Новое исследование выявило физические механизмы на уровне интерфейса, приводящие к разрушению солнечных элементов TOPCon под воздействием ультрафиолета

Аккумулятор FIAMM FG 20721

Новое исследование, проведенное в Китае, показало, что ультрафиолетовая деградация солнечных элементов TOPCon обусловлена физическими механизмами на уровне интерфейса, связанными с динамикой водорода, образованием дефектов и накоплением заряда. На эти процессы сильно влияет структура пассивирующего слоя из нитрида кремния и оксида алюминия, которая определяет долгосрочную стабильность устройства.

Исследователи из Университета Янчжоу, Чанчжоуского университета и китайского производителя модулей JinkoSolar изучили пути деградации под воздействием ультрафиолетового излучения (UVID) в солнечных элементах с пассивированным эмиттером и тыльной частью (PERC) и с туннельным оксидным пассивированным контактом (TOPCon). Они пришли к выводу, что это явление в первую очередь зависит от конструкции пассивирующего слоя на лицевой стороне.

UVID особенно важен для технологии TOPCon, поскольку ее высокоэффективные пассивирующие структуры состоят из ультратонких диэлектрических и межфазных слоев, которые более чувствительны к образованию дефектов и накоплению заряда под воздействием ультрафиолета, что может напрямую повлиять на долгосрочную работоспособность и надежность в полевых условиях.

«Ультрафиолетовое излучение приводит к разрыву связи кремний-водород (Si–H) и образованию дефектов на границе раздела, в то время как оптимизированная структура пассивации из нитрида кремния (SiNx) и оксида алюминия (AlOx) в солнечных элементах TOPCon обеспечивает стабильную пассивацию полевого эффекта и эффективно подавляет рекомбинационные потери, — рассказал Цзяньнин Дин, один из авторов исследования. — Наша работа также показала, что рациональная разработка пассивирующих слоев, в том числе оптимизация толщины AlOx и оптическое согласование SiNx, имеет решающее значение для повышения долговременной устойчивости солнечных элементов TOPCon к ультрафиолетовому излучению».

Исследовательская группа пояснила, что роль межфазной химии и динамики водорода в устройствах TOPCon до сих пор не изучена. В частности, до конца не ясны реакция кремниевых слоев AlOx и SiNx на УФ-облучение и их влияние на пассивацию водорода и образование дефектов на границе раздела.

Анализ был сосредоточен на плотности интерфейсных дефектов (Dit) и плотности фиксированных отрицательных зарядов (Qf). Dit — это плотность электрически активных дефектных состояний на границе раздела кремний-пассивирующий слой, а Qf — концентрация неподвижных отрицательных зарядов в пассивирующих слоях.

Для тестирования и определения характеристик образцов ученые использовали метрологическую систему Sinton WCT-120. Анализ дефектов и материалов проводился с помощью методов фотолюминесценции (ФЛ), электролюминесценции (ЭЛ), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (ИСПФ), ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (УФЭС), ультрафиолетовой и видимой спектроскопии, а также измерений емкости и напряжения для определения плотности дефектов на границе раздела (Dit) и плотности фиксированного заряда (Qf).

Микроструктура была изучена с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (СПЭМ) с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (ЭДРС). Испытания на устойчивость к ультрафиолетовому излучению проводились в соответствии со стандартами IEC 61215 с ускоренным воздействием в 60 и 120 кВт·ч/м² при температуре 60 °C.

Группа исследователей проанализировала пленки AlOx толщиной 3, 5 и 6 нм при воздействии ультрафиолетового излучения и обнаружила, что более толстые слои AlOx обеспечивают лучшую стабильность и замедляют снижение рабочих характеристик за счет более сильной пассивации полевым эффектом. Было отмечено, что с увеличением толщины AlOx коэффициент качества Qf становится более отрицательным, а показатель Dit зависит от толщины, что указывает на баланс между химической пассивацией и пассивацией полевым эффектом.

Кроме того, ученые обнаружили, что ультрафиолетовое облучение приводит к разрыву связи Si–H и миграции водорода, что влияет на дефекты и зарядовые состояния границы раздела, в то время как более толстые слои AlOx эффективнее стабилизируют отрицательно заряженные центры, связанные с кислородом.

Что касается SiNx, были изучены два показателя преломления, которые показали, что SiNx с низким показателем преломления обладает лучшей устойчивостью к ультрафиолетовому излучению за счет меньшего поглощения УФ-излучения и снижения вероятности разрыва связей на границе раздела. По словам ученых, под воздействием УФ-излучения структура SiNx становится более богатой азотом и кислородом, что увеличивает плотность дефектов на границе раздела и меняет водородные связи.

«Благодаря конструкции с пассивированными контактами и более надежной пассивации полевых эффектов, обеспечиваемой структурой SiNx/AlOx, солнечные элементы TOPCon демонстрируют значительно более высокую устойчивость к разрушению под воздействием ультрафиолета по сравнению с элементами PERC, — говорит Дин. — После оптимизации устройства TOPCon демонстрируют снижение эффективности всего на 0,74 % после воздействия ультрафиолета в течение 120 кВт·ч/м², в то время как у элементов PERC этот показатель значительно выше — 3,34 %».

«Полученные данные свидетельствуют о том, что устойчивость к разрушению под воздействием ультрафиолетового излучения в первую очередь определяется качеством пассивации межфазного слоя, что подчеркивает важнейшую роль подходов к разработке межфазных слоев при создании кремниевых солнечных элементов нового поколения с повышенной устойчивостью к ультрафиолетовому излучению», — заключил он.

Результаты исследования представлены в работе «Изучение путей деградации под воздействием ультрафиолета в солнечных элементах N-TOPCon: пассивация интерфейса и динамика водорода», опубликованной в журнале «Материалы для солнечной энергетики и солнечные элементы».