Utafiti wa UVID wa Kiini cha TOPCon: Upimaji wa IV Usio wa Mawasiliano Ufuatiliaji Uharibifu wa Passivation na Upotevu wa Ufanisi wa 6.72%
Jedwali la Yaliyomo
UVID wa Seli ya TOPCon na Upimaji wa IV Usio wa Kugusa
Seli za jua za TOPCon zimepata nafasi ya kuongoza katika soko la photovoltaic kutokana na upitishaji dhabiti wa uso na mawasiliano ya kuchagua wabebaji. Hata hivyo, uendeshaji wa nje huwafunua kwa uharibifu unaosababishwa na mionzi ya ultraviolet, au UVID. Katika utafiti huu, ufanisi wa ubadilishaji ulipungua kwa 6.72% baada ya mfiduo wa UV60.
Kazi za awali mara nyingi zilihusisha UVID hasa na fotoni za nishati ya juu kuvunja dhamana za Si–H na kutoa hidrojeni inayohamishika. Wigo wa jua wa ultraviolet unashughulikia anuwai pana ya nishati ya fotoni ya 3.1–4.43 eV, kwa hivyo mwingiliano wake na vifaa vya uso wa mbele hauwezi kuelezewa na kuvunjika kwa dhamana ya Si–H pekee. Mkusanyiko wa mbele wa Al₂O₃/SiNₓ pia unaonyesha upinzani dhaifu zaidi wa UV kuliko muundo wa upande wa nyuma.
Kipima IV kisicho cha kugusa cha Millennial Solar hutoa upimaji usioharibu na usio na matumizi ya ziada na kasi ya kipimo cha millisecond. Inaoana na miundo ya seli ya mawasiliano ya nyuma na isiyo na busbar na inaweza kupata vigezo vingi vya IV, EQE na PL katika mlolongo mmoja wa majaribio.
Utafiti huu ulitumia spectrometry ya wingi ya ioni ya pili ya muda wa kuruka, au ToF-SIMS, pamoja na spectroscopy ya photoelectron ya X-ray ya wasifu wa kina, au XPS, kufuatilia usambazaji wa elementi na mabadiliko ya dhamana za kemikali katika tabaka za Al₂O₃/SiNₓ kabla na baada ya mfiduo wa UV60. Matokeo yanaonyesha kwamba kuvunjika kwa dhamana ya N–H hufanya kama chanzo cha pili cha hidrojeni pamoja na kuvunjika kwa dhamana ya Si–H. Mfiduo wa UV pia huharibu dhamana za Al–O katika Al₂O₃ isiyo na fuwele, na kuunda idadi kubwa ya nafasi za oksijeni. Mbinu za pamoja za hidrojeni na oksijeni huongeza upitishaji wa uso na kutoa msingi wazi zaidi wa kuboresha kuegemea kwa tabaka la upitishaji.
Mbinu ya Majaribio
Millennial Solar
(a) Muundo wa skimu wa seli ya jua ya TOPCon; (b) sampuli ya muundo wa mbele wenye ulinganifu; (c) sampuli ya muundo wa nyuma wenye ulinganifu.
Sampuli mbili za muundo wenye ulinganifu zilitayarishwa. Muundo wa mbele ulikuwa SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. Muundo wa nyuma ulijumuisha tabaka za SiOₓ/n⁺-poly-Si. Uchakavu wa UV ulifanywa katika kiwango cha moduli kwa kutumia chanzo cha mwanga kinachotawaliwa na UV-A na takriban 11% UV-B. Masharti ya jaribio yalikuwa 60°C na unyevu wa 30%.
| Kipengee cha jaribio | Hali au usanidi |
|---|---|
| Sampuli ya mbele yenye ulinganifu | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Sampuli ya nyuma yenye ulinganifu | Muundo ulio na tabaka za SiOₓ/n⁺-poly-Si |
| Chanzo cha UV | Hasa UV-A, na takriban 11% UV-B |
| Joto la jaribio | 60°C |
| Unyevu wa jamaa | 30% |
| Kiwango cha juu cha dozi ya UV kilichoripotiwa | 60 kWh·m⁻², kinachojulikana kama UV60 |
| Mbinu kuu za uchambuzi | ToF-SIMS na XPS ya wasifu wa kina |
Mwangaza wa spectral wa chanzo cha mwanga wa ultraviolet.
Upinzani wa UV wa Miundo ya Mbele na Nyuma
Millennial Solar
Mabadiliko katika sampuli za mbele na nyuma zenye ulinganifu wakati wa mfiduo wa UV: (a) muda mzuri wa carrier, τeff, kwa mkusanyiko wa carrier ulioingizwa wa 1 × 10¹⁵ cm⁻³; (b) voltage ya mzunguko wazi iliyodokezwa, iVoc; na (c) msongamano wa sasa wa upande mmoja wa kueneza, J₀.
