Forscher der australischen Universität haben herausgefunden, dass Licht im UV-B-Spektrum die UV-induzierte Degradation von Topcon-Zellen beschleunigt. Es werden die gleichen Degradationseffekte wie durch UV-A-Strahlung hervorgerufen, jedoch in deutlich höherer Geschwindigkeit.
Wissenschaftler der University of New South Wales (UNSW) in Australien haben die Auswirkungen der durch Ultraviolettstrahlung induzierten Degradation (UVID) von Topcon-Solarzellen (Tunnel oxide passivated contact) untersucht. Ihre Analyse konzentrierte sich insbesondere auf die Rolle von Wasserstoff und die Wellenlängenabhängigkeit im UV-Bereich. „UVID ist zunehmend ein Problem aufgrund der Verwendung von UV-transparenten Verkapselungsmaterialien“, erklärte der Hauptautor der Studie, Bram Hoex, pv magazine. „Diese erhöhen zwar den Wirkungsgrad der Module, aber die Solarzellen sind auch der UV-Strahlung ausgesetzt.“
Den Forschern zufolge besteht zwar noch kein wissenschaftlicher Konsens über die Ursachen von UVID, die Hauptannahme jedoch lautet, dass der Effekt durch Photonen mit einer Energie von mehr als 3,4 Elektronenvolt verursacht wird, die Bindungen zwischen Silizium (Si) und Wasserstoff (H) aufbrechen. So entstehen rekombinationsaktive freistehende Bindungen, die wiederum Rekombinationsverluste verursachen. Diese wirken sich hauptsächlich auf die Leerlaufspannung der Zelle aus.
Der neuartige Ansatz der Studie besteht darin, dass die Wissenschaftler erstmals das gesamte UV-Strahlungsspektrum berücksichtigt haben, das sowohl die nahe am sichtbaren Bereich liegende UV-A-Strahlung mit Wellenlängen zwischen 315 und 400 Nanometern als auch UV-B-Strahlung umfasst, also den hochenergetischen Bereich mit Wellenlängen zwischen 290 und 320 Nanometern. „Wir haben UV-B für beschleunigte Tests von Topcon-Zellen unter Laborbedingungen verwendet, was schnellere Zuverlässigkeitsbewertungen ohne neue Ausfallmodi ermöglicht“, erklärt Hoex.
UV-B werde bislang in der Regel nicht als großes Problem angesehen, da die in der Photovoltaik-Industrie üblichen Verkapselungsmaterialien dieses Spektrum wirksam blockieren. Deshalb gelte die Annahme, dass Module mit Topcon-Zellen vor dem potenziellen Degradationsmechanismus gut geschützt sind. Im Wettlauf um höhere Modulwirkungsgrade setzen die Hersteller jedoch zunehmend Verkapselungsmaterial mit einer höheren UV-Durchlässigkeit ein, was die Risiken erhöht. „UV-B kann die Passivierung der Vorderseite von Topcon-Zellen erheblich beeinträchtigen, was zu einer erhöhten Oberflächenrekombination führt“, erklärt Hoex. Dies könne UVID in Topcon-Zellen beschleunigen „und die gleichen Degradationseffekte wie UV-A hervorrufen, jedoch mit einer viel höheren Geschwindigkeit.“
Analyse mit handelsüblichen Zellen
Für ihre Analyse verwendeten die Wissenschaftler handelsübliche bifaziale Topcon-Zellen auf Basis von Wafern aus n-Typ-Czochralski (Cz)-Silizium mit einer Kantenlänge von 182 Millimetern und 140 Mikrometern Stärke. Die Zellen hatten beidseitig einen bor-diffundierten Emitter, passiviert durch einen mit Atomlagenabscheidung (ALD) aufgebrachten 5-Nanometer-Multilayer aus Aluminiumoxid, und mit einer Antireflexbeschichtung aus Siliziumnitrid. Das Forschungsteam verwendete für seine Tests ein UV-A- und UV-B-Lampensystem bei einer Temperatur von 60 Grad Celsius, um eine Gesamtdosis von 61,1 Kilowattstunden je Quadratmeter für UV-B- und 49 Kilowattstunden je Quadratmeter für UV-A-Strahlung zu erzeugen. Analysiert wurde insbesondere das Verhalten der Zellen vor und nach der Wasserstofffreisetzung aus der Siliziumnitrid-Schicht.
„Wir haben festgestellt, dass die Degradation hauptsächlich an der Topcon-Vorderseite auftritt“, sagt Hoex. „Verursacht wird sie durch das Aufbrechen der Silizium-Wasserstoff-Bindung und die Umverteilung von Wasserstoff, was zu einer erhöhten Oberflächenrekombination führt. Die Rückseite hingegen weist aufgrund der dotierten Polysiliziumschicht, die Photonen unter 370 Nanometern Wellenlänge absorbiert, eine starke UV-Beständigkeit auf.“ Licht- und temperaturinduzierte Degradation (LeTID) sei unter der UV-Bestrahlung nicht beobachtet worden: „UV verändert die Wasserstoffdynamik in einer Weise, die diesen Defekt unterdrückt.“
Mit den Daten lasse sich belegen, dass die UV-Strahlung die Slizium-Wasserstoff-Bindungen an der Grenzfläche zur Aluminiumoxid-Schicht aufbricht, was zu einer Zunahme von Wasserstoffionen führt. „Der genaue Mechanismus dieser Wechselwirkung und die langfristigen Auswirkungen der veränderten Wasserstoffverteilung müssen jedoch noch weiter untersucht werden“, betonten die Wissenschaftler.
Empfehlungen an die Industrie
Der Forschungsgruppe zufolge sollte die Industrie UV-B bei beschleunigten Tests von Topcon-Zellen unter Laborbedingungen berücksichtigen. Dies könne eine schnellere Zuverlässigkeitsbewertung ohne Einführung neuer Fehlermodi ermöglichen. Darüber hinaus sollten Hersteller den UV-Schutz auf der Rückseite nutzen, indem sie eine ausreichende Polysilizium-Stärke im Zelldesign beibehalten und gleichzeitig UV-beständige Verkapselungsmaterialien und UV-Filterlagen einsetzen, um die Wasserstoffverteilung zu kontrollieren.
Die Ergebnisse sind in der Studie „UV-induced degradation in TOPCon solar cells: Hydrogen dynamics and impact of UV wavelength“ dargelegt, die kürzlich in „Solar Energy Materials and Solar Cells“ veröffentlicht wurde.
Frühere Forschungen der UNSW zeigten Degradationsmechanismen von Topcon-Serienmodulen mit Verkapselung aus Ethylenvinylacetat (EVA) unter beschleunigten Feuchtigkeits- und Wärmebedingungen sowie die Anfälligkeit von Topcon-Solarzellen für Kontaktkorrosion und drei unterschiedliche, bei Modulen mit PERC-Solarzellen nie festgestellte Arten von Ausfällen bei Topcon-Modulen. Außerdem untersuchten UNSW-Wissenschaftler die natriuminduzierte Degradation von Topcon-Zellen unter Feuchtigkeits- und Hitzeeinwirkung sowie die Rolle „versteckter Kontaminierung” bei der Degradation von Topcon- und Heterojunction-Fabrikaten.
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