डैम्प हीट के तहत TOPCon सेल: पीछे की तरफ पहले क्यों विफल होती है
विषय सूची
परिचय
TOPCon ने अधिकांश उच्च-दक्षता वाले c-Si बाजार पर कब्जा कर लिया है, लेकिन दीर्घकालिक क्षेत्र विश्वसनीयता अभी भी एक चलता-फिरता लक्ष्य है। एक कमजोर स्थान नम-गर्मी अध्ययनों में बार-बार सामने आता है: पिछला पैसिवेशन स्टैक। एक हालिया अध्ययन (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) ने यह पता लगाया कि जब सोडियम लवण कोशिका की सतह पर जमा होते हैं और 85°C/85% RH के तहत रहते हैं तो वास्तव में क्या गलत होता है। संक्षिप्त संस्करण — पिछली SiNₓ परत कमजोर बिंदु है, और एक पतली ALD AlOₓ फिल्म इसे अधिकांशतः ठीक कर देती है।
मुख्य निष्कर्ष सबसे पहले
पिछली SiNₓ परत नम-गर्मी का कमजोर बिंदु है। सोडियम एसीटेट (CH₃COONa) ने पिछले ओपन-सर्किट वोल्टेज (Voc) को 5.8% कम कर दिया और श्रृंखला प्रतिरोध (Rₛ) को 450% तक बढ़ा दिया।
सोडियम लवण सतह ऑक्सीकरण और नाइट्रोजन हानि को तेज करते हैं। XPS ने दिखाया कि पिछला Si/N परमाणु अनुपात 1.3 से बढ़कर 23 हो गया, और O/N 1.6 से 53 हो गया।
10nm ALD Al₂O₃ बैरियर ने बड़ा अंतर पैदा किया — CH₃COONa संदूषण के तहत PCE हानि 16% से घटकर केवल 0.4% रह गई।
सामने का पैसिवेशन अधिक मजबूत है। AlOₓ/SiOᵧNᵣ मल्टीलेयर सोडियम प्रसार को रोकता है, इसलिए वहां संदूषण से केवल 0.87% PCE की हानि हुई।
दो संदूषक अलग-अलग तरह से कार्य करते हैं: सोडियम एसीटेट धातु संपर्क पर हमला करता है, जबकि सोडियम क्लोराइड (NaCl) मुख्य रूप से पैसिवेशन परत का ऑक्सीकरण करता है।
पृष्ठभूमि
मुख्य प्रश्न कहना सरल है, उत्तर देना कठिन: जब सोडियम लवण आसपास होते हैं तो TOPCon कोशिकाएं नम गर्मी में प्रदर्शन क्यों खोती हैं, और पिछला पैसिवेशन अधिक बुरी तरह क्यों प्रभावित होता है (Kyranaki et al., 2022)?