Muundo wa nyuma wenye ulinganifu ulionyesha uharibifu mdogo tu baada ya 60 kWh·m⁻² ya mfiduo wa UV. Safu yake ya poly-Si ya 120 nm ilinyonya karibu mionzi yote ya UV iliyoingia na kutoa ulinzi mzuri kwa kiolesura cha chini.
Muundo wa mbele wenye ulinganifu uliharibika zaidi kwa kiasi kikubwa:
Muda mzuri wa carrier, τeff, ulipungua kutoka 2,895.6 μs hadi 1,552.8 μs.
Voltage ya mzunguko wazi iliyodokezwa, iVoc, ilipungua kutoka 735.5 mV hadi 715.2 mV.
J₀ ya upande mmoja iliongezeka hadi 18.4 fA·cm⁻², takriban mara tatu ya thamani yake ya awali.
Utendaji wa upitishaji wa Al₂O₃/SiNₓ uliharibika kwa kiasi kikubwa.
Matokeo haya yanathibitisha kwamba mkusanyiko wa SiNₓ/Al₂O₃ wa mbele ni hatari zaidi kwa mfiduo wa ultraviolet kuliko muundo wa nyuma wa SiOₓ/poly-Si.
Mageuzi ya Muundo wa Kemikali
Millennial Solar
Maelezo ya kina ya ToF-SIMS ya (a) hidrojeni na (b) nguvu ya oksijeni katika sampuli za mbele zilizong'aa kabla na baada ya mfiduo wa UV60.
ToF-SIMS ilionyesha kupanda kwa wazi kwa mkusanyiko wa hidrojeni baada ya mfiduo wa mionzi ya ultraviolet, hasa ndani ya safu ya SiNₓ. Uchambuzi wa wasifu wa kina wa ishara ya N 1s XPS uligundua kuwa uwiano wa vifungo vya N–H kwenye kiolesura cha SiNₓ/Al₂O₃ ulipungua kutoka 9.64% hadi 5.97%. Hii inathibitisha kwamba kuvunjika kwa kifungo cha N–H ni chanzo kingine muhimu cha hidrojeni pamoja na mtengano wa kifungo cha Si–H.
Baadhi ya hidrojeni iliyotolewa ilienea kuelekea uso wa SiNₓ na kuungana tena na silicon. Hii inaelezea kwa nini uwiano wa N–H karibu na uso uliongezeka badala ya kuendelea kupungua.
Mageuzi ya oksijeni pia yalikuwa muhimu. Mkusanyiko wa oksijeni ndani ya safu ya Al₂O₃ ulipungua kidogo, wakati uliongezeka kwenye viwiliwili vya SiNₓ/Al₂O₃ na Al₂O₃/Si. Usambazaji huu unaonyesha kwamba oksijeni iliyotolewa na kuvunjika kwa kifungo cha Al–O ilienea nje kutoka kwenye filamu ya Al₂O₃.
Nishati ya kifungo cha Al–O katika fuwele bora ni takriban 5.3 eV. Al₂O₃ isiyo na fuwele ni tofauti. Ioni za alumini zisizo na uratibu wa kutosha na nafasi zilizo na chaji hasi za oksijeni zinaweza kupunguza nishati ya uanzishaji ya kuvunja vifungo vya karibu vya Al–O hadi karibu 2.4 eV. Fotoni ya ultraviolet ya 400 nm hubeba takriban 3.1 eV, ambayo tayari inatosha kuanzisha mchakato huu.
Spectra za XPS za wasifu wa kina wa N 1s kwenye viwiliwili tofauti vya Al₂O₃/SiNₓ kabla na baada ya mfiduo wa UV60, ikijumuisha vifungo vya N–Si vilivyowekwa kwenye 397.5 eV na vifungo vya N–H kwenye 399.5 eV.
Matokeo ya XPS ya O 1s yalionyesha ubadilishaji kutoka oksijeni ya kimiani, inayotambuliwa kama OI, kuelekea vipengele vinavyohusiana na nafasi za oksijeni, vinavyotambuliwa kama OII. Katika spectra za Al 2p, uwiano wa Al₂O₃ ulipungua kutoka 69.99% hadi 60.36%, wakati Al–OH iliongezeka kutoka 30.01% hadi 39.64%.
