TOPCon 셀 UVID 연구: 비접촉 IV 테스트로 패시베이션 열화 및 6.72% 효율 손실 추적

TOPCon 셀 UVID 및 비접촉 IV 테스트

TOPCon 태양전지는 강력한 표면 패시베이션과 캐리어 선택적 접촉으로 인해 태양광 시장에서 선도적인 위치를 차지하고 있습니다. 그러나 옥외 작동 시 자외선 유도 열화(UVID)에 노출됩니다. 이 연구에서 변환 효율은 UV60 노출 후 6.72% 감소했습니다..

이전 연구에서는 UVID가 주로 고에너지 광자가 Si-H 결합을 파괴하고 이동성 수소를 방출하는 것과 관련이 있다고 보았습니다. 태양 자외선 스펙트럼은 훨씬 더 넓은 광자 에너지 범위인 3.1–4.43 eV를 포함하므로, 전면 재료와의 상호작용은 Si-H 결합 파괴만으로 설명할 수 없습니다. 전면 Al₂O₃/SiNₓ 스택은 후면 구조보다 훨씬 약한 UV 저항성을 보입니다.

Millennial Solar 비접촉 IV 테스터는 소모품 없이 비파괴 테스트를 제공하며 밀리초 수준의 측정 속도를 자랑합니다. 백컨택 및 버스바리스 셀 설계와 호환되며, 한 번의 테스트 시퀀스에서 다차원 IV, EQE 및 PL 파라미터를 얻을 수 있습니다.

이 연구는 비행 시간형 이차 이온 질량 분석법(ToF-SIMS)과 깊이 프로파일 X선 광전자 분광법(XPS)을 사용하여 UV60 노출 전후 Al₂O₃/SiNₓ 층의 원소 분포 및 화학 결합 변화를 추적했습니다. 결과는 N-H 결합 파괴가 Si-H 결합 파괴 외에 두 번째 수소 공급원으로 작용함을 보여줍니다. UV 노출은 또한 비정질 Al₂O₃의 Al-O 결합을 손상시켜 많은 수의 산소 공공을 생성합니다. 수소와 산소 메커니즘의 결합은 표면 재결합을 증가시키며, 패시베이션 층 신뢰성 개선을 위한 더 명확한 기반을 제공합니다.

실험 방법

Millennial Solar

(a) TOPCon 태양전지의 개략적 구조; (b) 대칭 전면 구조 샘플; (c) 대칭 후면 구조 샘플.

두 가지 대칭 샘플 구조가 준비되었습니다. 전면 구조는 SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ. 후면 구조는 SiOₓ/n⁺-poly-Si 층을 포함했습니다. UV 노화는 UV-A가 주를 이루고 약 11%의 UV-B를 포함하는 광원을 사용하여 모듈 수준에서 수행되었습니다. 시험 조건은 60°C 및 30% 상대 습도였습니다.

자외선 광원의 스펙트럼 조도.

전면 및 후면 구조의 UV 저항성

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UV 노출 중 대칭 전면 및 후면 구조 샘플의 변화: (a) 주입 캐리어 농도 1 × 10¹⁵ cm⁻³에서의 유효 캐리어 수명 τeff; (b) 내재 개방 회로 전압 iVoc; (c) 단면 포화 전류 밀도 J₀.

대칭 후면 구조는 60 kWh·m⁻² 의 UV 노출 후에만 약간의 열화를 보였습니다. 120 nm 두께의 poly-Si 층은 입사 UV 방사선의 거의 전부를 흡수하여 하부 계면에 효과적인 보호를 제공했습니다.

대칭 전면 구조는 훨씬 더 심각하게 열화되었습니다:

• 유효 캐리어 수명 τeff가 2,895.6 μs에서 1,552.8 μs로 감소했습니다..

• 내재 개방 회로 전압 iVoc가 735.5 mV에서 715.2 mV로 감소했습니다..

• 단면 J₀가 18.4 fA·cm⁻²로 증가하여 초기 값의 약 3배가 되었습니다.

• Al₂O₃/SiNₓ 패시베이션 성능이 크게 저하되었습니다.

이러한 결과는 전면 SiNₓ/Al₂O₃ 스택이 후면 SiOₓ/poly-Si 구조보다 자외선 노출에 훨씬 더 취약함을 확인시켜 줍니다.

화학 조성의 진화

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UV60 노출 전후 연마된 대칭 전면 구조 샘플에서 (a) 수소 및 (b) 산소 강도의 ToF-SIMS 깊이 프로파일.

ToF-SIMS는 자외선 노출 후, 특히 SiNₓ 층 내부에서 수소 농도가 뚜렷하게 증가함을 보여주었습니다. N 1s XPS 신호의 깊이 프로파일 분석 결과, SiNₓ/Al₂O₃ 계면에서 N–H 결합 비율이 9.64%에서 5.97%로감소했습니다. 이는 N–H 결합 파괴가 Si–H 결합 해리와 함께 또 다른 중요한 수소 공급원임을 확인합니다.

방출된 수소 중 일부는 SiNₓ 표면으로 확산되어 실리콘과 다시 결합했습니다. 이는 표면 근처의 국부적 N–H 비율이 계속 감소하지 않고 오히려 증가한 이유를 설명합니다.

