Новое исследование предупреждает о неожиданной деградации солнечных элементов TOPCon под воздействием невидимого ультрафиолетового излучения

Аккумулятор FIAMM FG 21202

Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса обнаружили, что невидимый свет ускоряет вызванную ультрафиолетовым излучением деградацию солнечных элементов TOPCon, вызывая те же эффекты, что и видимый свет, но гораздо быстрее. Это может привести к значительным потерям напряжения в разомкнутой цепи и снижению эффективности элементов.

Ученые из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии исследовали влияние УФ-индуцированной деградации (UVID) на солнечные элементы на основе туннельного оксидного пассивированного контакта (TOPCon).

Их анализ был сосредоточен, в частности, на роли водорода и зависимости от длины волны в ультрафиолетовом диапазоне, которую они охарактеризовали как неоднозначную. «UVID вызывает всё большую обеспокоенность из-за использования УФ-прозрачных герметиков, — рассказал ведущий автор исследования Брэм Хоэкс журналу PV. — Это повышает эффективность модулей, но также подвергает солнечные элементы воздействию УФ-излучения во время работы».

Исследователи объяснили, что, хотя научного консенсуса по поводу причин UVID до сих пор нет, основное предположение состоит в том, что его вызывают фотоны с энергией выше 3,4 эВ, которые разрывают связи между кремнием (Si) и водородом (H), создавая тем самым рекомбинационно-активные оборванные связи. Они, в свою очередь, создают рекомбинационные потери, которые в основном влияют на напряжение холостого хода элемента.

Новизна исследования заключается в том, что учёные впервые рассмотрели весь спектр УФ-излучения, который включает в себя УФ-А-излучение с длиной волны от 315 до 400 нм, близкое к видимому свету, и УФ-В-излучение, которое представляет собой высокоэнергетическую невидимую форму солнечного излучения с длиной волны от 290 до 320 нм.

«Мы использовали УФ-излучение спектра B для ускоренного тестирования элементов TOPCon в лабораторных условиях, что позволило быстрее оценить их надёжность без появления новых видов отказов», — пояснил Хёкс, отметив, что УФ-излучение спектра B обычно не вызывает серьёзного беспокойства, поскольку герметизирующие материалы, доступные в фотоэлектрической промышленности, эффективно блокируют УФ-излучение спектра B. Это позволяет предположить, что модули TOPCon полностью защищены от этого потенциального механизма деградации.

Однако стремление к созданию более эффективных продуктов подталкивает производителей к использованию герметиков с более высоким коэффициентом пропускания УФ-излучения, что повышает риски. «УФ-излучение типа B может значительно ухудшить пассивацию передней поверхности элементов TOPCon, что приводит к усилению поверхностной рекомбинации, — пояснил Хоэкс. — Оно может ускорить процесс UVID в солнечных элементах TOPCon, вызывая те же эффекты деградации, что и УФ-излучение типа A, но гораздо быстрее».

Для анализа учёные использовали коммерчески доступные двусторонние ячейки TOPCon на основе кремниевых пластин n-типа по технологии Чохральского (Cz) размером 182 мм × 182 мм и толщиной 140 мкм. Устройства имели диффузионный эмиттер с обеих сторон, который был пассивирован 5-нанометровым многослойным слоем оксида алюминия (AlOx) методом атомно-слоевого осаждения (ALD) и антибликовым покрытием из нитрида кремния (SiNx).

Исследователи также использовали систему УФ-А и УФ-В ламп при температуре 60 °C, чтобы обеспечить общую дозу УФ-В излучения 61,1 кВт·ч/м2 и УФ-А излучения 49 кВт·ч/м2 для тестирования. Они проанализировали, в частности, поведение клеток до и после выделения водорода из слоя SiNx.

«Мы обнаружили, что деградация происходит в основном на передней поверхности TOPCon из-за разрыва связи Si-H и перераспределения водорода, что приводит к усилению поверхностной рекомбинации. При этом задняя поверхность демонстрирует высокую устойчивость к ультрафиолетовому излучению благодаря легированному слою поликремния, поглощающему фотоны с длиной волны менее 370 нм», — сказал Хоэкс, отметив, что при воздействии ультрафиолета не наблюдалось вызванной светом и повышенной температурой деградации (LeTID). «Ультрафиолет изменяет динамику водорода таким образом, что этот дефект подавляется».

Данные показали, что УФ-излучение разрушает связи Si-H на границе раздела AlOx/(p+)Si, что приводит к увеличению количества ионов водорода. «Однако точный механизм этого взаимодействия и долгосрочные последствия изменения распределения водорода требуют дальнейшего изучения», — подчеркнули учёные.

Исследовательская группа заявила, что при ускоренном тестировании ячеек TOPCon в лабораторных условиях следует учитывать воздействие ультрафиолетового излучения типа B. Это позволит быстрее оценивать надёжность без появления новых видов отказов. Кроме того, производителям следует использовать защиту от ультрафиолетового излучения с обратной стороны, сохраняя достаточную толщину поликремния в конструкции, а также применяя устойчивые к ультрафиолетовому излучению герметики и слои с УФ-фильтрацией для контроля распределения водорода.

Их выводы изложены в исследовании «Деградация солнечных элементов TOPCon под воздействием УФ-излучения: динамика водорода и влияние длины волны УФ-излучения», которое было недавно опубликовано в журнале «Материалы для солнечной энергетики и солнечные элементы».

Предыдущее исследование Университета Нового Южного Уэльса показало механизмы деградации промышленных солнечных модулей TOPCon, покрытых этиленвинилацетатом (ЭВА), в условиях ускоренного воздействия влаги и тепла, а также уязвимость солнечных элементов TOPCon к контактной коррозии и три типа неисправностей солнечных модулей TOPCon, которые никогда не выявлялись в панелях PERC. Кроме того, учёные из Университета Нового Южного Уэльса исследовали вызванную натрием деградацию солнечных элементов TOPCon в условиях воздействия влаги и тепла и роль «скрытых загрязнений» в деградации устройств как с TOPCon, так и с гетеропереходом.

Кроме того, в ходе другого исследования, проведённого в Университете Нового Южного Уэльса, было изучено влияние паяльного флюса на солнечные элементы с гетеропереходом и установлено, что состав этого компонента играет ключевую роль в предотвращении крупных трещин и значительного отслаивания.