I moduli PERC mono-cristallini subiscono un tipico degrado nel primo-anno pari al 3% (media misurata 1,92%) a causa di difetti complessi del boro-ossigeno (B-O), che portano a una significativa perdita di generazione di energia durante il ciclo di vita;
mentre il TOPCon di tipo N-, che utilizza wafer drogati con fosforo-, evita il meccanismo BO-LID, ottenendo un degrado nel primo-anno<1% (outdoor demonstration only 0.51%).
I dati dimostrativi di Yinchuan mostrano: Sotto irradiazione equivalente, i moduli TOPCon degradano meno del 37% dei moduli PERC dopo 6000 ore.
Lo strato di ossido tunnel di TOPCon e la struttura di passivazione del poli-silicio sopprimono contemporaneamente la ricombinazione superficiale,con conseguente tasso di degrado indotto dalla luce del laboratorio-indotto fino allo 0,26%.
Un degrado inferiore combinato con un vantaggio in termini di efficienza di conversione del 24%-26% consente a TOPCon di raggiungereGuadagno di potenza di 3-5 anni che copre il sovrapprezzo inizialenelle centrali elettriche su larga scala-rimodellando la logica di selezione dei moduli ad alta-efficienza.
Cause
Formazione e attivazione dei complessi di boro-ossigeno
Il meccanismo principale del LID è la formazione di complessi di boro-ossigeno (B-O) sotto illuminazione. Nei wafer di tipo P- drogati con boro, gli atomi di boro si combinano con l'ossigeno interstiziale per formare difetti B-O instabili:
· Condizione di formazione: Under illumination intensity >1 mW/cm², il complesso del boro-ossigeno entra in uno stato attivo (Stato B), causando una riduzione della durata dei portatori minoritari da 1.000 μs a meno di 500 μs.
· Influenza della temperatura: Per ogni aumento di temperatura di 10 gradi, il tasso di formazione del complesso B-O aumenta di 2-3 volte. Ad esempio, a 75 gradi, il tasso di degradazione del LID dei moduli PERC è 4,7 volte quello a 25 gradi.
· Differenza nel contenuto di ossigeno: il silicio mono-cristallino, cresciuto utilizzando crogioli di quarzo, ha un elevato contenuto di ossigeno pari a 10-14 ppma, mentre il silicio multi-cristallino proveniente dalla fusione ha solo 1-2 ppma. Ciò porta a una degradazione del LID 2-3 volte superiore nel mono-Si rispetto al multi-Si.
Effetto di amplificazione dei parametri di processo sul LID
I processi di produzione delle cellule influenzano direttamente l'attività dei complessi B-O:
·Temperatura di sinterizzazione: When sintering peak temperature >A 850 gradi, l'idrogeno proveniente dallo strato di passivazione si diffonde nel substrato di silicio, combinandosi con il boro per formare difetti reversibili. Gli esperimenti mostrano che per ogni aumento di 50 gradi della temperatura di sinterizzazione, il tasso di degradazione del LeTID aumenta dello 0,8%.
·Contaminazione dei metalli: Le impurità di ferro (Fe) si combinano con il boro per formare coppie Fe-B, che si decompongono in Feⁱ e Bⁱ⁰ sotto illuminazione, creando ulteriori centri di ricombinazione.. 1 ppm La contaminazione da ferro può aumentare la degradazione del LID dello 0,5%.
·Passivazione dell'idrogeno insufficiente: Quando il contenuto di idrogeno nello strato di passivazione (ad es. AlOx/SiNx) è<1×10¹⁹ atoms/cm³, it cannot effectively passivate B-O defects. TOPCon requires 40% less hydrogen due to the absence of boron doping, improving defect regeneration efficiency.
Correlazione tra struttura cellulare e sensibilità della LID
Diverse strutture cellulari mostrano differenze significative nella risposta LID:
·Celle PERC: Lo strato di passivazione posteriore aumenta l'assorbimento della luce a lunga-lunghezza d'onda, portando a una maggiore concentrazione di portatori e a una maggiore attività del complesso B-O. Le misurazioni mostrano che la degradazione del PERC LID è 1,8 volte quella delle celle convenzionali con campo sulla superficie posteriore in alluminio (Al-BSF).
·Celle TOPCon: Quando lo spessore dello strato di ossido tunnel (SiOx) è controllato a 1,5 nm, la velocità di ricombinazione superficiale è<0.5 cm/s, suppressing defect activation. Lab data indicates TOPCon's LID degradation rate is 82% lower than PERC.
·Celle ad eterogiunzione (HJT).: Lo strato di passivazione del silicio amorfo introduce difetti aggiuntivi, ma il 90% degli stati dell'interfaccia può essere riparato mediante ricottura con idrogeno, mantenendo la degradazione del LID al di sotto dello 0,3%.
Fattori ambientali e risposta dinamica del LID
Meccanismi di accelerazione dell'ambiente esterno LID:
·Radiazione UV: Ultraviolet light (280-320nm) induces oxygen vacancy generation, which combines with boron to form complexes. Zhangbei demonstration data shows, in regions with annual UV irradiation >2000 kWh/m², i moduli PERC presentano un LID aggiuntivo dello 0,7%.