산소 진화도 중요했습니다. Al₂O₃ 층 내부의 산소 농도는 약간 감소한 반면, SiNₓ/Al₂O₃ 및 Al₂O₃/Si 계면에서는 증가했습니다. 이러한 분포는 Al–O 결합 파괴로 방출된 산소가 Al₂O₃ 막 밖으로 확산되었음을 나타냅니다.

이상적인 결정에서 Al–O 결합 에너지는 약 5.3 eV입니다. 비정질 Al₂O₃는 다릅니다. 배위수가 낮은 알루미늄 이온과 음전하를 띤 산소 공공은 인접한 Al–O 결합을 끊는 활성화 에너지를 약 2.4 eV로 낮출 수 있습니다. 400 nm 자외선 광자는 약 3.1 eV의 에너지를 가지며, 이는 이 과정을 시작하기에 충분합니다.

UV60 노출 전후 다양한 Al₂O₃/SiNₓ 계면에서의 N 1s 깊이 프로파일 XPS 스펙트럼. 397.5 eV에서의 N–Si 결합과 399.5 eV에서의 N–H 결합 피팅을 포함합니다.

O 1s XPS 결과는 격자 산소(OI로 식별)에서 산소 공공 관련 성분(OII로 식별)으로의 전환을 보여주었습니다. Al 2p 스펙트럼에서 Al₂O₃ 비율은 69.99%에서 60.36%로감소한 반면, Al–OH는 30.01%에서 39.64%로.

증가했습니다. Si 2p 스펙트럼에서도 Si²⁺의 증가와 더 높은 실리콘 산화 상태의 감소가 나타났습니다. 산소 공공 형성 중 방출된 전자는 실리콘을 더 높은 산화 상태에서 환원시켰습니다. 산소, 알루미늄 및 실리콘 결합의 이러한 조정된 변화는 단일 고립된 결합 파괴 반응이 아닌 Al₂O₃ 막의 광범위한 손상을 나타냅니다.

전기적 성능 저하

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UV60 노출 전후 TOPCon 태양전지의 EQE 및 반사율 곡선.

UV60 노출 후 반사율은 거의 변하지 않았습니다. EQE는 500 nm 이하의 단파장 영역에서 중간 정도의 감소를 보였으며, 이는 전면에서의 더 강한 재결합에 해당합니다.

UV60 노출 중 TOPCon 태양전지의 전면 접촉 저항률 변화.

전면 접촉 저항률은 UV 선량에 따라 거의 선형적으로 증가하여 4.1 mΩ·cm²에 도달했으며, 이는 초기 값의 약 8.6배 입니다. 제안된 메커니즘은 패시베이션 층 내부에서 생성된 이동성 수소와 산소와 관련이 있습니다. 이들 종은 전극 계면으로 확산되어 산화-환원 반응에 참여합니다.

UV 복사는 또한 은 표면의 물 분자를 하이드록실 라디칼로 전환시킬 수 있습니다. 이러한 반응은 함께 금속 전극의 부식을 촉진하고 접촉 저항을 증가시킵니다.

UV60 노출 중 TOPCon 태양전지의 전기적 성능 저하: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; (d) 효율.

최종 전기적 손실은 여러 매개변수에 분포되었습니다:

• Voc는 3.46% 감소했으며, 주로 전면 패시베이션 저하와 J₀ 증가 때문입니다.

• FF는 2.82% 감소했으며, 주로 전면 접촉 저항률의 급격한 증가 때문입니다.

• Jsc는 0.64%만 감소했으며, EQE 손실이 주로 단파장 영역에 제한되었기 때문입니다.

• 변환 효율은 6.72% 감소했습니다 UV60 노출 후.

따라서 TOPCon 태양전지의 전면 SiNₓ/Al₂O₃ 구조는 후면 구조보다 자외선 저항성이 훨씬 낮습니다. UV 노출 하에서 Si–H 및 N–H 결합이 끊어지고 이동성 수소가 방출됩니다. 비정질 Al₂O₃의 Al–O 결합도 손상되어 산소를 방출하고 높은 밀도의 산소 공공을 생성합니다. 동시에 Al₂O₃는 Al–OH 쪽으로 이동하고 실리콘 산화 상태 분포가 변화합니다.

수소 및 산소 관련 열화 메커니즘은 함께 작용하여 표면 재결합을 강화합니다. 이에 수반되는 전면 접촉 저항률 증가는 별도의 전기적 손실을 추가하여 측정된 6.72% 효율 저하. 이러한 결과는 TOPCon UVID를 이해하고 전면 패시베이션 스택의 장기 신뢰성을 개선하는 데 유용한 참고 자료를 제공합니다.

Ooitech의 견해

핵심은 TOPCon UVID가 단순한 Si-H 결합 문제로 취급될 수 없다는 점입니다. 패시베이션 화학, 산소 공공 제어 및 금속화 안정성을 함께 평가해야 하며, 특히 장기 옥외 사용을 위한 모듈 생산 공정을 검증할 때 중요합니다. 비접촉 IV, EQE 및 PL 추적은 점점 더 취약해지는 셀 설계에 기계적 접촉 손상을 추가하지 않고 이러한 손실을 조기에 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.