Термомеханическое воздействие медных контактов с покрытием на солнечные элементы с гетеропереходом
Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса обнаружили, что при отжиге медных контактов в солнечных элементах с гетеропереходом возникают только локальные напряжения. Их анализ также показал, что при типичных температурах отжига около 200 °C вероятность разрушения кремния очень мала.
Экспериментальная установка
Исследовательская группа из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) и сиднейской компании, занимающейся солнечными технологиями SunDrive, изучила влияние отжига медных (Cu) контактов в солнечных элементах с гетеропереходом (HJT) и пришла к выводу, что этот процесс вряд ли приведёт к образованию микротрещин.
«Мы оценили термомеханическое напряжение, возникающее при отжиге медных контактов на пирамидальной поверхности солнечных элементов на основе гетероструктуры из нитрида галлия и германия, — рассказал ведущий автор исследования Пэй-Цзе Сяо. — Анализ методом конечных элементов показал, что ширина медного контакта является наиболее важным фактором, определяющим напряжение в кремнии, а не площадь или объём медного покрытия. Это означает, что узкие медные контакты имеют преимущество как в плане уменьшения оптического затенения, так и в плане снижения термического напряжения».
Ученые также оценили влияние относительного расположения края медного контакта с вершиной пирамиды и его размера. «Важно отметить, что высокое напряжение в кремнии возникает локально на краю медного контакта, что подтверждается экспериментально с помощью измерения относительного напряжения методом рамановской спектроскопии. Из диаграммы Вейбулла, полученной в результате испытаний на четырехточечный изгиб, видно, что в отожженных медных контактах возникают поверхностные дефекты. Однако для типичного процесса отжига при температуре 200 °C вероятность разрушения кремния оценивается как очень низкая».
Испытания проводились на полуобрезных ячейках HJT n-типа M12 размером 210 мм x 105 мм и толщиной 120 мкм. Устройства были покрыты оксидом индия и олова (ITO) и подвергнуты меднению с помощью запатентованного процесса, разработанного SunDrive с использованием раствора для гальванического меднения на основе кислоты. Затем их промыли в деионизированной воде в течение 2 минут и высушили на воздухе с помощью инфракрасной сушилки с принудительной вентиляцией.
На следующем этапе исследовательская группа поместила ячейки на плоскую нагревательную платформу из алюминия (Al) и установила постоянную температуру 200 °C. С помощью рамановской спектроскопии были выявлены потенциальные области напряжения, возникающие при отжиге на текстурированных поверхностях ITO/кремния рядом с шинными линиями и контактами.
Кроме того, группа провела испытание на четырёхточечный изгиб (4PF), которое является стандартным механическим испытанием для определения прочности материала на изгиб и зависимости напряжения от деформации, чтобы измерить механическое напряжение, вызванное контактами из меди.
Анализ показал, что ширина контакта с медным покрытием является основным фактором, вызывающим напряжение в кремнии. «В этом отношении объём меди или площадь контакта не имеют значения, — сказал Сяо. — Напряжение в кремнии увеличивалось с ростом ширины контакта с медью и стабилизировалось, когда ширина контакта превышала 50 мкм. Край контакта с медью может располагаться на разном расстоянии от вершин пирамид».
Ученые также предупредили, что превышение порога в 200 °C во время отжига может увеличить риск образования микротрещин. Они отметили, что при использовании кондуктивного и радиационного нагрева для отжига клеток при температуре 400 °C была обнаружена пространственная температурная неоднородность в пределах 20 °C.
Их выводы изложены в статье «Исследование и моделирование термомеханических напряжений, вызванных медными контактами на солнечных элементах с гетеропереходом из кремния», опубликованной в журнале Progress in Photovoltaics.
Другая исследовательская группа под руководством Университета Нового Южного Уэльса недавно провела измерения влияния деградации, вызванной натрием, на солнечные элементы с гетеропереходом при ускоренных испытаниях в условиях повышенной влажности и температуры. Они рассмотрели три различных типа натриевых солей и определили механизмы деградации, связанные с каждым из загрязняющих веществ.
В 2023 году другие исследователи из Университета Нового Южного Уэльса изучили виды отказов в солнечных модулях с гетеропереходом и стеклянной подложкой. Они выявили четыре вида отказов, вызванных влажным теплом в солнечных панелях с гетеропереходом и стеклянной подложкой.
Совсем недавно группа исследователей из французского научно-исследовательского центра Institut Photovoltaïque d'Ile-de-France (IPVF) и EDF R&D, подразделения французского энергетического гиганта EDF, провела серию тестов для оценки надёжности солнечных панелей HJT в условиях повышенной влажности и температуры и выявила ионы натрия как основной фактор деградации.