अंतराल कहाँ हैं
अधिकांश पिछले कार्य धातु संपर्क संक्षारण पर केंद्रित थे (Iqbal et al., 2023), लेकिन किसी ने भी पैसिवेशन परत के रासायनिक विघटन को व्यवस्थित रूप से नहीं देखा था। आगे और पीछे के स्टैक अलग-अलग बनाए जाते हैं — सामने AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ है, पीछे डोप्ड पॉली-Si के ऊपर SiNₓ है — और उनके संक्षारण प्रतिरोध की कभी सीधे तुलना नहीं की गई थी (Feldmann et al., 2014)। इसके अलावा, दो सामान्य संदूषकों (CH₃COONa बनाम NaCl) के बारे में सोचा गया था कि वे समान व्यवहार करते हैं, जबकि वे नहीं करते (Li et al., 2021)।
इसे सही करना वास्तविक धन के लिए मायने रखता है। PV संयंत्र 25-वर्षीय जीवनकाल के वादे पर बेचे जाते हैं (Peters et al., 2021), और एक पिछली-साइड विफलता मोड जो आर्द्रता के तहत दिखाई देता है, ठीक उसी प्रकार की चीज़ है जो इसे कम करती है।
दृष्टिकोण
कार्यप्रवाह को वास्तविक उत्पादन प्रवाह के करीब रखा गया: औद्योगिक TOPCon सेल → सामने या पीछे की सतह पर सोडियम नमक का स्थानीय छिड़काव → त्वरित नम गर्मी (85°C/85% RH) → विद्युत और रासायनिक लक्षण वर्णन → ALD AlOₓ अवरोध का परीक्षण → सुरक्षा तंत्र का पता लगाना।
यहाँ नया क्या है
सिद्धांत पक्ष पर, यह पहला अध्ययन है जो पीछे की SiNₓ परत में नाइट्रोजन हानि को Voc ड्रॉप के मुख्य चालक के रूप में इंगित करता है। व्यावहारिक पक्ष पर, 10nm AlOₓ परत मानक औद्योगिक ALD उपकरण पर चलती है और पूर्ण दक्षता में केवल लगभग 0.01% की लागत आती है। और पद्धतिगत रूप से, टीम ने एक सेल-स्तरीय DH परीक्षण बनाया जहां 20 घंटे कई वर्षों के बाहरी उम्र बढ़ने के लिए खड़ा होता है (Sen et al., 2023)।
तर्क श्रृंखला का पालन करना आसान है: पीछे का संदूषण तेज Voc ड्रॉप का कारण बनता है, जो सीधे पैसिवेशन विफलता की ओर इशारा करता है। XPS तब SiNₓ ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया और इसके द्वारा खोले गए सोडियम प्रसार पथ की पुष्टि करता है। AlOₓ परत जोड़ें, सोडियम को अवरुद्ध करें, और PL इमेजिंग पुष्टि करती है कि दोष दबा दिए गए हैं।
विधियाँ
नमूना तैयारी
| आइटम | विवरण |
|---|---|
| सेल संरचना | n-प्रकार TOPCon। सामने: बोरॉन-विसरित उत्सर्जक + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC। पीछे: SiO₂/फॉस्फोरस-डोप्ड पॉली-Si + SiNₓ, ARC |
| संदूषक | 0.155 mol/L CH₃COONa या NaCl घोल, प्रति नमूना 0.3 g, स्थानीय छिड़काव |
| ALD अवरोध | 10nm AlOₓ, 150°C पर जमा (Leadmicro QL200) |
| नम गर्मी | 85°C/85% RH, 20 घंटे (ASLi पर्यावरण कक्ष) |
इसे कैसे मापा गया
I-V पैरामीटर (Pmax, Voc, FF, Jsc) LOANA प्रणाली (pv-tools) के माध्यम से।
प्रभावी अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल (τ_eff) के माध्यम से पैसिवेशन गुणवत्ता।
XPS और SEM-EDS के माध्यम से सतह रसायन।
परिणाम और चर्चा
विद्युत क्षरण
