Introduction

Le TOPCon a conquis la majeure partie du marché du c-Si à haut rendement, mais la fiabilité à long terme sur le terrain reste un objectif mouvant. Un point faible apparaît régulièrement dans les études de chaleur humide : la pile de passivation arrière. Une étude récente (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) a identifié ce qui se passe réellement lorsque des sels de sodium se déposent sur la surface de la cellule et restent à 85 °C/85 % HR. En bref, la couche arrière de SiNₓ est le point faible, et un mince film d'AlOₓ par ALD corrige la plupart des problèmes.

Principaux résultats

• La couche arrière de SiNₓ est le point faible face à la chaleur humide. L'acétate de sodium (CH₃COONa) a fait chuter la tension de circuit ouvert (Voc) arrière de 5,8 % et augmenté la résistance série (Rₛ) de 450 %.

• Les sels de sodium accélèrent l'oxydation de surface et la perte d'azote. Les analyses XPS ont montré que le rapport atomique Si/N arrière passait de 1,3 à 23, et O/N de 1,6 à 53.

• Une barrière ALD Al₂O₃ de 10 nm a fait une grande différence : la perte de PCE sous contamination par CH₃COONa est passée de 16 % à seulement 0,4 %.

• La passivation avant est beaucoup plus résistante. La multicouche AlOₓ/SiOᵧNᵣ bloque la diffusion du sodium, donc la contamination n'y a coûté que 0,87 % de PCE.

• Les deux contaminants agissent différemment : l'acétate de sodium attaque le contact métallique, tandis que le chlorure de sodium (NaCl) oxyde principalement la couche de passivation.

Contexte

La question centrale est simple à énoncer, mais plus difficile à répondre : pourquoi les cellules TOPCon perdent-elles en performance sous chaleur humide en présence de sels de sodium, et pourquoi la passivation arrière est-elle plus touchée (Kyranaki et al., 2022) ?

Où sont les lacunes

La plupart des travaux antérieurs se sont concentrés sur la corrosion des contacts métalliques (Iqbal et al., 2023), mais personne n'avait examiné systématiquement la dégradation chimique de la couche de passivation elle-même. Les empilements avant et arrière sont construits différemment — l'avant est AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, l'arrière est SiNₓ sur poly-Si dopé — et leur résistance à la corrosion n'avait jamais été directement comparée (Feldmann et al., 2014). De plus, les deux contaminants courants (CH₃COONa vs. NaCl) étaient considérés comme se comportant de la même manière, ce qui n'est pas le cas (Li et al., 2021).

Bien faire les choses a un impact financier réel. Les centrales photovoltaïques sont vendues avec une promesse de durée de vie de 25 ans (Peters et al., 2021), et un mode de défaillance côté arrière qui se manifeste sous humidité est exactement le type de problème qui réduit cette durée.

Approche

Le flux de travail est resté proche d'un flux de production réel : cellules TOPCon industrielles → pulvérisation locale de sel de sodium sur la face avant ou arrière → test accéléré en chaleur humide (85°C/85% HR) → caractérisation électrique et chimique → test d'une barrière AlOₓ par ALD → détermination du mécanisme de protection.

Ce qui est nouveau ici

Côté théorie, c'est la première étude à pointer la perte d'azote dans la couche arrière de SiNₓ comme principal moteur de la chute de Voc. Côté pratique, la couche de 10 nm d'AlOₓ est déposée sur un équipement ALD industriel standard et ne coûte qu'environ 0,01 % en efficacité absolue. Et méthodologiquement, l'équipe a construit un test DH au niveau cellule où 20 heures équivalent à plusieurs années de vieillissement extérieur (Sen et al., 2023).

La chaîne logique est facile à suivre : la contamination arrière provoque une forte chute de Voc, ce qui pointe directement vers une défaillance de la passivation. La spectroscopie XPS confirme ensuite la réaction d'oxydation du SiNₓ et le chemin de diffusion du sodium qu'elle ouvre. Ajoutez la couche d'AlOₓ, bloquez le sodium, et l'imagerie PL confirme que les défauts sont supprimés.

