خلايا TOPCon تحت الرطوبة الحارة: لماذا يفشل الجانب الخلفي أولاً
جدول المحتويات
مقدمة
استحوذت TOPCon على معظم سوق السيليكون البلوري عالي الكفاءة، لكن الموثوقية الميدانية طويلة المدى لا تزال هدفًا متحركًا. تظهر نقطة ضعف واحدة باستمرار في دراسات الحرارة الرطبة: طبقة التخميل الخلفية. دراسة حديثة (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) حددت ما يحدث بالفعل عندما تترسب أملاح الصوديوم على سطح الخلية وتتعرض لظروف 85°C/85% RH. الخلاصة — طبقة SiNₓ الخلفية هي النقطة الضعيفة، وطبقة رقيقة من ALD AlOₓ تعالج معظم المشكلة.
النتائج الرئيسية في المقدمة
طبقة SiNₓ الخلفية هي نقطة الضعف في الحرارة الرطبة. أدى أسيتات الصوديوم (CH₃COONa) إلى انخفاض جهد الدائرة المفتوحة الخلفي (Voc) بنسبة 5.8% وزيادة المقاومة التسلسلية (Rₛ) بنسبة 450%.
تعمل أملاح الصوديوم على تسريع أكسدة السطح 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 PCE تحت تلوث CH₃COONa من 16% إلى 0.4% فقط.
التخميل الأمامي أكثر متانة بكثير. تعمل الطبقة المتعددة AlOₓ/SiOᵧNᵣ على منع انتشار الصوديوم، لذا كلف التلوث هناك 0.87% فقط من PCE.
يعمل الملوثان بشكل مختلف: يهاجم أسيتات الصوديوم التلامس المعدني، بينما يؤكسد كلوريد الصوديوم (NaCl) طبقة التخميل بشكل أساسي.
الخلفية
السؤال الأساسي بسيط في الصياغة، لكن الإجابة عليه أصعب: لماذا تفقد خلايا TOPCon أداءها تحت الحرارة الرطبة عند وجود أملاح الصوديوم، ولماذا يتأثر التخميل الخلفي بشكل أسوأ (Kyranaki et al., 2022)؟
أين الفجوات
ركزت معظم الأعمال السابقة على تآكل التلامس المعدني (Iqbal et al., 2023)، لكن لم ينظر أحد بشكل منهجي إلى التحلل الكيميائي لطبقة التخميل نفسها. تم بناء الأكوام الأمامية والخلفية بشكل مختلف — الأمامية هي AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ، والخلفية هي SiNₓ فوق بولي-Si المشوب — ولم تتم مقارنة مقاومتها للتآكل بشكل مباشر من قبل (Feldmann et al., 2014). علاوة على ذلك، كان يُعتقد أن الملوثين الشائعين (CH₃COONa مقابل NaCl) يتصرفان بنفس الطريقة، لكنهما لا يتصرفان (Li et al., 2021).
الحصول على هذا الأمر بشكل صحيح مهم لأموال حقيقية. تُباع محطات الطاقة الشمسية على وعد بعمر 25 عامًا (Peters et al., 2021)، ونمط الفشل في الجانب الخلفي الذي يظهر تحت الرطوبة هو بالضبط النوع الذي يؤثر على ذلك.
المنهج
تم إبقاء سير العمل قريبًا من سير الإنتاج الحقيقي: خلايا TOPCon صناعية → رش موضعي لملح الصوديوم على السطح الأمامي أو الخلفي → حرارة رطبة مسرعة (85°C/85% RH) → توصيف كهربائي وكيميائي → اختبار حاجز AlOₓ باستخدام ALD → استنتاج آلية الحماية.
ما الجديد هنا
على الجانب النظري، هذه هي أول دراسة تشير إلى فقدان النيتروجين في طبقة SiNₓ الخلفية كمحرك رئيسي لانخفاض Voc. على الجانب العملي، تعمل طبقة AlOₓ بسماكة 10nm على أدوات ALD الصناعية القياسية وتكلف فقط حوالي 0.01% من الكفاءة المطلقة. ومن الناحية المنهجية، بنى الفريق اختبار DH على مستوى الخلية حيث تمثل 20 ساعة عدة سنوات من التقادم في الهواء الطلق (Sen et al., 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 قد تم قمعها.
