Dégradation thermique et dynamique LeTID dans les cellules solaires à contact arrière de type n

Introduction du produit

Les cellules solaires à contact arrière interdigité (IBC) déplacent les deux contacts métalliques de polarité vers l'arrière. La face avant ne présente pas d'ombrage de grille, donc les avantages optiques de la texturation et du revêtement antireflet sont pleinement exploités. Associé à une bonne passivation et à un processus de contact, l'IBC de type n peut atteindre une tension de circuit ouvert et une densité de courant très élevées.

Le compromis est une sensibilité structurelle intégrée à la conception. Les porteurs minoritaires photogénérés doivent se déplacer latéralement à travers la base avant que l'émetteur interdigité arrière puisse les collecter. Les performances du dispositif dépendent fortement de la durée de vie en volume et de la qualité de la passivation arrière. Une fois que la recombinaison à l'interface arrière ou la fuite de contact est activée thermiquement, la densité de courant de saturation sombre J0 augmente de manière disproportionnée, et Voc en subit les conséquences.

C'est exactement le point d'entrée de ce travail. Sur une cellule IBC de type n, trois ensembles de preuves sont placés dans le même environnement thermique afin qu'ils se verrouillent ensemble : mesures J-V éclairées de 25 à 85°C, expérience de stress LeTID menée sous un soleil à 45 à 85°C pendant jusqu'à 960 minutes, et analyse I-V sombre sur la même plage de température.

Conception expérimentale

Schéma de coupe transversale de la cellule IBC de type n : contacts arrière interdigités émetteur p+ et BSF n+, texturation avant et ARC.

La cellule de test a une superficie de 258,3 cm², une épaisseur de plaquette de 151 ± 6 μm, une période interdigitée arrière d'environ 480 μm, et des largeurs de doigts d'émetteur et de BSF d'environ 250 μm et 90 μm. Les mesures éclairées ont été effectuées à AM1.5G, 100 mW/cm². À chaque point de température, après stabilisation thermique, cinq balayages ont été moyennés. Le stress LeTID a été mesuré directement à la température de stress, sans refroidissement en cours de test, et enregistré à des intervalles exponentiels de 1, 2, 4, 8 minutes et ainsi de suite. Chaque paramètre a été normalisé à sa valeur initiale, ce qui sépare la dynamique de dégradation intrinsèque de l'effet instantané du coefficient de température.

Sensibilité thermique en régime permanent

Évolution thermique normalisée de quatre paramètres par rapport à leurs propres valeurs à 25°C.

À 25°C, la cellule présente une Jsc d'environ 38,6 mA/cm², une Voc d'environ 0,743 V, un FF d'environ 79 % et un rendement d'environ 22,7 %. En chauffant à 85°C, la Jsc n'augmente que d'environ 3 % (+0,0203 mA·cm⁻²·K⁻¹, soit environ +0,05 %/K). La Voc diminue linéairement à −1,4 mV/K (environ −0,2 %/°C). Le rendement chute d'environ 9 % et le FF bouge à peine.

La faible augmentation du courant provient du rétrécissement de la bande interdite. Selon la relation de Varshni, le seuil d'absorption se déplace vers des longueurs d'onde plus longues, ce qui donne un léger coup de pouce à la photogénération. La décroissance rapide de la tension provient de la croissance exponentielle de J0(T), régie par la concentration intrinsèque de porteurs et l'activité de recombinaison. La Voc évolue avec ln(Jsc/J0), donc une augmentation modérée de J0 suffit à provoquer une perte mesurable.

Ce coefficient de température se situe dans la plage de −1,3 à −1,6 mV/K courante pour les dispositifs en silicium cristallin de haute qualité. Il marque une cellule limitée par la recombinaison plutôt que par la résistance ou le transport. Après normalisation, le classement est tout aussi clair : à 85°C, la Voc chute d'environ 15 %, le rendement d'environ 9 %, le FF reste dans ±1 % et la Jsc gagne en réalité environ 3 %.

Dynamique LeTID

Dynamique de dégradation LeTID.

