Влияние лазерной обработки на эффективность солнечных элементов TOPCon

Аккумуляторная батарея Challenger EVG6-225

Университеты Нового Южного Уэльса и Джоливуда изучили термическую стабильность солнечных элементов TOPCon, полученных методом лазерной абляции, в процессе изготовления модулей и при воздействии высоких температур. Они определили, что ключевым фактором, влияющим на деградацию и восстановление, является динамика дефектов, связанных с водородом. Они обнаружили, что расслоение приводит к временным потерям эффективности, которые восстанавливаются под воздействием света, а оптимизированный метод лазерной абляции может восстановить поврежденные контакты, что даёт практические рекомендации по надёжному производству и тестированию модулей.

Группа исследователей из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии и китайского производителя модулей Jolywood провела комплексную оценку того, как процессы лазерной пайки (LAF) влияют на поведение элементов TOPCon в термических условиях, возникающих при пайке, ламинировании и высокотемпературных нагрузках.

«Наши результаты дают чёткие рекомендации по рабочим процессам при производстве модулей и тестированию надёжности, особенно в отношении протоколов ламинирования, оптимизации LAF и интерпретации потерь при переходе от ячейки к модулю (CTM)», — сказал ведущий автор исследования Брэм Хоэкс в интервью. «Мы получили новое представление о том, почему ячейки LAF TOPCon ведут себя иначе, чем устройства с базовым нагревом, во время термической обработки, а также практические рекомендации по обеспечению стабильной производительности на этапе производства и в процессе эксплуатации».

В рамках предыдущего совместного исследовательского проекта Университет Нового Южного Уэльса и компания Jolywood изучали, насколько эффективно разработанный компанией Jolywood процесс обжига с использованием лазера, так называемая специальная инжекционная металлизация Jolywood (JSIM), повышает эффективность солнечных элементов TOPCon промышленного масштаба за счет снижения рекомбинации на границе раздела кремний-металл. Исследователи, в частности, обнаружили, что этот этап производства может повысить эффективность элементов примерно на 0,6 % в абсолютном выражении по сравнению с базовым одноэтапным процессом обжига.

В новой статье под названием «Термостабильность солнечных элементов TOPCon, полученных методом лазерной сварки: важные сведения для производства модулей, сертификационных испытаний и эксплуатации в полевых условиях», опубликованной в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells, Хоэкс и его коллеги объясняют, что в последние годы в коммерческом производстве солнечных модулей стали применяться такие процессы лазерной сварки, как оптимизация контактов с помощью лазера (LECO), что вызвало обеспокоенность по поводу термостабильности элементов.

«Мы исследовали термическую стабильность солнечных элементов LAF TOPCon как при умеренных, так и при высоких температурах, — объяснил Хоэкс. — Мы обнаружили доказательства того, что перераспределение водорода, возникающее в процессе LAF, является ключевым фактором активации дефектов и нестабильности контактов. Для объяснения динамики деградации и восстановления предлагается трёхкомпонентная модель дефектов».

Испытания проводились на ячейках TOPCon размером 182,2 мм × 183,75 мм, изготовленных из пластин n-типа толщиной 130 мкм. На обратной стороне был сформирован туннельный слой оксида кремния (SiOx) и поликристаллический кремний, легированный фосфором (n⁺ поли-Si), методом плазменного окисления и плазменного легирования in situ (POPAID). Пассивация поверхности была достигнута за счёт нанесения слоя оксида алюминия (AlOx) методом атомно-слоевого осаждения (ALD) и слоя нитрида кремния (SiNx) методом химического осаждения из газовой фазы с плазменным усилением (PECVD) на лицевую сторону и слоя PECVD SiNx на обратную сторону. Для металлизации использовалась коммерческая паста и LAF.

Для оценки потерь при переходе от элемента к модулю (CTM) был проведён термический тест при умеренной температуре с акцентом на двух ключевых этапах производства: пайке и ламинировании. Одна группа элементов прошла оба процесса, а вторая группа для сравнения прошла только ламинирование.

Анализ показал, что пайка не оказывает негативного влияния на работу элементов, но ламинирование приводит к снижению эффективности на 0,29 %, в основном из-за уменьшения коэффициента заполнения, связанного с усилением рекомбинации типа J02. Этот тип рекомбинации обычно влияет на коэффициент заполнения и напряжение холостого хода, особенно при низком и среднем напряжении.

Исследователи также обнаружили, что 1-минутное воздействие солнечного света полностью восстанавливает работоспособность модулей, что указывает на их естественное самовосстановление в полевых условиях. «Интересно, что восстановление при воздействии света и ухудшение характеристик после хранения в темноте очень похожи на поведение образцов, подвергшихся ультрафиолетовому облучению, вызывающему деградацию (UVID), что указывает на возможную связь или сходство в механизмах, лежащих в основе этих процессов», — заявили учёные.

Оценка также показала, что быстрый термический отжиг при температуре 450 °C приводит к ухудшению контакта, при этом потери коэффициента заполнения достигают 21,6 %, но последующий этап локальной анодной обработки эффективно восстанавливает контакт и работоспособность.

На основе этих данных была предложена трёхкомпонентная модель дефектов и механизмы деградации контактов для промышленного внедрения. «Эти результаты позволяют по-новому взглянуть на надёжность ячеек LAF TOPCon и указывают на ключевые аспекты промышленной обработки и тестирования надёжности модулей», — заключили авторы.

В июне исследователи из Оксфордского университета в Великобритании и китайской компании по производству металлизационной пасты Changzhou Fusion New Materials выявили новый вид неисправности в солнечных модулях TOPCon на основе LECO.

Другие исследования Университета Нового Южного Уэльса показали влияние флюса для пайки на производительность солнечных элементов TOPCon, вызванной ультрафиолетовым излучением деградации (UVID) в элементах TOPCon, механизмов деградации промышленных солнечных модулей TOPCon, покрытых этиленвинилацетатом (EVA), 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 встречались в панелях PERC.

Кроме того, учёные из Университета Нового Южного Уэльса исследовали вызванную натрием деградацию солнечных элементов TOPCon при воздействии влаги и тепла, роль скрытых загрязнителей в деградации как элементов TOPCon, так и устройств с гетеропереходом, а также влияние электронного облучения на эффективность солнечных элементов TOPCon.