم تنشيط العيوب (الشكل 6ب). الحاجز يفعل بالضبط ما تريده — إبقاء الصوديوم خارجًا.
الخلاصة
الاستنتاجات الرئيسية
طبقة SiNₓ الخلفية تتحلل وتتأكسد تحت الرطوبة الحرارية وملح الصوديوم، مما يخفض Voc ويرفع Rₛ (مدعوم بالأشعة السينية الضوئية الإلكترونية والمجهرية الإلكترونية الماسحة، الشكل 4-5). طبقة AlOₓ بسمك 10 نانومتر تمنع انتشار الصوديوم وتحافظ على فقدان كفاءة الخلية تحت ظروف DH85 أقل من 1% (الشكل 6أ). والطبقة المتعددة الأمامية AlOₓ/SiOᵧNᵣ مقاومة للتآكل بطبيعتها، لذا التلوث هناك بالكاد يُسجل.
لماذا هو مفيد
حاجز AlOₓ يمكن إدخاله مباشرة في الإنتاج الضخم لخلايا TOPCon على أدوات مثل Leadmicro QL200. بالنظر إلى المستقبل، إقران AlOₓ مع SiNₓ في تغليف الوحدات الزجاجية المزدوجة يمكن أن يطيل عمر المحطات في المناطق الرطبة.
خلفية بسيطة
بنية TOPCon: أكسيد نفق (SiO₂) بالإضافة إلى اتصال تخميل بولي سيليكون مخدر، مما يقلل إعادة التركيب عند المعدن (Feldmann et al., 2014).
الترسيب الذري الطبقي: نمو طبقة نانوية طبقة بطبقة، مما يعطي تغطية موحدة لـ AlOₓ على مقياس النانومتر.
اختبار الرطوبة الحرارية: تسريع الشيخوخة عند 85 درجة مئوية/85% رطوبة نسبية لمحاكاة تدهور الوحدات في المناخات الرطبة.
تخميل SiNₓ: نيتريد السيليكون المهدرج، جيد لمكافحة الانعكاس والتخميل السطحي، لكنه يحمل روابط حرة ويتحلل بسهولة.
المراجع
Tong H. et al., Mitigating contaminant-induced degradation in TOPCon solar cells via ALD AlOₓ barrier, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188
Feldmann F. et al., Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.
Li X. et al., Accelerated damp-heat testing of TOPCon cells using NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.
Peters I.M. et al., The value of stability in photovoltaics, Joule 5 (2021) 3137–3153.
رؤية Ooitech
ما يلفت الانتباه هنا هو مقدار قصة الموثوقية التي تكمن في طبقة التخميل الخلفية، وليس في عنوان تصميم الخلية. على خط إنتاج حقيقي، خطوة إضافية بسماكة 10 نانومتر من ALD AlOₓ هي تأمين رخيص لمشاريع المناخ الرطب، وتتناسب مع إنتاج الوحدات القياسي دون عناء كبير. نحن نبني خطوط إنتاج وحدات جاهزة من البداية إلى النهاية، لذا نراقب نتائج مثل هذه عن كثب — فالتعديلات الصغيرة في العملية في مرحلة مبكرة غالبًا ما تحدد ما إذا كان المصنع سيصمد لمدة 25 عامًا. إذا كنت تريد المزيد من أرضية المصنع، قناة Ooitech على يوتيوب (www.youtube.com/ooitech) تستحق المتابعة.
