Étude UVID des cellules TOPCon : tests IV sans contact suivent la dégradation de la passivation et une perte d'efficacité de 6,72 %
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UVID de cellule TOPCon et tests IV sans contact
Les cellules solaires TOPCon ont gagné une position de leader sur le marché photovoltaïque grâce à leur forte passivation de surface et leurs contacts sélectifs de porteurs. Cependant, le fonctionnement en extérieur les expose à la dégradation induite par les ultraviolets, ou UVID. Dans cette étude, l'efficacité de conversion a chuté de 6,72 % après une exposition UV60.
Des travaux antérieurs associaient souvent l'UVID principalement à la rupture des liaisons Si–H par les photons à haute énergie et à la libération d'hydrogène mobile. Le spectre ultraviolet solaire couvre une gamme d'énergie photonique beaucoup plus large de 3,1–4,43 eV, donc son interaction avec les matériaux de surface avant ne peut pas être expliquée uniquement par la rupture des liaisons Si–H. L'empilement avant Al₂O₃/SiNₓ montre également une résistance aux UV beaucoup plus faible que la structure arrière.
Le testeur IV sans contact Millennial Solar fournit des tests non destructifs sans consommables et une vitesse de mesure de l'ordre de la milliseconde. Il est compatible avec les conceptions de cellules à contact arrière et sans barre omnibus et peut obtenir des paramètres IV, EQE et PL multidimensionnels en une seule séquence de test.
Cette étude a utilisé la spectrométrie de masse des ions secondaires à temps de vol, ou ToF-SIMS, ainsi que la spectroscopie photoélectronique à rayons X à profondeur variable, ou XPS, pour suivre la distribution élémentaire et les changements de liaisons chimiques dans les couches Al₂O₃/SiNₓ avant et après exposition UV60. Les résultats montrent que la rupture des liaisons N–H agit comme une deuxième source d'hydrogène en plus de la rupture des liaisons Si–H. L'exposition aux UV endommage également les liaisons Al–O dans l'Al₂O₃ amorphe, créant un grand nombre de lacunes d'oxygène. Les mécanismes combinés de l'hydrogène et de l'oxygène augmentent la recombinaison de surface et fournissent une base plus claire pour améliorer la fiabilité de la couche de passivation.
Méthode Expérimentale
Millennial Solar
(a) Structure schématique de la cellule solaire TOPCon ; (b) échantillon symétrique de structure avant ; (c) échantillon symétrique de structure arrière.
Deux échantillons de structure symétrique ont été préparés. La structure avant était SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. La structure arrière comprenait des couches SiOₓ/n⁺-poly-Si. Le vieillissement UV a été réalisé au niveau du module en utilisant une source lumineuse dominée par les UV-A avec environ 11 % d'UV-B. Les conditions de test étaient de 60 °C et 30 % d'humidité relative.
| Élément de test | Condition ou configuration |
|---|---|
| Échantillon symétrique avant | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| Échantillon symétrique arrière | Structure contenant des couches SiOₓ/n⁺-poly-Si |
| Source UV | Principalement UV-A, avec environ 11 % d'UV-B |
| Température de test | 60°C |
| Humidité relative | 30% |
| Dose UV maximale rapportée | 60 kWh·m⁻², identifié comme UV60 |
| Principales méthodes d'analyse | ToF-SIMS et XPS à profil de profondeur |
Irradiance spectrale de la source lumineuse ultraviolette.
Résistance aux UV des structures avant et arrière
Millennial Solar
Évolutions des échantillons symétriques avant et arrière pendant l'exposition UV : (a) durée de vie effective des porteurs, τeff, à une concentration de porteurs injectés de 1 × 10¹⁵ cm⁻³ ; (b) tension de circuit ouvert implicite, iVoc ; et (c) densité de courant de saturation côté unique, J₀.
La structure arrière symétrique n'a montré qu'une dégradation mineure après 60 kWh·m⁻² d'exposition UV. Sa couche de poly-Si de 120 nm a absorbé presque tout le rayonnement UV incident et a fourni une protection efficace à l'interface sous-jacente.
La structure avant symétrique s'est dégradée beaucoup plus sévèrement :
La durée de vie effective des porteurs, τeff, est passée de 2 895,6 μs à 1 552,8 μs.
La tension de circuit ouvert implicite, iVoc, a diminué de 735,5 mV à 715,2 mV.
La J₀ côté unique a augmenté à 18,4 fA·cm⁻², environ trois fois sa valeur initiale.
La performance de passivation Al₂O₃/SiNₓ s'est considérablement détériorée.
Ces résultats confirment que l'empilement avant SiNₓ/Al₂O₃ est considérablement plus vulnérable à l'exposition ultraviolette que la structure arrière SiOₓ/poly-Si.
Évolution de la composition chimique
Millennial Solar
Profils de profondeur ToF-SIMS de l'intensité (a) de l'hydrogène et (b) de l'oxygène dans des échantillons polis de structure frontale symétrique avant et après exposition UV60.
ToF-SIMS a montré une nette augmentation de la concentration d'hydrogène après exposition aux ultraviolets, en particulier à l'intérieur de la couche de SiNₓ. L'analyse du profil de profondeur du signal XPS N 1s a révélé que la proportion de liaisons N–H à l'interface SiNₓ/Al₂O₃ a diminué de 9,64 % à 5,97 %. Cela confirme que la rupture des liaisons N–H est une autre source importante d'hydrogène, parallèlement à la dissociation des liaisons Si–H.
