UVID في خلايا TOPCon الشمسية: اختبار IV غير التلامسي يتتبع تدهور التثبيت وفقدان كفاءة بنسبة 6.72%

مقدمة

تهيمن خلايا TOPCon الشمسية الآن على سوق الطاقة الكهروضوئية بفضل التخميل السطحي القوي والتماسات الانتقائية للحاملات. لكن التشغيل في الهواء الطلق يكشف عن نقطة ضعف حقيقية: التدهور الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية، أو UVID. بعد التشعيع بـ UV60، تنخفض الكفاءة بنسبة تصل إلى 6.72%.

أرجع معظم الأبحاث السابقة UVID إلى الفوتونات عالية الطاقة التي تكسر روابط Si–H وتطلق الهيدروجين الحر. هذا جزء فقط من القصة. يمتد الطيف الشمسي فوق البنفسجي على نطاق طاقة واسع يتراوح بين 3.1–4.43 إلكترون فولت، لذا فإن تفاعله مع الطبقات السطحية الأمامية يتجاوز بكثير مسار كسر Si–H الفردي. كما أن الطبقة الأمامية Al₂O₃ / SiNₓ أضعف بكثير ضد الأشعة فوق البنفسجية من الجانب الخلفي.

يساعد جهاز اختبار IV غير التلامسي كثيرًا هنا. إنه غير مدمر، ولا يستخدم أي مواد استهلاكية، ويعمل بسرعة ميلي ثانية، ويعمل مع تصميمات BC وبدون حافلات، ويستخرج معلمات IV وEQE وPL في لقطة واحدة.

تستخدم هذه الدراسة ToF-SIMS وXPS مع التنميط العمقي لتتبع توزيع العناصر وتغيرات الروابط الكيميائية في طبقات Al₂O₃ / SiNₓ قبل وبعد UV60. النتيجة: كسر روابط N–H هو مصدر هيدروجين ثانٍ إلى جانب Si–H. يتم كسر روابط Al–O في Al₂O₃ غير المتبلور بواسطة الأشعة فوق البنفسجية وتوليد عدد كبير من فراغات الأكسجين. تتراكم آليات الهيدروجين والأكسجين وتزيد من سوء إعادة التركيب السطحي، مما يعطي اتجاهًا واضحًا لتحسين موثوقية التخميل.

الطريقة التجريبية

(أ) مخطط هيكل خلية TOPCon الشمسية (ب) عينة متناظرة للبنية الأمامية (ج) عينة متناظرة للبنية الخلفية

تم تحضير عينات متناظرة للبنية الأمامية (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) وعينات متناظرة للبنية الخلفية (مع طبقة SiOₓ/n⁺-poly-Si). تم إجراء الشيخوخة بالأشعة فوق البنفسجية على مستوى الوحدة. كان مصدر الضوء بشكل أساسي UV-A مع حوالي 11% UV-B، عند 60 درجة مئوية ورطوبة 30%.

الإشعاع الطيفي لمصدر الضوء فوق البنفسجي

البنية الأمامية مقابل الخلفية: مقارنة مقاومة الأشعة فوق البنفسجية

التغيرات في (أ) τeff عند تركيز حقن حاملات يبلغ 1×10¹⁵ سم⁻³، (ب) iVoc، و(ج) J₀ أحادي الجانب للعينات المتناظرة للبنية الأمامية والخلفية أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية

البنية الخلفية المتناظرة تدهورت بالكاد بعد تعرضها لأشعة فوق بنفسجية بمقدار 60 كيلوواط ساعي لكل متر مربع. طبقة البولي سيليكون بسمك 120 نانومتر تمتص تقريباً كل الضوء فوق البنفسجي وتوفر حماية فعالة.

البنية الأمامية روت قصة مختلفة. انخفض τeff من 2895.6 ميكروثانية إلى 1552.8 ميكروثانية. انخفض iVoc من 735.5 ملي فولت إلى 715.2 ملي فولت. ارتفع J₀ أحادي الجانب إلى 18.4 فيمتو أمبير لكل سنتيمتر مربع، أي حوالي ثلاثة أضعاف القيمة الأولية. تدهورت طبقة التخميل Al₂O₃ / SiNₓ بشكل كبير.

تطور التركيب الكيميائي

ملامح عمق الشدة للهيدروجين (أ) والأكسجين (ب) في العينة الأمامية المتناظرة المصقولة قبل وبعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية 60، مقاسة بواسطة ToF-SIMS

يظهر ToF-SIMS ارتفاع تركيز الهيدروجين بوضوح بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية، خاصة داخل طبقة SiNₓ. يُظهر التحليل الطيفي الضوئي للأشعة السينية N 1s مع التنميط العمقي أنه عند واجهة SiNₓ / Al₂O₃، انخفض جزء الرابطة N–H من 9.64% إلى 5.97%. لذا فإن كسر الرابطة N–H هو المصدر الثاني للهيدروجين بعد Si–H. ينتشر الهيدروجين المحرر نحو منطقة سطح SiNₓ ويعيد الاتحاد مع السيليكون هناك، ولهذا السبب يرتفع جزء N–H فعلياً بالقرب من ذلك السطح.

