TOPCon सेल UVID अध्ययन: गैर-संपर्क IV परीक्षण पैसिवेशन डिग्रेडेशन और 6.72% दक्षता हानि को ट्रैक करता है
विषय सूची
TOPCon सेल UVID और गैर-संपर्क IV परीक्षण
TOPCon सौर सेल अपने मजबूत सतह पैसिवेशन और वाहक-चयनात्मक संपर्कों के कारण फोटोवोल्टिक बाजार में अग्रणी स्थान प्राप्त कर चुके हैं। हालांकि, बाहरी संचालन उन्हें पराबैंगनी-प्रेरित गिरावट, या UVID के संपर्क में लाता है। इस अध्ययन में, रूपांतरण दक्षता में गिरावट आई UV60 एक्सपोजर के बाद 6.72%.
पिछले कार्यों में अक्सर UVID को मुख्य रूप से उच्च-ऊर्जा फोटॉनों द्वारा Si-H बंधनों को तोड़ने और मोबाइल हाइड्रोजन छोड़ने से जोड़ा गया था। सौर पराबैंगनी स्पेक्ट्रम बहुत व्यापक फोटॉन-ऊर्जा सीमा को कवर करता है 3.1–4.43 eV, इसलिए फ्रंट-सतह सामग्री के साथ इसकी बातचीत को केवल Si-H बंधन टूटने से नहीं समझाया जा सकता। फ्रंट Al₂O₃/SiNₓ स्टैक भी रियर-साइड संरचना की तुलना में बहुत कमजोर UV प्रतिरोध दिखाता है।
Millennial Solar गैर-संपर्क IV परीक्षक बिना किसी उपभोग्य सामग्री और मिलीसेकंड-स्तरीय माप गति के गैर-विनाशकारी परीक्षण प्रदान करता है। यह बैक-कॉन्टैक्ट और बसबारलेस सेल डिज़ाइनों के साथ संगत है और एक परीक्षण अनुक्रम में बहुआयामी IV, EQE और PL पैरामीटर प्राप्त कर सकता है।
इस अध्ययन में टाइम-ऑफ-फ्लाइट सेकेंडरी आयन मास स्पेक्ट्रोमेट्री, या ToF-SIMS, का उपयोग डेप्थ-प्रोफाइल एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी, या XPS, के साथ किया गया, ताकि UV60 एक्सपोजर से पहले और बाद में Al₂O₃/SiNₓ परतों में तत्व वितरण और रासायनिक बंधन परिवर्तनों को ट्रैक किया जा सके। परिणाम दिखाते हैं कि N-H बंधन टूटना Si-H बंधन टूटने के अलावा हाइड्रोजन का दूसरा स्रोत है। UV एक्सपोजर अनाकार Al₂O₃ में Al-O बंधनों को भी नुकसान पहुंचाता है, जिससे बड़ी संख्या में ऑक्सीजन रिक्तियां बनती हैं। संयुक्त हाइड्रोजन और ऑक्सीजन तंत्र सतह पुनर्संयोजन को बढ़ाते हैं और पैसिवेशन परत विश्वसनीयता में सुधार के लिए एक स्पष्ट आधार प्रदान करते हैं।
प्रायोगिक विधि
Millennial Solar
(a) TOPCon सौर सेल की योजनाबद्ध संरचना; (b) सममित फ्रंट-संरचना नमूना; (c) सममित रियर-संरचना नमूना।
दो सममित नमूना संरचनाएं तैयार की गईं। फ्रंट संरचना थी SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. पिछली संरचना में SiOₓ/n⁺-poly-Si परतें शामिल थीं। UV एजिंग मॉड्यूल स्तर पर एक प्रकाश स्रोत का उपयोग करके की गई जिसमें मुख्य रूप से UV-A और लगभग 11% UV-B था। परीक्षण की स्थितियाँ 60°C और 30% सापेक्ष आर्द्रता थीं।
| परीक्षण वस्तु | स्थिति या विन्यास |
|---|---|
| सामने का सममित नमूना | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| पिछला सममित नमूना | SiOₓ/n⁺-poly-Si परतों वाली संरचना |
| UV स्रोत | मुख्य रूप से UV-A, लगभग 11% UV-B के साथ |
| परीक्षण तापमान | 60°C |
| सापेक्ष आर्द्रता | 30% |
| अधिकतम रिपोर्ट की गई UV खुराक | 60 kWh·m⁻², जिसे UV60 के रूप में पहचाना गया |
| मुख्य विश्लेषण विधियाँ | ToF-SIMS और गहराई-प्रोफ़ाइल XPS |
पराबैंगनी प्रकाश स्रोत की वर्णक्रमीय विकिरण।
सामने और पीछे की संरचनाओं का UV प्रतिरोध
Millennial Solar
UV एक्सपोज़र के दौरान सममित सामने और पीछे की संरचना के नमूनों में परिवर्तन: (a) प्रभावी वाहक जीवनकाल, τeff, 1 × 10¹⁵ cm⁻³ की इंजेक्टेड वाहक सांद्रता पर; (b) निहित ओपन-सर्किट वोल्टेज, iVoc; और (c) एकल-पक्ष संतृप्ति धारा घनत्व, J₀।
सममित पिछली संरचना में केवल मामूली गिरावट दिखी 60 kWh·m⁻² UV एक्सपोज़र के बाद। इसकी 120 nm पॉली-Si परत ने लगभग सभी आपतित UV विकिरण को अवशोषित कर लिया और अंतर्निहित इंटरफ़ेस को प्रभावी सुरक्षा प्रदान की।
सममित सामने की संरचना अधिक गंभीर रूप से ख़राब हुई:
प्रभावी वाहक जीवनकाल, τeff, घट गया 2,895.6 μs से 1,552.8 μs.