Une partie de l'hydrogène libéré a diffusé vers la surface de SiNₓ et s'est à nouveau liée au silicium. Cela explique pourquoi la proportion locale de N–H près de la surface a augmenté plutôt que de continuer à diminuer.
L'évolution de l'oxygène était également critique. La concentration d'oxygène dans la couche d'Al₂O₃ a légèrement diminué, tandis qu'elle a augmenté aux interfaces SiNₓ/Al₂O₃ et Al₂O₃/Si. Cette distribution indique que l'oxygène libéré par la rupture des liaisons Al–O a diffusé vers l'extérieur du film d'Al₂O₃.
L'énergie de liaison Al–O dans un cristal idéal est d'environ 5,3 eV. L'Al₂O₃ amorphe est différent. Les ions aluminium sous-coordonnés et les lacunes d'oxygène chargées négativement peuvent abaisser l'énergie d'activation pour rompre les liaisons Al–O adjacentes à environ 2,4 eV. Un photon ultraviolet de 400 nm transporte environ 3,1 eV, ce qui est déjà suffisant pour déclencher ce processus.
Spectres XPS de profondeur N 1s à différentes interfaces Al₂O₃/SiNₓ avant et après exposition UV60, incluant les liaisons N–Si ajustées à 397,5 eV et les liaisons N–H à 399,5 eV.
Les résultats XPS O 1s ont montré une conversion de l'oxygène de réseau, identifié comme OI, vers des composants liés aux lacunes d'oxygène, identifiés comme OII. Dans les spectres Al 2p, la proportion d'Al₂O₃ est passée de 69,99 % à 60,36 %, tandis que Al–OH a augmenté de 30,01 % à 39,64 %.
Les spectres Si 2p ont également montré une augmentation de Si²⁺ et une diminution des états d'oxydation plus élevés du silicium. Les électrons libérés lors de la formation de lacunes d'oxygène ont réduit le silicium de ses états d'oxydation supérieurs. Ces changements coordonnés dans les liaisons de l'oxygène, de l'aluminium et du silicium indiquent des dommages étendus au film d'Al₂O₃ plutôt qu'une seule réaction de rupture de liaison isolée.
Dégradation des performances électriques
Millennial Solar
Courbes d'EQE et de réflectance de la cellule solaire TOPCon avant et après exposition UV60.
La réflectance est restée quasiment inchangée après l'exposition UV60. L'EQE a montré une baisse modérée dans la région des courtes longueurs d'onde en dessous de 500 nm, ce qui correspond à une recombinaison plus forte à la surface avant.
Variation de la résistivité du contact avant de la cellule solaire TOPCon pendant l'exposition UV60.
La résistivité du contact avant a augmenté presque linéairement avec la dose UV, atteignant 4,1 mΩ·cm², soit environ 8,6 fois sa valeur initiale. Le mécanisme proposé est lié à l'hydrogène et à l'oxygène mobiles générés à l'intérieur des couches de passivation. Ces espèces diffusent vers l'interface de l'électrode et participent à des réactions d'oxydo-réduction.
Le rayonnement UV peut également convertir les molécules d'eau à la surface de l'argent en radicaux hydroxyles. Ensemble, ces réactions favorisent la corrosion de l'électrode métallique et augmentent la résistance de contact.
Dégradation des performances électriques de la cellule solaire TOPCon pendant l'exposition UV60 : (a) Voc ; (b) Jsc ; (c) FF ; et (d) rendement.
Les pertes électriques finales étaient réparties sur plusieurs paramètres :
Voc a diminué de 3,46 %, principalement en raison de la dégradation de la passivation de la surface avant et de l'augmentation de J₀.
FF a diminué de 2,82 %, principalement à cause de la forte augmentation de la résistivité du contact avant.
Jsc n'a diminué que de 0,64 %, car la perte d'EQE était limitée principalement à la région des courtes longueurs d'onde.
Le rendement de conversion a diminué de 6,72 % après exposition UV60.
La structure avant SiNₓ/Al₂O₃ de la cellule solaire TOPCon a donc une résistance aux ultraviolets bien inférieure à celle de la structure arrière. Sous exposition UV, les liaisons Si–H et N–H se rompent et libèrent de l'hydrogène mobile. Les liaisons Al–O dans l'Al₂O₃ amorphe sont également endommagées, libérant de l'oxygène et générant une forte densité de lacunes d'oxygène. En même temps, Al₂O₃ évolue vers Al–OH et la distribution des états d'oxydation du silicium change.
Les mécanismes de dégradation liés à l'hydrogène et à l'oxygène agissent ensemble pour intensifier la recombinaison en surface. L'augmentation concomitante de la résistivité du contact avant ajoute une perte électrique distincte, conduisant à la dégradation mesurée de 6,72 % du rendement. Ces résultats offrent une référence utile pour comprendre l'UVID des TOPCon et améliorer la fiabilité à long terme des empilements de passivation avant.
Point de vue d'Ooitech
Le point clé est que l'UVID des TOPCon ne peut pas être traité comme un simple problème de liaison Si–H. La chimie de passivation, le contrôle des lacunes d'oxygène et la stabilité de la métallisation doivent être évalués ensemble, en particulier lors de la qualification des processus de production de modules pour une longue durée de vie en extérieur. Le suivi IV sans contact, EQE et PL peut aider à identifier ces pertes plus tôt sans ajouter de dommages mécaniques de contact aux conceptions de cellules de plus en plus délicates.