Spectra za Si 2p pia zilionyesha ongezeko la Si²⁺ na kupungua kwa hali za juu za uoksidishaji wa silicon. Elektroni zilizotolewa wakati wa uundaji wa nafasi za oksijeni zilipunguza silicon kutoka hali za juu za uoksidishaji. Mabadiliko haya yaliyoratibiwa katika vifungo vya oksijeni, alumini na silicon yanaonyesha uharibifu mpana wa filamu ya Al₂O₃ badala ya mmenyuko mmoja wa kuvunja kifungo uliotengwa.
Kupungua kwa Utendaji wa Umeme
Millennial Solar
Mikondo ya EQE na reflectance ya seli ya jua ya TOPCon kabla na baada ya mfiduo wa UV60.
Reflectance ilibaki karibu bila mabadiliko baada ya mfiduo wa UV60. EQE ilionyesha kupungua kwa wastani katika eneo la wavelength fupi chini ya 500 nm, ambayo inalingana na kuungana tena kwa nguvu kwenye uso wa mbele.
Mabadiliko katika upinzani wa mawasiliano ya mbele ya seli ya jua ya TOPCon wakati wa mfiduo wa UV60.
Upinzani wa mawasiliano ya mbele uliongezeka karibu kwa mstari na kipimo cha UV, kufikia 4.1 mΩ·cm², takriban mara 8.6 ya thamani yake ya awali. Utaratibu uliopendekezwa unahusishwa na hidrojeni na oksijeni zinazohamishika zinazozalishwa ndani ya tabaka za passivation. Spishi hizi huenea kuelekea kiolesura cha electrode na kushiriki katika athari za oxidation-reduction.
Mionzi ya UV pia inaweza kubadilisha molekuli za maji kwenye uso wa fedha kuwa radicals za hydroxyl. Kwa pamoja, athari hizi zinakuza kutu ya electrode ya chuma na kuongeza upinzani wa mawasiliano.
Kupungua kwa utendaji wa umeme wa seli ya jua ya TOPCon wakati wa mfiduo wa UV60: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; na (d) ufanisi.
Hasara za mwisho za umeme ziligawanywa katika vigezo kadhaa:
Voc ilipungua kwa 3.46%, hasa kutokana na kupungua kwa ubora wa passivation ya uso wa mbele na ongezeko la J₀.
FF ilipungua kwa 2.82%, hasa kutokana na ongezeko kubwa la upinzani wa mawasiliano ya mbele.
Jsc ilipungua kwa 0.64% tu, kwani hasara ya EQE ilikuwa mdogo hasa katika eneo la wavelength fupi.
Ufanisi wa ubadilishaji ulipungua kwa 6.72% baada ya mfiduo wa UV60.
Muundo wa mbele wa SiNₓ/Al₂O₃ wa seli ya jua ya TOPCon kwa hiyo una upinzani mdogo zaidi dhidi ya mionzi ya ultraviolet kuliko muundo wa nyuma. Chini ya mfiduo wa UV, vifungo vya Si–H na N–H vinavunjika na kutoa hidrojeni inayohamishika. Vifungo vya Al–O katika Al₂O₃ isiyo na fuwele pia vinaharibiwa, vikitoa oksijeni na kuzalisha msongamano mkubwa wa nafasi za oksijeni. Wakati huo huo, Al₂O₃ inabadilika kuelekea Al–OH na usambazaji wa hali ya oxidation ya silicon hubadilika.
Utaratibu wa uharibifu unaohusishwa na hidrojeni na oksijeni hufanya kazi pamoja kuzidisha kuungana tena kwa uso. Ongezeko linaloambatana la upinzani wa mawasiliano ya mbele linaongeza hasara tofauti ya umeme, na kusababisha kipimo cha kupungua kwa ufanisi kwa 6.72%. Matokeo haya yanatoa marejeleo muhimu kwa kuelewa UVID wa TOPCon na kuboresha kuegemea kwa muda mrefu kwa mifumo ya upitishaji ya upande wa mbele.
Maoni ya Ooitech
Jambo kuu ni kwamba UVID wa TOPCon hauwezi kuchukuliwa kama tatizo rahisi la dhamana ya Si–H. Kemia ya upitishaji, udhibiti wa upungufu wa oksijeni na uthabiti wa metallization zinahitaji kutathminiwa pamoja, hasa wakati wa kuhakiki michakato ya uzalishaji wa moduli kwa huduma ndefu ya nje. Ufuatiliaji wa IV usio wa mawasiliano, EQE na PL unaweza kusaidia kutambua hasara hizi mapema bila kuongeza uharibifu wa mawasiliano ya kimwili kwenye miundo ya seli inayozidi kuwa nyeti.
