Китайские ученые выявили пути деградации солнечных элементов с низким содержанием серебра в гетеропереходах

Аккумулятор Challenger A12-100А

Исследователи изучили термическое старение медных электродов с серебряным покрытием для гетероперехода в солнечных батареях и обнаружили, что взаимная диффузия серебра и меди значительно увеличивает контактное сопротивление и ухудшает электрические характеристики. Исследование выявило связь между эволюцией микроструктуры и переходом от проводимости, обусловленной спеканием, к разрушению структуры из-за дефектов, что может помочь в повышении надежности металлизации в долгосрочной перспективе.

Солнечный элемент с гетеропереходом

Исследователи из Восточно-Китайского университета науки и технологий изучили механизмы деградации низкосеребряных электродов, используемых в солнечных элементах с гетеропереходом (HJT), чтобы разработать рекомендации по проектированию экономичных и высокоэффективных фотоэлектрических модулей.

“В нашем исследовании систематически исследуется поведение при термическом старении покрытых серебром медных электродов (CU) в солнечных элементах heter, выявляя значительное увеличение контактного сопротивления из-за взаимной диффузии между слоями Ag и Cu”, - сказал автор-корреспондент Сяоцзюнь Йе. “Это разъясняет лежащие в основе механизмы деградации и дает важные рекомендации по разработке экономически эффективных и надежных стратегий металлизации солнечных модулей HJT”.

Исследование было основано на предположении о том, что процесс термического старения медных электродов с серебряным покрытием до сих пор изучен не до конца, особенно в случае тонких серебряных оболочек, используемых в коммерческих пастах. Поэтому ученые исследовали, в частности, деградацию при ускоренном старении, изучая связь между изменениями микроструктуры и взаимной диффузией, а также электрическими характеристиками и долгосрочной надежностью.

Для своих экспериментов они использовали медную пасту с серебряным покрытием, состоящую из частиц типа «ядро-оболочка», субмикронного серебряного порошка и матрицы из эпоксидной смолы. Размер частиц составлял 2–4 мкм, а толщина серебряной оболочки — около 70 нм. Паста наносилась трафаретной печатью на монокристаллические кремниевые пластины n-типа, после чего сушилась при температуре 150 °C и отверждалась при 195 °C.

Электрические характеристики медных электродов с серебряным покрытием оценивались с помощью метода линий передачи (МЛП) — стандартного метода измерения электрических свойств полупроводниковых контактов. При типичном измерении с помощью МЛП на поверхности образца создается набор металлических контактов на разном расстоянии друг от друга. Измеряя общее сопротивление между различными контактными парами и анализируя, как это сопротивление меняется в зависимости от расстояния между контактами, можно выделить и количественно оценить такие ключевые параметры, как удельное сопротивление контакта и поверхностное сопротивление.

Этот подход особенно ценен при исследовании солнечных батарей, поскольку позволяет напрямую оценить, как меняется качество контакта при различных условиях обработки или термическом старении, и помогает исследователям понять механизмы деградации на границе раздела. В первую очередь этот метод используется для определения линейного сопротивления (Rline) — электрического сопротивления вдоль напечатанной или нанесенной металлической линии — и удельного сопротивления контакта (ρc) — показателя того, насколько легко ток проходит через границу раздела металл-полупроводник.

Анализ показал, что и Rline, и ρc увеличиваются с течением времени старения и сильно зависят от температуры. Кроме того, было установлено, что контактное удельное сопротивление значительно сильнее зависит от температуры, чем Rline, что указывает на то, что межфазная деградация является основным фактором, приводящим к выходу из строя электрических контактов.

С помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС), сканирующей электронной микроскопии с фокусированным ионным пучком (СЭМ-ФИП) и рентгеновской дифракции (XRD) исследователи подтвердили, что деградация происходит в основном из-за взаимной диффузии серебра и меди и образования дефектов.

В целом исследовательская группа пришла к выводу, что электрическое поведение материала определяется двумя конкурирующими процессами: с одной стороны, спекание улучшает контакт между частицами и временно повышает электрическую проводимость; с другой стороны, взаимная диффузия серебра и меди, а также образование дефектов постепенно разрушают внутреннюю структуру.

По мере старения второй процесс начинает преобладать над первым, и изначально непрерывная проводящая сеть распадается на изолированные и плохо связанные между собой участки, из-за чего электронам приходится преодолевать более извилистые и прерывистые пути. Этот переход от хорошо связанной сети к фрагментированному транспортному режиму в конечном итоге приводит к серьезной долговременной деградации электрических свойств.

«Теоретический анализ показывает, что в реальных условиях эксплуатации основными факторами, влияющими на долгосрочную надежность, являются межфазная диффузия и образование пустот. Поэтому повышение стабильности межфазной границы имеет решающее значение для увеличения срока службы устройства», — подчеркнули ученые.

Результаты исследования были представлены в статье «Междиффузия, вызванная термическим старением, и снижение надежности низкосеребряных электродов для солнечных элементов на основе гетероструктур,» опубликованной в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells. «Полученные нами результаты дают важную информацию о том, как сбалансировать снижение содержания серебра с долгосрочной надежностью модулей, изготовленных по технологии гетероструктур».