निहित ओपन-सर्किट वोल्टेज, iVoc, घट गया 735.5 mV से 715.2 mV.
एकल-पक्ष J₀ बढ़कर 18.4 fA·cm⁻²हो गया, जो इसके प्रारंभिक मान का लगभग तीन गुना है।
Al₂O₃/SiNₓ पैसिवेशन प्रदर्शन काफी खराब हो गया।
ये परिणाम पुष्टि करते हैं कि सामने का SiNₓ/Al₂O₃ स्टैक पीछे के SiOₓ/poly-Si संरचना की तुलना में पराबैंगनी एक्सपोज़र के प्रति काफी अधिक संवेदनशील है।
रासायनिक संरचना का विकास
Millennial Solar
UV60 एक्सपोजर से पहले और बाद में पॉलिश किए गए सममित फ्रंट-स्ट्रक्चर नमूनों में (a) हाइड्रोजन और (b) ऑक्सीजन तीव्रता के ToF-SIMS गहराई प्रोफाइल।
ToF-SIMS ने पराबैंगनी एक्सपोजर के बाद हाइड्रोजन सांद्रता में स्पष्ट वृद्धि दिखाई, विशेष रूप से SiNₓ परत के अंदर। N 1s XPS सिग्नल के गहराई-प्रोफाइल विश्लेषण में पाया गया कि SiNₓ/Al₂O₃ इंटरफेस पर N–H बंधों का अनुपात 9.64% से घटकर 5.97% हो गया। यह पुष्टि करता है कि N–H बंध टूटना Si–H बंध पृथक्करण के साथ-साथ हाइड्रोजन का एक और महत्वपूर्ण स्रोत है।
कुछ मुक्त हाइड्रोजन SiNₓ सतह की ओर विसरित हो गया और सिलिकॉन के साथ पुनः बंध गया। यह बताता है कि सतह के पास स्थानीय N–H अनुपात क्यों बढ़ा, न कि गिरता रहा।
ऑक्सीजन का विकास भी महत्वपूर्ण था। Al₂O₃ परत के अंदर ऑक्सीजन सांद्रता थोड़ी कम हुई, जबकि SiNₓ/Al₂O₃ और Al₂O₃/Si दोनों इंटरफेस पर यह बढ़ी। यह वितरण इंगित करता है कि Al–O बंध टूटने से मुक्त ऑक्सीजन Al₂O₃ फिल्म से बाहर की ओर विसरित हुई।
एक आदर्श क्रिस्टल में Al–O बंध ऊर्जा लगभग 5.3 eVहोती है। अनाकार Al₂O₃ अलग है। अल्प-समन्वित एल्युमिनियम आयन और ऋणात्मक रूप से आवेशित ऑक्सीजन रिक्तियां आसन्न Al–O बंधों को तोड़ने के लिए सक्रियण ऊर्जा को लगभग 2.4 eVतक कम कर सकती हैं। एक 400 nm पराबैंगनी फोटॉन लगभग 3.1 eVवहन करता है, जो इस प्रक्रिया को शुरू करने के लिए पहले से ही पर्याप्त है।
UV60 एक्सपोजर से पहले और बाद में विभिन्न Al₂O₃/SiNₓ इंटरफेस पर N 1s गहराई-प्रोफाइल XPS स्पेक्ट्रा, जिसमें 397.5 eV पर फिट किए गए N–Si बंध और 399.5 eV पर N–H बंध शामिल हैं।
O 1s XPS परिणामों ने जाली ऑक्सीजन (OI के रूप में पहचाना गया) से ऑक्सीजन-रिक्ति-संबंधित घटकों (OII के रूप में पहचाना गया) में रूपांतरण दिखाया। Al 2p स्पेक्ट्रा में, Al₂O₃ का अनुपात 69.99% से घटकर 60.36% हो गया, जबकि Al–OH 30.01% से बढ़कर 39.64% हो गया.