Méthodes

Préparation des échantillons

Comment cela a été mesuré

• Paramètres I-V (Pmax, Voc, FF, Jsc) via le système LOANA (pv-tools).

• Qualité de passivation via la durée de vie effective des porteurs minoritaires (τ_eff).

• Chimie de surface par XPS et SEM-EDS.

Résultats et discussion

Dégradation électrique

La face arrière est clairement la plus sensible. CH₃COONa sur la face arrière a fait chuter Voc de 5,8 %, augmenté Rₛ de 450 % (Tableau 1) et réduit l'intensité PL de 37,3 % (Fig. 3a). Le même traitement sur la face avant n'a coûté que 0,87 % de PCE. Même sel, résultat très différent selon la face touchée.

Décomposition chimique de la passivation

XPS sur la surface arrière a montré une forte augmentation de la fraction de liaison Si-O (Fig. 5b), avec le rapport atomique O/N passant de 1,6 dans le témoin à 53 dans le groupe CH₃COONa. Le mécanisme est une perte d'azote — la chaleur humide hydrolyse le SiNₓ et détruit la passivation de surface.

Ce que fait la barrière AlOₓ

Avec la couche AlOₓ ALD de 10 nm en place, la perte de PCE sous contamination arrière par CH₃COONa est passée de 16 % à 0,4 %, et Voc est resté stable (Fig. 6a). SEM-EDS a montré une teneur en sodium réduite de 86 % dans les échantillons AlOₓ (Fig. 6c), et PL n'a montré aucune activation de défauts (Fig. 6b). La barrière fait exactement ce que l'on souhaite — empêcher le sodium d'entrer.

Conclusion

Principaux enseignements

La couche arrière SiNₓ s'hydrolyse et s'oxyde sous chaleur humide et sel de sodium, ce qui fait chuter Voc et augmenter Rₛ (confirmé par XPS/EDS, Fig. 4-5). Une couche AlOₓ de 10 nm bloque la diffusion du sodium et maintient la perte de PCE DH85 en dessous de 1 % (Fig. 6a). Et la multicouche avant AlOₓ/SiOᵧNᵣ est intrinsèquement résistante à la corrosion, donc la contamination y est à peine perceptible.

Pourquoi c'est utile

La barrière AlOₓ peut être directement intégrée dans la production en série de TOPCon sur des équipements comme le Leadmicro QL200. À plus long terme, associer AlOₓ avec SiNₓ dans l'encapsulation de modules double-verre pourrait prolonger la durée de vie des installations dans les régions humides.

Un peu de contexte

• Structure TOPCon : un oxyde tunnel (SiO₂) plus un contact passivant en poly-Si dopé, qui réduit la recombinaison au niveau du métal (Feldmann et al., 2014).

• ALD : croissance de nano-couches couche par couche, offrant une couverture uniforme d'AlOₓ à l'échelle nanométrique.

• Test DH : vieillissement accéléré à 85 °C/85 % HR pour simuler la dégradation des modules dans les climats humides.

• Passivation SiNₓ : nitrure de silicium hydrogéné, bon pour l'anti-réflexion et la passivation de surface, mais il porte des liaisons pendantes et s'hydrolyse facilement.

Références

• 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., Contacts arrière passivés pour cellules solaires en silicium de type n à haut rendement, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.

• Li X. et al., Tests accélérés de chaleur humide sur cellules TOPCon utilisant NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.

• Peters I.M. et al., La valeur de la stabilité dans le photovoltaïque, Joule 5 (2021) 3137–3153.

Point de vue d'Ooitech

Ce qui ressort ici, c'est à quel point l'histoire de la fiabilité réside dans l'empilement de passivation arrière, et non dans le titre de conception de la cellule. Sur une ligne réelle, une étape supplémentaire de 10 nm d'AlOₓ par ALD est une assurance bon marché pour les projets en climat humide, et elle s'intègre dans la production standard de modules sans trop de difficultés. Nous construisons des lignes de modules clés en main de bout en bout, donc nous suivons de près ces résultats — de petites modifications de processus en amont décident souvent si une centrale tient 25 ans. Si vous voulez en savoir plus depuis l'usine, la chaîne YouTube Ooitech (www.youtube.com/ooitech) vaut le détour.