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

소개

TOPCon 태양전지는 강력한 표면 패시베이션과 캐리어 선택적 접촉 덕분에 현재 PV 시장을 지배하고 있습니다. 그러나 옥외 운전은 실제 약점인 UV 유도 열화(UVID)를 드러냅니다. UV60 조사 후 효율은 최대 6.72%까지 떨어집니다.

대부분의 초기 연구는 UVID가 고에너지 광자가 Si-H 결합을 끊고 자유 수소를 방출하는 것 때문이라고 생각했습니다. 그것은 이야기의 일부일 뿐입니다. 태양 UV 스펙트럼은 3.1–4.43 eV의 넓은 에너지 범위에 걸쳐 있으므로 전면 표면층과의 상호 작용은 단일 Si-H 절단 경로를 훨씬 넘어섭니다. 그리고 전면 Al₂O₃ / SiNₓ 스택은 후면보다 UV에 훨씬 약합니다.

비접촉 IV 테스터는 여기서 많은 도움이 됩니다. 비파괴적이고, 소모품이 없으며, 밀리초 속도로 작동하고, BC 및 버스바 없는 설계와 호환되며, 한 번에 IV, EQE 및 PL 파라미터를 얻을 수 있습니다.

이 연구는 ToF-SIMS와 깊이 프로파일링 XPS를 사용하여 UV60 전후 Al₂O₃ / SiNₓ 층의 원소 분포와 화학 결합 변화를 추적합니다. 발견: N-H 결합 파괴는 Si-H와 함께 두 번째 수소 공급원입니다. 비정질 Al₂O₃의 Al-O 결합은 UV에 의해 끊어져 많은 산소 공공을 생성합니다. 수소와 산소 메커니즘이 겹쳐 표면 재결합을 악화시켜 패시베이션 신뢰성 개선을 위한 명확한 방향을 제시합니다.

실험 방법

(a) TOPCon 태양전지 구조 개략도 (b) 대칭 전면 구조 샘플 (c) 대칭 후면 구조 샘플

대칭 전면 구조 샘플(SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ)과 대칭 후면 구조 샘플(SiOₓ/n⁺-poly-Si 층 포함)을 준비했습니다. UV 노화는 모듈 수준에서 수행되었습니다. 광원은 주로 UV-A였고 약 11%의 UV-B가 포함되었으며, 60°C 및 30% 습도 조건에서 진행되었습니다.

UV 광원의 스펙트럼 조사도

전면 vs 후면 구조: UV 저항성 비교

UV 노출 동안 (a) 주입 캐리어 농도 1×10¹⁵ cm⁻³에서의 τeff, (b) iVoc, (c) 단면 J₀의 변화 (대칭 전면 및 후면 구조 샘플)

대칭형 후면 구조는 60 kWh·m⁻²의 UV 노출 후에도 거의 열화되지 않았습니다. 120 nm 두께의 poly-Si 층이 UV 광을 거의 모두 흡수하여 효과적인 차폐를 제공합니다.

전면 구조는 다른 양상을 보였습니다. τeff는 2895.6 μs에서 1552.8 μs로 감소했습니다. iVoc는 735.5 mV에서 715.2 mV로 떨어졌습니다. 단면 J₀는 초기 값의 약 3배인 18.4 fA·cm⁻²로 급증했습니다. Al₂O₃ / SiNₓ 패시베이션이 심하게 열화되었습니다.

화학 조성 변화

UV60 전후 연마된 대칭형 전면 구조 샘플의 (a) 수소 및 (b) 산소 강도 깊이 프로파일 (ToF-SIMS 측정)

ToF-SIMS는 UV 노출 후 수소 농도가 명확히 증가함을 보여주며, 특히 SiNₓ 층 내부에서 증가합니다. N 1s XPS 깊이 프로파일링은 SiNₓ / Al₂O₃ 계면에서 N–H 결합 비율이 9.64%에서 5.97%로 감소했음을 보여줍니다. 따라서 N–H 결합 절단은 Si–H 외에 두 번째 수소 공급원입니다. 방출된 수소는 SiNₓ 표면 영역으로 확산되어 그곳의 실리콘과 재결합하므로, 그 표면 근처에서 N–H 비율이 실제로 증가합니다.

