नम गर्मी में TOPCon सेल: क्यों
विषय-सूची
त्वरित उत्तर: TOPCon ने उच्च-दक्षता वाले क्रिस्टलीय सिलिकॉन बाज़ार का अधिकांश हिस्सा ले लिया है, और अब खुला प्रश्न दक्षता नहीं बल्कि यह है कि नम गर्मी में वर्षों तक क्षेत्र में रहने के बाद सेल कैसा व्यवहार करता है। मानक त्वरित परीक्षण 85 °C और 85% सापेक्ष आर्द्रता — DH85 — पर चलता है, जिसे क्षेत्र की स्थितियों की तुलना में एनकैप्सुलेंट और सेल स्टैक में नमी को तेज़ी से पहुँचाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यहाँ स्तरित संरचना मायने रखती है: डोप्ड पॉलीसिलिकॉन परत के नीचे लगभग 10 nm की टनल ऑक्साइड इतनी पतली होती है कि विश्वसनीयता बल्क सामग्री नहीं, बल्कि इंटरफ़ेस रसायन विज्ञान तय करता है। लगभग 150 °C के लैमिनेशन तापमान और एनकैप्सुलेंट की स्वयं की नमी पारगम्यता दोनों एक ही विफलता पथ में योगदान करते हैं। QL200 श्रेणी के कैरेक्टराइज़ेशन उपकरण यह ट्रैक करने के लिए उपयोग किए जाते हैं कि नम-गर्मी संपर्क पैसिवेशन पर क्या असर डालता है, न कि केवल यह कि पावर गिरी या नहीं।
PV मॉड्यूल निर्माण · Jerry, Ooitech द्वारा
परिचय
TOPCon उच्च-दक्षता वाले c-Si बाजार का अधिकांश हिस्सा अपने नाम कर लिया है, लेकिन दीर्घकालिक क्षेत्र विश्वसनीयता अभी भी एक चलता-फिरता लक्ष्य है। नम-गर्मी अध्ययनों में एक कमजोर बिंदु बार-बार सामने आता है: रियर पैसिवेशन स्टैक। एक हालिया अध्ययन (Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188) ने यह पिन किया कि वास्तव में क्या गलत होता है जब सोडियम लवण सेल की सतह पर पड़ते हैं और 85°C/85% RH के तहत रहते हैं। संक्षेप में — रियर SiNₓ परत ही कमजोर कड़ी है, और एक पतली ALD AlOₓ फिल्म इसका अधिकांश हिस्सा ठीक कर देती है।
मुख्य निष्कर्ष सबसे पहले
पिछली SiNₓ परत नम-गर्मी की कमजोर कड़ी है। सोडियम एसीटेट (CH₃COONa) ने पिछले खुले-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 पिछला Si/N परमाणु अनुपात 1.3 से बढ़कर 23 और O/N 1.6 से 53 दिखाया।
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 बहुपरत सोडियम प्रसार को रोकता है, इसलिए वहां संदूषण से केवल 0.87% PCE की हानि हुई।
दो संदूषक अलग-अलग व्यवहार करते हैं: सोडियम एसीटेट धातु संपर्क पर हमला करता है, जबकि सोडियम क्लोराइड (NaCl) मुख्य रूप से पैसिवेशन परत को ऑक्सीकृत करता है।
पृष्ठभूमि
मूल प्रश्न कहना आसान है, उत्तर देना कठिन: जब सोडियम लवण मौजूद होते हैं तो TOPCon सेल नम गर्मी के तहत प्रदर्शन क्यों खोते हैं, और पिछला पैसिवेशन अधिक बुरी तरह क्यों प्रभावित होता है (Kyranaki et al., 2022)?