الطرق
تحضير العينة
| العنصر | تفاصيل |
|---|---|
| هيكل الخلية | نوع n-TOPCon. الأمامي: باعث مشوب بالبورون + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ، ARC. الخلفي: SiO₂/بولي-Si مشوب بالفوسفور + SiNₓ، ARC |
| الملوث | محلول 0.155 mol/L من CH₃COONa أو NaCl، 0.3 g لكل عينة، رش موضعي |
| حاجز ALD | 10nm AlOₓ، مترسب عند 150°C (Leadmicro QL200) |
| الحرارة الرطبة | 85°C/85% RH، 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. CH₃COONa على الجانب الخلفي خفض Voc بنسبة 5.8%، ورفع Rₛ بنسبة 450% (الجدول 1)، وخفض شدة PL بنسبة 37.3% (الشكل 3أ). نفس المعالجة على الجانب الأمامي كلفت فقط 0.87% من PCE. نفس الملح، نتيجة مختلفة جدًا اعتمادًا على الوجه الذي يصيبه.
التحلل الكيميائي للطبقة الممررة
أظهر XPS على السطح الخلفي ارتفاع جزء الرابطة Si-O بشكل كبير (الشكل 5ب)، مع ارتفاع النسبة الذرية O/N من 1.6 في العينة الضابطة إلى 53 في مجموعة CH₃COONa. الآلية هي فقدان النيتروجين — الحرارة الرطبة تحلل SiNₓ وتدمر التمرير السطحي.
ما يفعله حاجز AlOₓ
مع وجود AlOₓ بسمك 10 نانومتر بواسطة ALD، انخفض فقدان PCE تحت تلوث CH₃COONa الخلفي من 16% إلى 0.4%، وبقي Voc ثابتًا (الشكل 6أ). أظهر SEM-EDS انخفاض محتوى الصوديوم بنسبة 86% في عينات AlOₓ (الشكل 6ج)، ولم يُظهر PL أي تنشيط للعيوب (الشكل 6ب). الحاجز يفعل بالضبط ما تريده — إبقاء الصوديوم خارجًا.
الاستنتاج
الاستنتاجات الرئيسية
طبقة SiNₓ الخلفية تتحلل وتتأكسد تحت الحرارة الرطبة بالإضافة إلى ملح الصوديوم، مما يخفض Voc ويرفع Rₛ (مدعوم بـ XPS/EDS، الشكل 4-5). طبقة AlOₓ بسمك 10 نانومتر تمنع انتشار الصوديوم وتحافظ على فقدان PCE تحت DH85 أقل من 1% (الشكل 6أ). والطبقة المتعددة AlOₓ/SiOᵧNᵣ الأمامية مقاومة بطبيعتها للتآكل، لذا فإن التلوث هناك بالكاد يُسجل.
لماذا هو مفيد
يمكن وضع حاجز AlOₓ مباشرة في الإنتاج الضخم لـ TOPCon على أدوات مثل Leadmicro QL200. بالنظر إلى المستقبل، يمكن أن يؤدي إقران AlOₓ مع SiNₓ في تغليف الوحدات الزجاجية المزدوجة إلى إطالة عمر المحطات في المناطق الرطبة.
بعض الخلفية
هيكل TOPCon: أكسيد نفق (SiO₂) بالإضافة إلى تلامس ممرر من البولي سيليكون المخدر، مما يقلل إعادة التركيب عند المعدن (Feldmann et al., 2014).
ALD: نمو طبقة نانوية طبقة بطبقة، مما يعطي تغطية موحدة لـ AlOₓ على مقياس النانومتر.
اختبار DH: تسريع الشيخوخة عند 85°C/85% RH لمحاكاة تدهور الوحدات في المناخات الرطبة.
تمرير SiNₓ: نيتريد السيليكون المهدرج، جيد للانعكاس المضاد وتمرير السطح، لكنه يحمل روابط معلقة 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 يبرز هنا هو مقدار قصة الموثوقية التي تكمن في طبقة التخميل الخلفية، وليس في عنوان تصميم الخلية. على خط إنتاج حقيقي، إضافة طبقة ALD AlOₓ بسمك 10 نانومتر هي تأمين رخيص لمشاريع المناخ الرطب، وتتناسب مع إنتاج الوحدات القياسي دون عناء كبير. نحن نبني خطوط إنتاج الوحدات الجاهزة من البداية إلى النهاية، لذا نراقب النتائج مثل هذه عن كثب — فالتعديلات الصغيرة في العملية في المراحل المبكرة غالبًا ما تحدد ما إذا كان المصنع سيصمد لمدة 25 عامًا. إذا كنت تريد المزيد من أرض المصنع، قناة Ooitech على يوتيوب (www.youtube.com/ooitech) تستحق المتابعة.