·Alta temperatura e umidità: In condizioni di 85 gradi/85% di umidità relativa, la penetrazione dell'umidità provoca l'idrolisi dei complessi di boro-ossigeno, generando ioni mobili e accelerando la diffusione del centro di ricombinazione. Il test di calore umido (1000 ore) ha causato un degrado del coperchio del modulo PERC pari all'1,2%.
·Sollecitazione meccanica: Lo stress da incapsulamento del modulo causa micro-crack nei wafer. I gradienti di concentrazione dell'ossigeno all'estremità delle fessure innescano la formazione locale del complesso B-O. Durante i test dei cicli termici (-40 gradi ~85 gradi), i moduli fessurati presentavano un degrado del LID superiore dello 0,9% rispetto ai moduli intatti.
Modello di previsione LID-basato sui dati
La previsione LID basata sulla fisica-richiede l'integrazione di parametri multi-dimensionali:
·Variabili chiave: Concentrazione di boro (B), Concentrazione di ossigeno (O), Concentrazione di portatore effettiva (Δn), Temperatura (T).
·Formula empirica: Tasso di degradazione del LID (%)=0.003×B×O×exp(-Ea/(kT)), dove Ea=0.85eV (energia di attivazione della ricombinazione del boro-ossigeno), k è la costante di Boltzmann.
·Verifica della misurazione: Le statistiche su 1000 celle PERC mostrano un errore di previsione della formula<±0.2%, can guide wafer doping process optimization.
Confronto del tasso di degradazione
Dati e condizioni dei test di degrado indotto dalla luce di laboratorio
Procedura di test di laboratorio LID standardizzata:
·Dose di illuminazione: 5 kWh/m² (spettro AM1.5G, intensità 1000 W/m²)
·Controllo della temperatura: temperatura costante di 25 gradi
·Durata della prova: Illuminazione continua per 100 ore
Miglioramento della tecnologia
Alternative al doping con boro
Problema alla radice: Le cellule PERC di tipo P- subiscono nel primo-anno una degradazione fino al 3% (dati di laboratorio) a causa dei complessi di boro-ossigeno (BO-LID).
Soluzioni:
·Doping con Gallio (Ga).: Sostituisce il boro con il gallio come drogante, evitando il percorso di reazione BO-LID. Il coefficiente di segregazione del gallio (0,35) è inferiore a quello del boro (0,8), richiedendo un aggiustamento della distribuzione del campo termico:
o Temperatura di crescita dei cristalli: 1450 gradi → 1520 gradi (riduce la volatilizzazione del Ga)
o Gradiente di temperatura radiale:<5°C/cm (improves crystal quality)
o Effetto misurato: degrado del LID ridotto dal 3% allo 0,7%, ma fluttuazione della resistività ±12%.
·Co-doping con indio (In).: Il co-codoping del boro-indio (B: In=10:1) riduce ulteriormente la solubilità dell'ossigeno:
o Contenuto di ossigeno: 10 ppm → 5 ppm
o Durata della portante minoritaria: 500μs → 800μs
o Aumento dei costi: il prezzo del wafer è aumentato di $ 0,005/W.
Processo di ricottura:
·Ricottura-a bassa temperatura (LTA):
o Temperatura: 200 gradi → 300 gradi
o Tempo: 10 minuti → 30 minuti
o Effetto: attiva la passivazione dell'idrogeno, ripara i difetti del boro-ossigeno
o Dati: degradazione del coperchio delle celle PERC ridotta dello 0,5%.
Aggiornamento del livello di passivazione
Tecnologia di passivazione superficiale:
·Stack AlOx/SiNx:
o Controllo dello spessore: AlOx 3nm + SiNx 80nm
o Velocità di ricombinazione superficiale:<10 cm/s (conventional PERC 20 cm/s)
o Lab data: Minority carrier lifetime increased to >1500μs.
Ottimizzazione della passivazione posteriore:
·Regolazione dello spessore SiNx:
o Convenzionale: 120 nm → Ottimizzato: 150 nm
o Effetto: riduce la diffusione del boro nella parte posteriore, sopprime LeTID
o Risultato: degradazione del LeTID ridotta dall'1,17% allo 0,3%.
Efficienza di conversione
L’efficienza della produzione di massa raggiunge il 25,4%(SunPower Maxeon 7),record di laboratorio 26,8%, avvicinandosi alLimite teorico del 28,7%.;
Il PERC è stagnante23.5%. Il coefficiente di temperatura di TOPCon è-0,29%/grado, bifaccialità85%+aumentando la resa energetica di20%, tasso di degrado<0.4% per year, mantenimento della potenza di 30 anni87%.
Limiti teorici
Confine fisico del PERC mono-cristallino
Le celle PERC mono-cristalline, basate su wafer di tipo P-, hanno un limite di efficienza teorico del 24,5% (limite di Shockley-Queisser).
Questo valore è determinato dal gap di banda del silicio (1,1 eV) e dalla corrispondenza dello spettro solare.
Nella produzione di massa, il drogaggio del boro porta alla formazione di complessi di boro-ossigeno (B-O) che causano una degradazione-indotta dalla luce (LID), con una perdita di efficienza nel primo-anno del 2-3%.