कमियां कहां हैं
अधिकांश पिछले कार्य धातु संपर्क क्षरण पर केंद्रित थे (Iqbal et al., 2023), लेकिन किसी ने भी पैसिवेशन परत के रासायनिक टूटने की व्यवस्थित जांच नहीं की थी। सामने और पीछे के स्टैक अलग-अलग बनाए जाते हैं — सामने AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ है, पीछे डोप्ड पॉली-Si के ऊपर SiNₓ — और उनके संक्षारण प्रतिरोध की कभी सीधे तुलना नहीं की गई थी (Feldmann et al., 2014)। इसके अलावा, दो सामान्य संदूषकों (CH₃COONa बनाम NaCl) को समान व्यवहार करने वाला माना जाता था, और वे ऐसा नहीं करते (Li et al., 2021)।
इसे सही करना वास्तविक पैसे के लिए मायने रखता है। पीवी संयंत्र 25 साल की उम्र की प्रतिज्ञा पर बेचे जाते हैं (Peters et al., 2021), और एक पिछली-सतह की विफलता मोड जो आर्द्रता के तहत दिखाई देती है, ठीक उसी तरह की चीज़ है जो उसमें कटौती 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 पर काम करना।
यहाँ नया क्या है
सिद्धांत पक्ष पर, यह पहला अध्ययन है जो पीछे की SiNₓ परत में नाइट्रोजन हानि को Voc गिरावट 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 की बाहरी उम्र बढ़ने के लिए खड़े होते हैं (Sen et al., 2023)।
तर्क श्रृंखला का पालन करना आसान है: पीछे का संदूषण तेज Voc गिरावट का कारण बनता है, जो सीधे पैसिवेशन विफलता की ओर इशारा करता है। XPS फिर SiNₓ ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया और सोडियम प्रसार पथ की पुष्टि करता है जो यह खोलता है। AlOₓ परत जोड़ें, सोडियम को ब्लॉक करें, और PL इमेजिंग पुष्टि करती है कि दोष दबाए 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 समाधान, 0.3 ग्राम प्रति नमूना, 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 गिरावट
पिछला हिस्सा स्पष्ट रूप से संवेदनशील है। पीछे की ओर CH₃COONa ने Voc को 5.8% घटाया, Rₛ को 450% बढ़ाया (तालिका 1), और PL तीव्रता को 37.3% कम किया (चित्र 3a)। सामने की ओर वही उपचार केवल 0.87% PCE की हानि हुई। एक ही नमक, बहुत अलग परिणाम इस पर निर्भर करता है कि यह किस सतह पर लगता है।
पैसिवेशन का रासायनिक विश्लेषण
पिछली सतह पर XPS ने Si-O बंधन अंश में वृद्धि दिखाई (चित्र 5b), O/N परमाणु अनुपात नियंत्रण में 1.6 से CH₃COONa समूह में 53 तक जा रहा है। तंत्र नाइट्रोजन हानि है — नम गर्मी SiNₓ को हाइड्रोलाइज़ करती है और सतह पैसिवेशन को नष्ट कर देती है।
AlOₓ बाधा क्या करती है
10nm ALD AlOₓ के साथ, पीछे CH₃COONa 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 86% कम दिखाई (चित्र 6c), और PL ने कोई दोष सक्रियण नहीं दिखाया (चित्र 6b)। बाधा वही कर रही है जो आप चाहते हैं — सोडियम को बाहर रखना।
निष्कर्ष
मुख्य निष्कर्ष
पिछली SiNₓ परत नम गर्मी और सोडियम नमक के तहत हाइड्रोलाइज़ और ऑक्सीकृत होती है, जो Voc को कम करती है और Rₛ को बढ़ाती है (XPS/EDS द्वारा समर्थित, चित्र 4-5)। एक 10nm AlOₓ परत सोडियम प्रसार को रोकती है और DH85 PCE हानि को 1% से नीचे रखती है (चित्र 6a)। और सामने की AlOₓ/SiOᵧNᵣ बहुपरत स्वाभाविक रूप से संक्षारण प्रतिरोधी है, इसलिए वहां संदूषण शायद ही दर्ज होता है।
यह क्यों उपयोगी है
AlOₓ बाधा सीधे TOPCon बड़े पैमाने पर उत्पादन में जा सकती 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 जीवन बढ़ सकता है।
थोड़ी पृष्ठभूमि
TOPCon संरचना: एक टनल ऑक्साइड (SiO₂) और डोप्ड पॉली-Si पैसिवेटिंग संपर्क, जो धातु पर पुनर्संयोजन को कम करता है (Feldmann et al., 2014)।
ALD: परत-दर-परत नैनो-फिल्म वृद्धि, एक समान नैनोमीटर-पैमाने पर AlOₓ कवरेज देती है।
DH परीक्षण: 85°C/85% RH त्वरित उम्र बढ़ने से आर्द्र जलवायु में मॉड्यूल क्षरण का अनुकरण।
SiNₓ पैसिवेशन: हाइड्रोजनीकृत सिलिकॉन नाइट्राइड, एंटी-रिफ्लेक्शन और सतह पैसिवेशन के लिए अच्छा, लेकिन इसमें डैंगलिंग बॉन्ड होते हैं और आसानी से हाइड्रोलाइज़ 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.
ली एक्स. एट अल., टॉपकॉन सेल्स का NaCl का उपयोग करके त्वरित नम-गर्मी परीक्षण, सोलर एनर्जी मटेरियल्स एंड सोलर सेल्स 262 (2023) 112554.
पीटर्स आई.एम. एट अल., फोटोवोल्टिक्स में स्थिरता का मूल्य, जूल 5 (2021) 3137–3153.
Ooitech का दृष्टिकोण
यहाँ जो सबसे अलग दिखता है वह यह है कि विश्वसनीयता की कहानी का अधिकांश हिस्सा पीछे के पैसिवेशन स्टैक में है, न कि सेल डिज़ाइन की मुख्य बात में। एक वास्तविक उत्पादन लाइन पर, अतिरिक्त 10nm ALD AlOₓ चरण आर्द्र-जलवायु परियोजनाओं के लिए सस्ता बीमा है, और यह मानक मॉड्यूल उत्पादन में बिना अधिक परेशानी के फिट हो जाता है। हम टर्नकी मॉड्यूल लाइनें शुरू से अंत तक बनाते हैं, इसलिए हम इस तरह के निष्कर्षों पर बारीकी से नज़र रखते हैं — ऊपरी प्रवाह में छोटे प्रक्रिया समायोजन 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।