산소도 equally 중요한 이야기를 들려줍니다. Al₂O₃ 층의 산소는 약간 감소한 반면, SiNₓ/Al₂O₃ 및 Al₂O₃/Si 계면의 산소는 증가했습니다. 이는 Al–O 결합이 끊어지고 자유 산소가 외부로 이동함을 나타냅니다. 이상적인 결정에서 Al–O 결합 에너지는 약 5.3 eV입니다. 그러나 비정질 Al₂O₃에서는 배위수가 낮은 알루미늄 이온과 산소 공공이 전자를 포획하여 음전하를 띠게 되고, 인접한 Al–O 결합 절단의 활성화 에너지가 약 2.4 eV로 낮아집니다. 즉, 400 nm UV 광(3.1 eV)이 이를 끊기에 충분합니다.

UV60 전후 Al₂O₃/SiNₓ 층의 서로 다른 계면에서의 N 1s 깊이 프로파일 XPS 스펙트럼 (N–Si (397.5 eV) 및 N–H (399.5 eV) 결합에 대한 피팅 곡선 포함)

O 1s XPS는 격자 산소(OI)가 산소 공공(OII)으로 전환됨을 보여줍니다. Al 2p 스펙트럼에서 Al₂O₃ 비율은 69.99%에서 60.36%로 감소한 반면 Al–OH는 30.01%에서 39.64%로 증가했습니다. Si 2p 스펙트럼에서는 Si²⁺가 증가하고 고산화수 실리콘은 감소했습니다. 산소 공공 형성 시 방출된 전자가 실리콘을 고산화 상태에서 환원시킵니다. 종합하면, 산소, 알루미늄 및 실리콘 결합의 이러한 변화는 Al₂O₃ 막 품질이 이미 손상되었음을 보여줍니다.

전기적 성능 저하

UV60 전후 TOPCon 태양전지의 EQE 및 반사율 곡선

UV60 노출 동안 TOPCon 태양전지의 전면 접촉 비저항 변화

UV60 후 반사율은 기본적으로 변하지 않았습니다. EQE는 500 nm 이하의 단파장 영역에서 중간 정도의 감소를 보였으며, 이는 더 강한 전면 표면 재결합과 일치합니다. 전면 접촉 저항률은 UV 선량에 따라 거의 선형적으로 증가하여 4.1 mΩ·cm²에 도달했으며, 약 8.6배 높아졌습니다. 원인: 패시베이션 층에서 생성된 자유 수소와 산소가 전극 계면으로 확산되어 산화환원 반응에 참여합니다. UV는 또한 은 표면의 물 분자를 하이드록실 라디칼로 전환시키며, 이들이 함께 금속 전극을 부식시킵니다.

UV60 노출 중 전기적 성능 저하율: (a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff

Voc는 전면 표면 패시베이션 저하와 J₀ 증가로 인해 상대적으로 3.46% 하락했습니다. FF는 전면 접촉 저항률 증가로 인해 2.82% 하락했습니다. Jsc는 단파장 EQE 손실이 제한적이었기 때문에 0.64%만 하락했습니다. 최종 광전 변환 효율 손실은 6.72%에 달했습니다.

결론

TOPCon 셀의 전면 SiNₓ/Al₂O₃ 구조는 후면 구조보다 UV에 훨씬 약합니다. UV 아래에서 Si–H 및 N–H 결합이 순차적으로 끊어지며 자유 수소를 방출합니다. 비정질 Al₂O₃의 Al–O 결합은 UV에서 끊어져 자유 산소를 방출하고 많은 산소 공공을 생성합니다. Al₂O₃는 Al–OH로 전환되고 실리콘 원자가가 이동합니다. 이 두 가지 수소 및 산소 열화 메커니즘이 중첩되어 표면 재결합을 악화시킵니다. 전면 접촉 저항률의 급격한 증가를 더하면 결과적으로 6.72%의 효율 손실이 발생합니다. 이 연구는 TOPCon UVID를 이해하고 패시베이션 층의 장기 신뢰성을 개선하는 데 유용한 참고 자료를 제공합니다.

Ooitech의 견해

UVID는 전면 스택이 신뢰성이 실제로 시험되는 곳임을 계속 증명하고 있으므로, 모듈 라인에서 SiNₓ/Al₂O₃ 증착 및 캡슐화를 어떻게 구축하고 제어하는지는 셀 레시피만큼 중요합니다. 당사의 턴키 TOPCon 및 PERC 모듈 라인에서 우리는 레이업, 라미네이션 및 EL 측면에서 동일한 교훈을 봅니다. 작은 공정 선택이 패널이 수년간 옥외에서 견디는지 여부를 결정합니다. 공장 현장에서 더 실질적인 관점을 원하시면 Ooitech YouTube 채널을 방문하세요: www.youtube.com/ooitech 을(를) 팔로우할 가치가 있습니다.