UVID dans les cellules solaires TOPCon : les tests IV sans contact suivent la dégradation de la passivation et une perte d'efficacité de 6,72 %

Introduction

Les cellules solaires TOPCon dominent désormais le marché photovoltaïque grâce à une forte passivation de surface et à des contacts sélectifs de porteurs. Mais l'exploitation en extérieur expose un véritable point faible : la dégradation induite par UV, ou UVID. Après irradiation UV60, l'efficacité chute jusqu'à 6,72 %.

La plupart des travaux antérieurs attribuaient l'UVID à la rupture des liaisons Si-H par des photons à haute énergie, libérant de l'hydrogène libre. Ce n'est qu'une partie de l'histoire. Le spectre UV solaire couvre une large gamme d'énergie de 3,1 à 4,43 eV, donc son interaction avec les couches de surface avant va bien au-delà d'une simple voie de rupture Si-H. Et l'empilement avant Al₂O₃ / SiNₓ est bien plus faible contre les UV que le côté arrière.

Un testeur IV sans contact aide beaucoup ici. Il est non destructif, utilise zéro consommable, fonctionne à une vitesse de milliseconde, fonctionne avec les conceptions BC et sans busbar, et extrait les paramètres IV, EQE et PL en une seule prise.

Cette étude utilise ToF-SIMS et XPS à profilage en profondeur pour suivre la distribution des éléments et les changements de liaisons chimiques dans les couches Al₂O₃ / SiNₓ avant et après UV60. Le résultat : la rupture de liaison N-H est une deuxième source d'hydrogène en plus de Si-H. Les liaisons Al-O dans l'Al₂O₃ amorphe sont rompues par les UV et génèrent un grand nombre de lacunes d'oxygène. Les mécanismes de l'hydrogène et de l'oxygène s'accumulent et aggravent la recombinaison de surface, donnant une direction claire pour améliorer la fiabilité de la passivation.

Méthode Expérimentale

(a) Schéma de la structure de la cellule solaire TOPCon (b) échantillon symétrique de structure avant (c) échantillon symétrique de structure arrière

Des échantillons symétriques de structure avant (SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ) et des échantillons symétriques de structure arrière (avec couche SiOₓ/n⁺-poly-Si) ont été préparés. Le vieillissement UV a été réalisé au niveau du module. La source lumineuse était principalement UV-A avec environ 11 % UV-B, à 60 °C et 30 % d'humidité.

Irradiance spectrale de la source lumineuse UV

Structure avant vs arrière : résistance aux UV comparée

Changements dans (a) τeff à une concentration de porteurs injectés de 1×10¹⁵ cm⁻³, (b) iVoc, et (c) J₀ unilatéral pour les échantillons symétriques de structure avant et arrière pendant l'exposition aux UV

La structure arrière symétrique s'est à peine dégradée après 60 kWh·m⁻² d'exposition aux UV. Sa couche de poly-Si de 120 nm d'épaisseur absorbe presque toute la lumière UV et offre un blindage efficace.

La structure avant a révélé une tout autre histoire. τeff a chuté de 2895,6 μs à 1552,8 μs. iVoc est passé de 735,5 mV à 715,2 mV. Le J₀ unilatéral a grimpé à 18,4 fA·cm⁻², soit environ trois fois la valeur initiale. La passivation Al₂O₃ / SiNₓ s'est fortement dégradée.

Évolution de la composition chimique

Profils de profondeur d'intensité de (a) l'hydrogène et (b) de l'oxygène dans l'échantillon poli de structure avant symétrique avant et après UV60, mesurés par ToF-SIMS

Le ToF-SIMS montre une concentration d'hydrogène en nette augmentation après exposition aux UV, en particulier à l'intérieur de la couche SiNₓ. Le profilage XPS en profondeur de N 1s montre qu'à l'interface SiNₓ / Al₂O₃, la fraction de liaison N–H est passée de 9,64 % à 5,97 %. Ainsi, la rupture des liaisons N–H est la deuxième source d'hydrogène au-delà de Si–H. L'hydrogène libéré diffuse vers la région de surface du SiNₓ et s'y recombine avec le silicium, ce qui explique pourquoi la fraction N–H augmente en réalité près de cette surface.