पिछला भाग स्पष्ट रूप से संवेदनशील है। पीछे की ओर CH₃COONa ने Voc को 5.8% कम कर दिया, Rₛ को 450% बढ़ा दिया (तालिका 1), और PL तीव्रता को 37.3% कम कर दिया (चित्र 3a)। सामने की ओर उसी उपचार से केवल 0.87% PCE का नुकसान हुआ। एक ही नमक, लेकिन परिणाम बहुत अलग इस पर निर्भर करता है कि यह किस सतह पर लगता है।
पैसिवेशन का रासायनिक विघटन
पिछली सतह पर XPS ने Si-O बंध अंश में तेज वृद्धि दिखाई (चित्र 5b), O/N परमाणु अनुपात नियंत्रण में 1.6 से CH₃COONa समूह में 53 तक चला गया। तंत्र नाइट्रोजन हानि है — आर्द्र ऊष्मा SiNₓ का जल अपघटन करती है और सतह पैसिवेशन को नष्ट करती है।
AlOₓ अवरोध क्या करता है
10nm ALD AlOₓ के साथ, पीछे CH₃COONा संदूषण के तहत PCE हानि 16% से घटकर 0.4% हो गई, और Voc स्थिर रहा (चित्र 6a)। SEM-EDS ने AlOₓ नमूनों में सोडियम सामग्री में 86% की कमी दिखाई (चित्र 6c), और PL ने कोई दोष सक्रियण नहीं दिखाया (चित्र 6b)। अवरोध बिल्कुल वही कर रहा है जो आप चाहते हैं — सोडियम को बाहर रखना।
निष्कर्ष
मुख्य निष्कर्ष
पिछला SiNₓ स्तर आर्द्र ऊष्मा और सोडियम नमक के तहत जल अपघटित और ऑक्सीकृत होता है, जो Voc को कम करता है और Rₛ को बढ़ाता है (XPS/EDS द्वारा समर्थित, चित्र 4-5)। 10nm AlOₓ स्तर सोडियम प्रसार को रोकता है और DH85 PCE हानि को 1% से नीचे रखता है (चित्र 6a)। और सामने का AlOₓ/SiOᵧNᵣ बहुस्तर स्वाभाविक रूप से संक्षारण प्रतिरोधी है, इसलिए वहां संदूषण मुश्किल से दर्ज होता है।
यह क्यों उपयोगी है
AlOₓ अवरोध सीधे TOPCon बड़े पैमाने पर उत्पादन में जा सकता है, जैसे Leadmicro QL200 जैसे उपकरणों पर। आगे देखते हुए, डबल-ग्लास मॉड्यूल एनकैप्सुलेशन में AlOₓ को SiNₓ के साथ जोड़ने से आर्द्र क्षेत्रों में संयंत्र जीवनकाल बढ़ सकता है।
थोड़ी पृष्ठभूमि
TOPCon संरचना: एक टनल ऑक्साइड (SiO₂) और डोपित पॉली-Si पैसिवेटिंग संपर्क, जो धातु पर पुनर्संयोजन को कम करता है (Feldmann et al., 2014)।
ALD: परत-दर-परत नैनो-फिल्म वृद्धि, एकसमान नैनोमीटर-स्केल AlOₓ आवरण देता है।
DH परीक्षण: 85°C/85% RH त्वरित उम्र बढ़ना, आर्द्र जलवायु में मॉड्यूल क्षरण का अनुकरण करने के लिए।
SiNₓ पैसिवेशन: हाइड्रोजनीकृत सिलिकॉन नाइट्राइड, एंटी-रिफ्लेक्शन और सतह पैसिवेशन के लिए अच्छा, लेकिन इसमें डैंगलिंग बॉन्ड होते हैं और यह आसानी से जल अपघटित होता है।
संदर्भ
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.
Ooitech का दृष्टिकोण
यहाँ जो सबसे अलग है वह यह है कि विश्वसनीयता की कहानी का अधिकांश हिस्सा सेल डिज़ाइन के शीर्षक में नहीं, बल्कि पीछे के पैसिवेशन स्टैक में रहता है। एक वास्तविक लाइन पर, अतिरिक्त 10nm ALD AlOₓ कदम आर्द्र-जलवायु परियोजनाओं के लिए सस्ता बीमा है, और यह बिना अधिक परेशानी के मानक मॉड्यूल उत्पादन में फिट हो जाता है। हम टर्नकी मॉड्यूल लाइनों को शुरू से अंत तक बनाते हैं, इसलिए हम इस तरह के निष्कर्षों को बारीकी से देखते हैं — ऊपरी प्रक्रिया में छोटे बदलाव अक्सर यह तय करते हैं कि कोई संयंत्र 25 वर्षों तक टिकता है या नहीं। यदि आप फैक्ट्री फ्लोर से और अधिक चाहते हैं, तो Ooitech YouTube चैनल (www.youtube.com/ooitech) फॉलो करने लायक है।