الأكسجين يروي قصة مهمة بنفس القدر. انخفض الأكسجين في طبقة Al₂O₃ قليلاً، بينما زاد الأكسجين عند واجهتي SiNₓ/Al₂O₃ وAl₂O₃/Si. يشير هذا إلى كسر روابط Al–O وهجرة الأكسجين الحر نحو الخارج. طاقة رابطة Al–O في بلورة مثالية تبلغ حوالي 5.3 إلكترون فولت. لكن في Al₂O₃ غير المتبلور، تحبس أيونات الألومنيوم غير المنسقة وفراغات الأكسجين الإلكترونات وتصبح سالبة الشحنة، مما يخفض طاقة التنشيط لكسر رابطة Al–O المجاورة إلى حوالي 2.4 إلكترون فولت. هذا يعني أن ضوء الأشعة فوق البنفسجية بطول موجة 400 نانومتر (3.1 إلكترون فولت) كافٍ لكسرها.

أطياف XPS مع التنميط العمقي N 1s عند واجهات مختلفة من طبقة Al₂O₃/SiNₓ قبل وبعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية 60، مع منحنيات ملائمة لروابط N–Si (397.5 إلكترون فولت) وN–H (399.5 إلكترون فولت)

يظهر XPS للأكسجين O 1s تحول الأكسجين الشبكي (OI) إلى فراغات أكسجين (OII). في أطياف Al 2p، انخفض جزء Al₂O₃ من 69.99% إلى 60.36% بينما ارتفع Al–OH من 30.01% إلى 39.64%. في أطياف Si 2p، زاد Si²⁺ بينما انخفض السيليكون عالي التكافؤ. الإلكترونات المنبعثة عند تكوين فراغات الأكسجين تقلل السيليكون من حالات الأكسدة الأعلى. مجتمعة، تُظهر هذه التغييرات في ترابط الأكسجين والألومنيوم والسيليكون أن جودة طبقة Al₂O₃ قد تأثرت بالفعل.

تدهور الأداء الكهربائي

منحنيات EQE والانعكاسية لخلية شمسية TOPCon قبل وبعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية 60

التغير في مقاومة التلامس الأمامية للخلية الشمسية TOPCon أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية 60

بقي الانعكاس دون تغيير تقريبًا بعد UV60. أظهر EQE انخفاضًا معتدلًا في منطقة الطول الموجي القصير تحت 500 نانومتر، بما يتوافق مع إعادة تركيب سطح أمامي أقوى. ارتفعت مقاومة التلامس الأمامية بشكل شبه خطي مع جرعة الأشعة فوق البنفسجية، لتصل إلى 4.1 مΩ·سم²، أي أعلى بحوالي 8.6 مرات. السبب: الهيدروجين والأكسجين الحران الناتجان في طبقة التخميل ينتشران إلى واجهة القطب ويشاركان في تفاعلات الأكسدة والاختزال. كما تحول الأشعة فوق البنفسجية جزيئات الماء على سطح الفضة إلى جذور هيدروكسيل، وتعمل معًا على تآكل القطب المعدني.

معدلات تدهور الأداء الكهربائي أثناء التعرض لـ UV60: (أ) Voc (ب) Jsc (ج) FF (د) Eff

انخفض Voc بنسبة 3.46% نسبيًا، مدفوعًا بتدهور التخميل السطحي الأمامي وارتفاع J₀. انخفض FF بنسبة 2.82%، مدفوعًا بارتفاع مقاومة التلامس الأمامية. انخفض Jsc بنسبة 0.64% فقط، نظرًا لأن فقدان EQE في الطول الموجي القصير كان محدودًا. بلغ إجمالي فقدان كفاءة التحويل الكهروضوئي النهائي 6.72%.

الخلاصة

بنية SiNₓ/Al₂O₃ الأمامية لخلايا TOPCon أضعف بكثير ضد الأشعة فوق البنفسجية من البنية الخلفية. تحت الأشعة فوق البنفسجية، تنكسر روابط Si–H وN–H بالتتابع وتطلق هيدروجينًا حرًا. تنكسر روابط Al–O في Al₂O₃ غير المتبلورة تحت الأشعة فوق البنفسجية، مما يطلق أكسجينًا حرًا ويخلق عددًا كبيرًا من فراغات الأكسجين. يتحول Al₂O₃ نحو Al–OH ويتغير تكافؤ السيليكون. تتراكم آليتا التدهور هاتان، الهيدروجين والأكسجين، وتزيدان من إعادة التركيب السطحي. أضف إلى ذلك الارتفاع الحاد في مقاومة التلامس الأمامية، والنتيجة هي فقدان كفاءة بنسبة 6.72%. يقدم هذا العمل مرجعًا مفيدًا لفهم UVID في TOPCon ولتحسين الموثوقية طويلة الأمد لطبقات التخميل.

رؤية Ooitech

يستمر UVID في إثبات أن المكدس الأمامي هو المكان الذي تُختبر فيه الموثوقية حقًا، لذا فإن كيفية بناء والتحكم في ترسيب وتغليف SiNₓ/Al₂O₃ على خط الوحدات لا يقل أهمية عن وصفة الخلية. في خطوط وحدات TOPCon وPERC الجاهزة لدينا، نرى نفس الدرس يتكرر في التجميع والتصفيح وجانب EL، فالاختيارات الصغيرة في العملية تحدد ما إذا كانت الألواح ستتحمل في الهواء الطلق لسنوات. إذا كنت تريد المزيد من المشاهدات العملية من أرض المصنع، فإن قناة Ooitech على يوتيوب على www.youtube.com/ooitech تستحق المتابعة.