L'oxygène raconte une histoire tout aussi importante. L'oxygène dans la couche Al₂O₃ a légèrement diminué, tandis que l'oxygène aux interfaces SiNₓ/Al₂O₃ et Al₂O₃/Si a augmenté. Cela indique la rupture des liaisons Al–O et la migration de l'oxygène libre vers l'extérieur. L'énergie de liaison Al–O dans un cristal idéal est d'environ 5,3 eV. Mais dans l'Al₂O₃ amorphe, les ions aluminium sous-coordonnés et les lacunes d'oxygène piègent les électrons et deviennent chargés négativement, abaissant l'énergie d'activation pour la rupture des liaisons Al–O adjacentes à environ 2,4 eV. Cela signifie que la lumière UV de 400 nm (3,1 eV) est suffisante pour les rompre.

Spectres XPS de profilage en profondeur N 1s à différentes interfaces de la couche Al₂O₃/SiNₓ avant et après UV60, avec courbes ajustées pour les liaisons N–Si (397,5 eV) et N–H (399,5 eV)

Le XPS O 1s montre l'oxygène du réseau (OI) se convertissant en lacunes d'oxygène (OII). Dans les spectres Al 2p, la fraction Al₂O₃ est passée de 69,99 % à 60,36 % tandis que Al–OH a augmenté de 30,01 % à 39,64 %. Dans les spectres Si 2p, Si²⁺ a augmenté tandis que le silicium à valence plus élevée a diminué. Les électrons libérés lors de la formation des lacunes d'oxygène réduisent le silicium de ses états d'oxydation supérieurs. Pris ensemble, ces changements dans les liaisons de l'oxygène, de l'aluminium et du silicium montrent que la qualité du film Al₂O₃ a déjà souffert.

Dégradation des performances électriques

Courbes EQE et de réflectance de la cellule solaire TOPCon avant et après UV60

Changement de la résistivité de contact avant de la cellule solaire TOPCon pendant l'exposition UV60

La réflectance est restée fondamentalement inchangée après UV60. L'EQE a montré une baisse modérée dans la région des courtes longueurs d'onde en dessous de 500 nm, correspondant à une recombinaison de surface avant plus forte. La résistivité de contact avant a augmenté presque linéairement avec la dose UV, atteignant 4,1 mΩ·cm², soit environ 8,6 fois plus élevée. La cause : l'hydrogène libre et l'oxygène générés dans la couche de passivation diffusent vers l'interface de l'électrode et participent à des réactions redox. Les UV convertissent également les molécules d'eau sur la surface de l'argent en radicaux hydroxyles, et ensemble, ils corrodent l'électrode métallique.

Taux de dégradation des performances électriques pendant l'exposition UV60 : (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff

La Voc a chuté de 3,46 % en relatif, entraînée par la dégradation de la passivation de surface avant et l'augmentation de J₀. Le FF a baissé de 2,82 %, entraîné par une résistivité de contact avant plus élevée. La Jsc n'a baissé que de 0,64 %, car la perte d'EQE en courtes longueurs d'onde était limitée. La perte finale d'efficacité de conversion photoélectrique a atteint 6,72 %.

Conclusion

La structure avant SiNₓ/Al₂O₃ des cellules TOPCon est bien plus faible contre les UV que la structure arrière. Sous UV, les liaisons Si–H et N–H se rompent en séquence et libèrent de l'hydrogène libre. Les liaisons Al–O dans l'Al₂O₃ amorphe se rompent sous UV, libérant de l'oxygène libre et créant un grand nombre de lacunes d'oxygène. L'Al₂O₃ se convertit vers Al–OH et la valence du silicium se déplace. Ces deux mécanismes de dégradation, hydrogène et oxygène, s'empilent et aggravent la recombinaison de surface. Ajoutez la forte augmentation de la résistivité de contact avant, et le résultat est une perte d'efficacité de 6,72 %. Ce travail offre une référence utile pour comprendre l'UVID des TOPCon et pour améliorer la fiabilité à long terme des couches de passivation.

Point de vue d'Ooitech

L'UVID continue de prouver que l'empilement avant est là où la fiabilité est vraiment testée, donc la façon dont vous construisez et contrôlez le dépôt et l'encapsulation de SiNₓ/Al₂O₃ sur une ligne de modules compte autant que la recette de la cellule. Sur nos lignes de modules TOPCon et PERC clés en main, nous voyons la même leçon se jouer du côté de l'empilement, de la stratification et de l'EL : de petits choix de processus décident si les panneaux tiennent en extérieur pendant des années. Si vous voulez plus de vues pratiques depuis le sol de l'usine, la chaîne YouTube d'Ooitech à www.youtube.com/ooitech vaut le détour.