Влияние отжига на солнечные элементы с гетеропереходом и медным покрытием

Аккумулятор FIAMM 12 FGHL 34

Команда под руководством UNSW выяснила, что условия отжига существенно влияют на напряжение, деформацию и микроструктуру контактов солнечных элементов с гетеропереходом, покрытых медью. При быстром отжиге увеличивается микродеформация как в меди, так и в оксиде индия и олова.

Солнечный элемент, изготовленный в Университете Нового Южного Уэльса в Австралии

Группа ученых под руководством специалистов из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии изучила, как изменяются напряжение и деформация в медных (Cu) контактах гетероструктурных солнечных элементов (HJT) при различных условиях отжига. В ходе исследования ученые выяснили, как отжиг влияет на свойства меди, оксида индия и олова (ITO) и кремния (Si).

«Мы применили несколько методов исследования, чтобы понять, как условия отжига влияют на напряжение и деформацию в медно-покрытых высокотемпературных транзисторах, — рассказал соавтор исследования Пей-Чи Сяо журналу pv. — Наши результаты показывают, что медные контакты в высокотемпературных транзисторах требуют тщательной оценки, чтобы обеспечить баланс между адгезией и механической целостностью».

Сяо подчеркнул важность контроля микроскопической структуры медных контактов для снижения механического напряжения в солнечных элементах на основе гетероструктурных полупроводниковых соединений. «В идеале предпочтительнее использовать медное покрытие с низкой плотностью дефектов и кристаллической текстурой (100), — объяснил он. — Это снижает напряжение в кремнии после отжига из-за более низкого модуля Юнга. Предпочтительной текстуры можно добиться, изменив состав электролита или параметры нанесения покрытия, а затем оптимизировать отжиг, чтобы минимизировать термическую деформацию, сохранив ориентацию (100)».

Команда начала работу с кремниевых заготовок n-типа с гетеропереходом G12 половинной толщины размером 210 мм × 105 мм. Ячейки были покрыты маской на основе смолы, чтобы ограничить нанесение медного покрытия, с выборочными отверстиями, созданными с помощью коллимированного источника света. Затем на открытую поверхность ITO нанесли медь с помощью раствора для гальваники на основе кислоты при плотности тока 42 мА/см².

Команда исследователей сравнила три метода отжига. При самоотжиге образцы хранились при комнатной температуре в условиях низкой влажности. Быстрый отжиг (в тот же день) проводился на сжатом сухом воздухе при температуре 205 ± 5 °C в течение 45 секунд при освещенности примерно в 15 солнечных единиц. При быстром отжиге (на следующий день) использовались те же условия, но отжиг проводился примерно через 24 часа после нанесения покрытия.

Изображение контакта с медным покрытием на высокотемпературном транзисторе после самоотжига, полученное с помощью сфокусированного ионного пучка (FIB).

«Из-за ограничений, связанных с низкотемпературной обработкой высокотемпературных транзисторов, быстрый отжиг проводился при температуре 200 °C, что ниже температуры роста зерна, которая составляет более 250 °C, — сказал Сяо. — Это означает, что отжиг медных контактов на высокотемпературных транзисторах будет отличаться от отжига контактов на транзисторах PERC или TOPCon, где допускаются более высокие температуры отжига и демонстрируется улучшенная адгезия контактов».

Затем команда провела ряд тестов с образцами. Сначала с помощью метода наноиндентирования измерили механическую прочность и жесткость покрытой медью поверхности. Затем с помощью рентгеновской дифракции (XRD) изучили кристаллическую структуру меди и лежащего под ней слоя ITO. Наконец, с помощью рамановской спектроскопии составили карту механических напряжений, возникающих в кремнии из-за медных контактов, особенно вблизи контактных площадок.

Анализ показал, что существенных различий в пределе текучести или пластичности покрытой меди не обнаружено, что соответствует сопоставимому размеру зерен меди. Кроме того, данные рентгеноструктурного анализа показали, что при быстром отжиге параметр кристаллической решетки меди уменьшается, что способствует росту зерен в кристаллографической ориентации Cu (200), при этом одновременно увеличиваются параметр решетки и полная ширина на полувысоте (FWHM) ITO.

В результате при быстром отжиге микронапряжения возникали как в меди, так и в ITO. Ученые отметили, что рамановская спектроскопия выявила области с высоким локальным напряжением в кремнии шириной примерно 2 мкм вдоль покрытых медью контактов. При самоотжиге напряжение было ниже, а при быстром отжиге — выше.

Эти результаты показывают, что минимизация дефектов и формирование предпочтительной текстуры (100) на покрытой медью поверхности могут снизить передачу напряжений на кремний и индиево-оловянный оксид. Для достижения оптимальной текстуры и адгезии также важно соблюдать одинаковые условия нанесения покрытия и тщательно подготавливать поверхность. В целом предпочтительнее использовать самоотжиг, если можно добиться сопоставимой контактной адгезии, поскольку он сохраняет ориентацию (100) и минимизирует термическую деформацию.

Результаты исследования были описаны в статье «Анализ напряжений и деформаций контактов с медным покрытием на гетероструктурных солнечных элементах при различных условиях отжига», опубликованной в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells. В исследовании приняли участие ученые из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии и технологической компании SunDrive Solar.

В начале января исследовательская группа из UNSW и китайско-канадского производителя солнечных модулей Canadian Solar исследовали, как солнечные элементы HJT подвергаются разрушению натрием (Na) и влагой при ускоренных влажно-тепловых испытаниях, и обнаружили, что большинство режимов разложения преимущественно влияют на сами элементы, что делает тестирование на уровне элементов предпочтительным подходом.

Месяц спустя другая группа ученых из Университета Нового Южного Уэльса оценила влияние паяльного флюса на солнечные элементы HJT и выяснила, что состав этого компонента играет ключевую роль в предотвращении крупных трещин и значительного отслоения.