隆基&新南威尔士:缓解TOPCon太阳能电池的污染诱导表面降解:机理、影响与缓解策略

来源:晶硅太阳能电池技术发布时间:2025-04-18 11:00:31

1、研究背景

1.1 TOPCon 太阳能电池的发展及挑战

隧穿氧化物钝化接触(TOPCon)太阳能电池已成为高效晶硅光伏技术的主流选择。

相较于传统的PERC(钝化发射极和背接触)电池,TOPCon 电池具有: 更优的表面钝化性能(降低复合损失,提高开路电压 Voc)。

更低的金属复合速率(更高的填充因子 FF)。

适用于背接触电池的设计,提高光电转换效率。

2021年以来,TOPCon 市场迅速增长,成为工业生产的主导技术。

1.2 TOPCon 太阳能电池的环境稳定性问题

虽然TOPCon 电池具有良好的电性能,但其长期可靠性仍面临挑战: 湿热(DH)环境:85°C / 85% RH 长期暴露会加速降解。

潜在诱导降解(PID):高电压下导致电池性能下降。

紫外光(UV)照射:可能影响表面钝化层。

金属接触稳定性:Ag/Al 触点在湿热条件下易发生腐蚀。

污染物(如 NaCl, CH₃COONa)会加速TOPCon 太阳能电池的降解: 钠(Na)污染:可能来自玻璃封装层(钠钙玻璃)或环境侵蚀。

氯(Cl)污染:可能来自雨水、灰尘、海洋气溶胶。

污染物导致的主要问题: 硅氮化物(SiNx)层化学降解,降低表面钝化效果。

钠扩散进入硅片,导致开路电压(Voc)损失。

界面氧化反应,增加表面复合,提高串联电阻(Rs)。

1.3 本研究的创新

首次系统研究 Na 和 Cl 污染对 TOPCon 太阳能电池的影响: 识别污染物对不同表面(前表面 / 背表面)的影响差异。

分析污染物诱导的化学降解机理。

提出一种基于 原子层沉积(ALD) 的 Al₂O₃ 屏障层,以增强TOPCon的长期稳定性: 10 nm Al₂O₃ 作为防护层,减少污染物扩散,提高钝化稳定性。

湿热加速测试(DH85,85°C / 85% RH) 评估其保护效果。

2. 研究思路

2.1 研究材料

采用 工业级 n 型 TOPCon 太阳能电池: 正面结构: 硼扩散发射极,由 Al₂O₃ / SiNx / SiOyNz 多层钝化。

兼具 抗反射涂层(ARC) 功能。

背面结构: SiO₂ 隧道氧化层 + 磷掺杂多晶硅(poly-Si)层。

SiNx 层覆盖背面,提供钝化。

2.2 研究方法

污染物喷涂: NaCl(氯化钠)和 CH₃COONa(乙酸钠)溶液喷涂在电池表面。

0.3 g 溶液,Na 浓度 0.155 mol/L。

研究不同污染物对 TOPCon 电池的影响。

湿热加速老化测试(DH85): 在85°C / 85% RH 环境中老化 20 小时。

评估不同污染物对电池性能的影响。

电性能测试: 光伏参数(I-V 测试): 开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)、填充因子(FF)、光电转换效率(PCE)。

光致发光(PL)成像: 观察光电性能的衰减趋势。

材料表征: SEM / EDS(扫描电子显微镜 + 能谱分析): 研究污染物对 SiNx 层及背接触结构的影响。

XPS(X 射线光电子能谱): 研究污染物诱导的表面化学变化。

ALD 屏障层实验: 采用 10 nm Al₂O₃ 屏障层(ALD 沉积)。

评估 Al₂O₃ 对污染诱导降解的缓解作用。

3. 结果与讨论

3.1. TOPCon 太阳能电池的结构与污染诱导降解机制

(Figure 1 - TOPCon 太阳能电池的结构及污染诱导降解示意图)

(a) TOPCon 太阳能电池的层结构

前表面结构: Al₂O₃(原子层沉积):提供额外的表面钝化和抗污染能力。

SiNx / SiOyNz 层:兼具抗反射涂层(ARC) 和 钝化作用。

硼扩散发射极(p+层)。

背表面结构: SiO₂ 隧道氧化层 + 磷掺杂多晶硅(poly-Si)。

SiNx 层(用于钝化,防止电子复合)。

金属接触(Ag / Al)。

(b) 污染物的来源与影响

主要污染物: 氯化钠(NaCl):来源于玻璃封装层或外部环境。

乙酸钠(CH₃COONa):来源于工业排放、空气污染物。

污染诱导的降解机制: 前表面(受SiNx层保护):污染影响相对较小。

背表面(SiNx层易受污染物侵蚀): Na+ 和 Cl- 扩散进入SiNx层,破坏钝化效果。

界面氧化反应(SiOx 增厚),导致载流子复合率上升。

金属接触界面腐蚀,增加串联电阻(Rs)。

科学意义:

首次系统研究Na和Cl污染对TOPCon太阳能电池不同表面的影响。

揭示污染诱导降解的物理化学机制,为防护策略提供理论基础。

3.2. 电性能影响分析

(Figure 2 - 湿热老化(DH85, 85°C / 85% RH)后 TOPCon 电池性能变化)

(a) 光伏参数对比(Voc、Jsc、FF、PCE)

NaCl 污染(前表面): 填充因子(FF)下降 52%(从 79% 降至 27%)。

串联电阻(Rs)增加 4000%。

PCE 下降 78%。

NaCl 污染(背表面): Voc 下降 1.8%,但 PCE 仅下降 4.8%。

CH₃COONa 污染(背表面): Voc 下降 5.8%,PCE 下降 16%(最严重)。

(b) 光致发光(PL)成像分析

NaCl 污染后,电池PL 亮度显著降低,表明少子寿命降低。

CH₃COONa 污染后,PL 亮度降低更严重,表明界面复合加剧。

科学意义:

不同污染物对前/背表面影响不同,背表面更易受污染物侵蚀。

NaCl 主要影响串联电阻,CH₃COONa 主要影响Voc,揭示不同污染物的降解机制。

3.3. 污染诱导的表面形貌变化

(Figure 3 - SEM 电子显微镜分析)

(a) NaCl 处理后的背表面形貌

SiNx 层出现严重裂纹,表明污染物破坏了界面钝化层。

背面SiO₂/Poly-Si界面变粗糙,表明局部化学侵蚀发生。

(b) CH₃COONa 处理后的背表面形貌

SiNx层变得多孔化,污染物渗透更深。

表面出现白色颗粒(Na₂SiO₃ 反应产物),表明Na扩散后形成了氧化钠(Na₂O)。

科学意义:

污染物引起SiNx层结构变化,提高表面复合速率。

SiO₂与污染物反应生成的副产物可能进一步阻碍电流传输。

3.4. XPS 化学分析

(Figure 4 - XPS 分析污染诱导的表面化学变化)

(a) Si/N/O 原子比例变化

污染后,Si-N 键的含量降低 14 倍,表明SiNx层部分被氧化。

O/Si 比例增加,说明界面SiO₂层增厚。

(b) Na 3s, Cl 2p, C 1s 元素含量变化

Na+ 和 Cl- 浓度显著增加,说明污染物已经渗透进SiNx层内部。

CH₃COONa 处理后,C 1s 峰增加,说明有机污染物可能会附着在表面,影响钝化效果。

科学意义:

NaCl 和 CH₃COONa 可导致 SiNx 分解,降低表面钝化效果。

污染物可能影响界面化学结构,导致长期可靠性下降。

3.5. ALD Al₂O₃ 屏障层的保护效果

(Figure 5 - Al₂O₃ 屏障层在湿热环境下的保护作用)

(a) Al₂O₃ 层对电性能的保护

Al₂O₃ 保护后,NaCl 诱导的 PCE 下降从 4.8% 降至 0.9%。

CH₃COONa 诱导的 PCE 下降从 16% 降至 0.4%。

填充因子(FF)基本保持稳定,说明接触界面未被污染物影响。

(b) SEM & XPS 分析

Al₂O₃ 层可阻止 Na+ 和 Cl- 进入 SiNx 层。

XPS 显示 Al₂O₃ 保护后,Si/N 比例未发生明显变化,说明钝化层未受到污染影响。

科学意义:

首次验证 ALD Al₂O₃ 屏障层可有效提高 TOPCon 电池的抗污染能力。

Al₂O₃ 可作为长期稳定性提升策略,适用于工业生产。

4. 研究结论

NaCl 和 CH₃COONa 会破坏 TOPCon 电池的 SiNx 钝化层,降低 Voc 和 FF。

背表面比前表面更易受污染物影响,SiNx 更易被氧化。

采用 10 nm Al₂O₃ 屏障层可有效防止污染诱导的降解,维持长期稳定性。

责任编辑:zhouzhenkun
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