La mesure en régime permanent ne répond qu'à la question « à quel point c'est chaud ». L'expérience de contrainte LeTID comble le vide sur « comment cela évolue dans le temps ». À 85°C, la Voc chute rapidement dans les 10 à 30 premières minutes, puis s'approche lentement d'une quasi-saturation. À des températures plus basses, la décroissance est beaucoup plus douce. Après 960 minutes, la Voc tombe à environ 0,69 V, la Jsc reste dans ±2 % tout au long, le FF fluctue légèrement et aucune régénération n'apparaît dans la fenêtre expérimentale. Étant donné que les mesures ont été prises à la température de contrainte après stabilisation thermique, la chute précoce de tension doit être attribuée à une activation rapide des états de défauts plutôt qu'à un équilibre thermique transitoire. La stabilité de la Jsc indique que la photogénération et l'extraction en court-circuit n'ont pas été affectées, donc la perte dominante n'est pas limitée par la génération. Les auteurs notent également une limitation : il n'y a pas d'expérience de contrôle par recuit à l'obscurité, donc la contribution d'un effet purement thermique ne peut pas être totalement exclue.

Vérification à l'état sombre

Comportement électrique sombre et canaux de fuite : (a) courbes J-V sombres, (b) résistance différentielle, (c) résistances shunt et série extraites, (d) analyse d'Arrhenius de la conductance shunt donnant Ea ≈ 1,10 eV.

La courbe I-V sombre aborde le même problème depuis l'extérieur du régime éclairé. Le courant direct augmente nettement avec la température. La pente à faible polarisation montre une résistance shunt qui chute clairement, tandis que la région à fort courant change peu. Ainsi, l'évolution de la résistance pilotée par la température est dominée par l'activation des fuites, et non par la dégradation de la résistance série. Le facteur d'idéalité se maintient entre 1,05 et 1,25, ce qui signifie que la recombinaison par diffusion domine, avec une possible contribution SRH à haute température.

Une analyse d'Arrhenius de la conductance shunt donne un bon ajustement linéaire de ln(1/Rsh) en fonction de 1/T (R² = 0,97), avec une énergie d'activation de 1,10 ± 0,08 eV. Cela est comparable à la bande interdite du silicium (environ 1,12 eV) et se situe dans la plage LeTID rapportée de 0,8 à 1,2 eV. Une énergie d'activation à l'échelle de la bande interdite est souvent liée à une conduction assistée par des défauts de niveau profond, mais une contribution de la concentration intrinsèque de porteurs ne peut être exclue. Cela soutient donc un comportement de fuite thermiquement activé sans identifier une espèce de défaut spécifique.

Cadre unifié et extrapolation sur le terrain

Trois lignes de preuves convergent vers un cadre phénoménologique unique : J0(t, T) = J0,intr(T) + A·Ndef(t, T). En plus du courant de saturation intrinsèque se trouve une contribution de défauts thermiquement activée qui évolue avec le temps et la température. Cela se convertit ensuite en perte de tension via Voc = (nkT/q)·ln(Jsc/(J0 + 1)). L'amélioration de la recombinaison et l'activation des fuites fonctionnent en parallèle dans la même expression. Le coefficient de température en régime permanent, la dynamique LeTID et l'évolution des fuites sombres sont ainsi liés. Le cadre n'identifie pas une identité de défaut spécifique.

En extrapolant au fonctionnement en extérieur : sous un fort ensoleillement, les températures des cellules des modules se situent souvent entre 50 et 65 °C. En utilisant −1,4 mV/K, 60 °C par rapport à 25 °C signifie environ 49 mV de perte de tension, et le LeTID accéléré par la température ajoute une perte dépendante du temps par-dessus. Les conclusions ne s'appliquent qu'à la cellule mesurée. Pour les TOPCon à contact arrière et les HJT à contact arrière, elles ne constituent qu'une référence qualitative : l'ampleur de la dégradation, l'énergie d'activation et la dynamique de régénération dépendent du schéma de contact passivant de chacun, de la qualité de l'interface, de la distribution de l'hydrogène et de la stabilité thermique, et méritent une étude comparative dédiée. Pour les dispositifs à contact arrière à haute efficacité dans les climats chauds, la robustesse de la tension et le rendement énergétique à long terme reposent en fin de compte sur la stabilité de la passivation arrière et la gestion des défauts.

Point de vue d'Ooitech

Ce qui nous frappe ici, c'est à quel point ces 49 mV de perte en extérieur se situent sur la face arrière, où la passivation et la qualité des contacts déterminent la Voc à long terme. Sur la ligne de modules, l'histoire est la même : la façon dont vous découpez, assemblez et stratifiez une cellule IBC décide si cette stabilité arrière survit sur le terrain. Ayant construit des lignes clés en main pour les configurations IBC et HPBC, nous considérons la robustesse LeTID comme un problème de procédé et de matériaux autant que de cellule. Cela vaut la peine de suivre notre chaîne YouTube www.youtube.com/ooitech si vous voulez voir comment les modules à contacts arrière sont réellement fabriqués.