। Si 2p स्पेक्ट्रा में भी Si²⁺ में वृद्धि और उच्च सिलिकॉन ऑक्सीकरण अवस्थाओं में कमी दिखी। ऑक्सीजन-रिक्ति निर्माण के दौरान मुक्त इलेक्ट्रॉनों ने सिलिकॉन को उच्च ऑक्सीकरण अवस्थाओं से कम कर दिया। ऑक्सीजन, एल्युमिनियम और सिलिकॉन बंधन में ये समन्वित परिवर्तन एकल पृथक बंध-टूटने की प्रतिक्रिया के बजाय Al₂O₃ फिल्म को व्यापक क्षति का संकेत देते हैं।
विद्युत प्रदर्शन में गिरावट
Millennial Solar
UV60 एक्सपोजर से पहले और बाद में TOPCon सौर सेल के EQE और परावर्तन वक्र।
UV60 एक्सपोजर के बाद परावर्तन लगभग अपरिवर्तित रहा। EQE ने 500 nm से नीचे के छोटे-तरंगदैर्ध्य क्षेत्र में मध्यम गिरावट दिखाई, जो सामने की सतह पर मजबूत पुनर्संयोजन के अनुरूप है।
UV60 एक्सपोजर के दौरान TOPCon सौर सेल के सामने संपर्क प्रतिरोधकता में परिवर्तन।
सामने संपर्क प्रतिरोधकता UV खुराक के साथ लगभग रैखिक रूप से बढ़ी, जो पहुंच गई 4.1 mΩ·cm², लगभग 8.6 गुना इसके प्रारंभिक मान का। प्रस्तावित तंत्र पैसिवेशन परतों के अंदर उत्पन्न मोबाइल हाइड्रोजन और ऑक्सीजन से जुड़ा है। ये प्रजातियां इलेक्ट्रोड इंटरफेस की ओर प्रसारित होती हैं और ऑक्सीकरण-कमी प्रतिक्रियाओं में भाग लेती हैं।
UV विकिरण चांदी की सतह पर पानी के अणुओं को हाइड्रॉक्सिल रेडिकल में भी परिवर्तित कर सकता है। साथ में, ये प्रतिक्रियाएं धातु इलेक्ट्रोड के क्षरण को बढ़ावा देती हैं और संपर्क प्रतिरोध बढ़ाती हैं।
UV60 एक्सपोजर के दौरान TOPCon सौर सेल का विद्युत प्रदर्शन ह्रास: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; और (d) दक्षता।
अंतिम विद्युत हानियां कई मापदंडों में वितरित की गईं:
Voc में 3.46% की कमी आई, मुख्यतः सामने-सतह पैसिवेशन ह्रास और J₀ में वृद्धि के कारण।
FF में 2.82% की कमी आई, मुख्यतः सामने संपर्क प्रतिरोधकता में तीव्र वृद्धि के कारण।
Jsc में केवल 0.64% की कमी आई, क्योंकि EQE हानि मुख्यतः छोटे-तरंगदैर्ध्य क्षेत्र तक सीमित थी।
रूपांतरण दक्षता में 6.72% की कमी आई UV60 एक्सपोजर के बाद।
TOPCon सौर सेल की सामने SiNₓ/Al₂O₃ संरचना में इसलिए पीछे की संरचना की तुलना में बहुत कम पराबैंगनी प्रतिरोध है। UV एक्सपोजर के तहत, Si–H और N–H बंध टूटते हैं और मोबाइल हाइड्रोजन छोड़ते हैं। अनाकार Al₂O₃ में Al–O बंध भी क्षतिग्रस्त होते हैं, ऑक्सीजन छोड़ते हैं और ऑक्सीजन रिक्तियों का उच्च घनत्व उत्पन्न करते हैं। साथ ही, Al₂O₃ Al–OH की ओर स्थानांतरित होता है और सिलिकॉन ऑक्सीकरण-अवस्था वितरण बदलता है।
हाइड्रोजन- और ऑक्सीजन-संबंधित ह्रास तंत्र सतह पुनर्संयोजन को तेज करने के लिए एक साथ काम करते हैं। सामने संपर्क प्रतिरोधकता में संगत वृद्धि एक अलग विद्युत हानि जोड़ती है, जिससे मापा गया 6.72% दक्षता ह्रास. ये निष्कर्ष TOPCon UVID को समझने और फ्रंट-साइड पैसिवेशन स्टैक की दीर्घकालिक विश्वसनीयता में सुधार के लिए एक उपयोगी संदर्भ प्रदान करते हैं।
Ooitech का दृष्टिकोण
मुख्य बिंदु यह है कि TOPCon UVID को एक साधारण Si–H बंधन समस्या के रूप में नहीं माना जा सकता है। पैसिवेशन रसायन, ऑक्सीजन-रिक्ति नियंत्रण और मेटलाइज़ेशन स्थिरता का एक साथ मूल्यांकन करने की आवश्यकता है, विशेष रूप से लंबी बाहरी सेवा के लिए मॉड्यूल उत्पादन प्रक्रियाओं को योग्य बनाते समय। गैर-संपर्क IV, EQE और PL ट्रैकिंग इन नुकसानों को पहले पहचानने में मदद कर सकती है, बिना तेजी से नाजुक सेल डिज़ाइनों में यांत्रिक संपर्क क्षति जोड़े।
