Cellules TOPCon sous chaleur humide : pourquoi la face arrière tombe en panne en premier

Introduction

Le TOPCon a conquis la majeure partie du marché du silicium cristallin à haut rendement, mais la fiabilité à long terme sur le terrain reste une cible mouvante. Un point faible ne cesse d'apparaître dans les études sur la 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 ALD AlOₓ corrige la majeure partie du problème.

Principaux résultats en bref

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

• Les sels de sodium accélèrent l'oxydation de surface et la perte d'azote. Le XPS a 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 là-bas n'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 poser, 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 se situent les lacunes

La plupart des travaux antérieurs se sont concentrés sur la corrosion des contacts métalliques (Iqbal et al., 2023), mais personne n'avait systématiquement examiné la dégradation chimique de la couche de passivation elle-même. Les piles avant et arrière sont construites 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, on pensait que les deux contaminants courants (CH₃COONa vs. NaCl) se comportaient de la même manière, et ce n'est pas le cas (Li et al., 2021).

Bien faire cela est important pour de l'argent réel. Les centrales photovoltaïques sont vendues sur une promesse de durée de vie de 25 ans (Peters et al., 2021), et un mode de défaillance côté arrière qui apparaît sous humidité est exactement le genre de chose qui empiète sur cela.

Approche

Le flux de travail a été maintenu proche d'un flux de production réel : cellules TOPCon industrielles → pulvérisation locale de sel de sodium sur la face avant ou arrière → chaleur humide accélérée (85°C/85% HR) → caractérisation électrique et chimique → tester une barrière ALD AlOₓ → élaborer le 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 SiNₓ comme principal moteur de la chute de Voc. Côté pratique, la couche AlOₓ de 10 nm fonctionne 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 représentent plusieurs années de vieillissement extérieur (Sen et al., 2023).

La chaîne logique est facile à suivre : la contamination arrière provoque une chute brutale de Voc, ce qui pointe directement vers une défaillance de passivation. La XPS confirme ensuite la réaction d'oxydation du SiNₓ et le chemin de diffusion du sodium qu'elle ouvre. Ajoutez la couche 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 via XPS et SEM-EDS.

Résultats et discussion

Dégradation électrique

La face arrière est clairement la plus sensible. Le CH₃COONa sur la face arrière a fait chuter la Voc de 5,8 %, a fait grimper la Rₛ de 450 % (Tableau 1) et a réduit l'intensité de 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

La XPS sur la surface arrière a montré une augmentation spectaculaire 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 barrière AlOₓ de 10 nm déposée par ALD, la perte de PCE sous contamination arrière par CH₃COONa est passée de 16 % à 0,4 %, et la Voc est restée stable (Fig. 6a). La SEM-EDS a montré une teneur en sodium réduite de 86 % dans les échantillons AlOₓ (Fig. 6c), et la PL n'a montré aucune activation de défauts (Fig. 6b). La barrière fait exactement ce que l'on attend d'elle — garder le sodium à l'écart.

Conclusion

Principaux enseignements

La couche arrière de SiNₓ s'hydrolyse et s'oxyde sous l'effet de la chaleur humide et du sel de sodium, ce qui fait chuter la Voc et augmenter la Rₛ (confirmé par XPS/EDS, Fig. 4-5). Une couche d'AlOₓ de 10 nm bloque la diffusion du sodium et maintient la perte de PCE DH85 sous 1 % (Fig. 6a). Et la multicouche frontale 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 à la production de masse TOPCon sur des équipements comme le Leadmicro QL200. À plus long terme, associer AlOₓ avec SiNₓ dans l'encapsulation de modules à double verre pourrait prolonger la durée de vie des centrales dans les régions humides.

Un peu de contexte

• Structure TOPCon : un oxyde tunnel (SiO₂) plus un contact passivant en poly-Si dopé, ce 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-reflet et la passivation de surface, mais il présente 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., Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.

• Li X. et al., Accelerated damp-heat testing of TOPCon cells using NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.

• Peters I.M. et al., The value of stability in photovoltaics, Joule 5 (2021) 3137–3153.

Point de vue d'Ooitech

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