温度劣化とLeTIDダイナミクス

簡単な回答： インターデジタルバックコンタクトセルは両方の極性のコンタクトを裏面に移動させ、そのアーキテクチャの温度挙動はフロントコンタクトセルとは異なります。この分析では、IBCセルにおける温度劣化および光・高温誘起劣化（LeTID）を25 °Cから85 °Cまでの条件にわたってカバーし、比較した構造の開放電圧は約0.743 Vおよび0.69 Vと報告されています。この種の劣化は部分的に回復可能であり、そのため誤読しやすくなっています。ストレスが除去された後に回復するセルでも、性能が恒久的に失われている可能性があり、最終的な数値のみを記録するテストでは両者を区別できません。測定温度はストレス温度と同じくらい重要です。なぜなら、劣化と回復の両方が熱的に活性化されるからです。

PV モジュール製造 · Jerry、Ooitech 著

製品紹介

インタージタルバックコンタクト（IBC）太陽電池は、両極性の金属コンタクトを裏面に移動させる。表面にはグリッドラインの陰影がないため、テクスチャリングと反射防止膜の光学利点が完全に活かされる。良好なパッシベーションとコンタクトプロセスと組み合わせることで、n型IBCは非常に高い開放電圧と電流密度に到達できる。

トレードオフは、設計に組み込まれた構造的感度である。光生成少数キャリアは、裏面のインタージタルエミッタが収集する前に、ベースを横方向に移動しなければならない。デバイス性能はバルクライフタイムと裏面パッシベーション品質に大きく依存する。裏面界面再結合やコンタクトリークが熱的に活性化されると、暗飽和電流密度J0が不釣り合いに上昇し、Vocが打撃を受ける。

まさにこれが本研究の出発点である。n型IBCセルにおいて、3組の証拠を同じ熱環境に置き、互いに連動させる：25～85°Cでの光照射J-V測定、45～85°Cで1太陽光下、最大960分間実施したLeTIDストレス実験、そして同じ温度範囲での暗I-V解析である。

実験設計

n型IBCセルの断面模式図：裏面インタージタルp+エミッタとn+ BSFコンタクト、表面テクスチャリングとARC。

テストセルは面積258.3 cm²、ウェーハ厚151 ± 6 μm、裏面インタージタル周期約480 μm、エミッタとBSFフィンガー幅はそれぞれ約250 μmと90 μmである。光照射測定はAM1.5G、100 mW/cm²で実施した。各温度点で、熱安定化後に5回のスキャンを平均した。LeTIDストレスはストレス温度で直接測定し、テスト途中で冷却することなく、1、2、4、8分などの指数間隔で記録した。各パラメータは初期値に正規化し、これにより固有の劣化ダイナミクスと瞬間的な温度係数効果を分離した。

定常状態の熱感度

4つのパラメータの、それぞれの25°C値に対する規格化された熱的変化。

25°Cにおいて、このセルはJscが約38.6 mA/cm²、Vocが約0.743 V、FFが約79%、効率が約22.7%を示す。85°Cまで加熱すると、Jscは約3%しか上昇しない（+0.0203 mA·cm⁻²·K⁻¹、およそ+0.05%/K）。Vocは−1.4 mV/Kで線形に低下する（約−0.2%/°C）。効率は約9%低下し、FFはほとんど変化しない。

わずかな電流増加はバンドギャップの狭小化によるものである。Varshniの関係では吸収端がより長い波長側へシフトするため、光生成がわずかに増加する。急速な電圧低下は、真性キャリア濃度と再結合活性に支配されるJ0(T)の指数関数的な増大によるものである。Vocはln(Jsc/J0)に比例するため、J0の適度な上昇だけで測定可能な損失を引き起こすのに十分である。

この温度係数は、高品質な結晶シリコン素子に一般的な−1.3〜−1.6 mV/Kの範囲に収まっている。これは、抵抗や輸送に律速されたセルではなく、再結合律速のセルであることを示している。規格化後も順位は同様に明瞭である。85°CにおいてVocは約15%低下し、効率は約9%低下し、FFは±1%以内にとどまり、Jscは実際には約3%増加する。

LeTIDダイナミクス

LeTID劣化ダイナミクス。

定常状態測定は「どれだけ高温か」に答えるだけである。LeTIDストレス実験は「時間とともにどのように変化するか」を補完する。85°Cでは、Vocは最初の10〜30分で急速に低下し、その後ゆっくりと準飽和に近づく。より低い温度では、減衰ははるかに緩やかである。960分後、Vocは約0.69 Vまで低下し、Jscは全体を通して±2%以内にとどまり、FFはわずかに変動し、実験ウィンドウ内では再生は現れない。測定は熱安定化後にストレス温度で行われたため、初期の電圧低下は過渡的な熱平衡ではなく、急速な欠陥状態の活性化に起因すると考えるべきである。安定したJscは、光生成と短絡取出しが影響を受けなかったことを示しており、支配的な損失は生成律速ではない。著者らはまた、限界も指摘している。ダークアニール対照実験がないため、純粋な熱効果の寄与を完全に排除することはできない。

暗状態の検証

暗状態の電気特性とリーク経路：(a) 暗状態J-V曲線、(b) 微分抵抗、(c) 抽出されたシャント抵抗と直列抵抗、(d) シャントコンダクタンスのArrhenius解析によりEa ≈ 1.10 eVが得られた。

ダークI-Vは、照射状態の外側から同じ問題にアプローチする。順方向電流は温度とともに著しく増加する。低バイアス領域の傾きはシャント抵抗が明瞭に低下することを示す一方、高電流領域はほとんど変化しない。したがって、温度駆動の抵抗変化は直列抵抗の劣化ではなく、リークの活性化が支配的である。理想因子は1.05から1.25で維持され、拡散再結合が支配的であることを意味し、高温ではSRHの寄与が可能性としてある。

シャントコンダクタンスのアレニウス解析は、ln(1/Rsh)対1/Tの良好な線形フィットを与え（R² = 0.97）、活性化エネルギーは1.10 ± 0.08 eVである。これはシリコンのバンドギャップ（約1.12 eV）に匹敵し、報告されているLeTIDの範囲0.8から1.2 eVに収まる。バンドギャップ規模の活性化エネルギーはしばしば深い準位の欠陥支援伝導と関連付けられるが、真性キャリア濃度の寄与を排除することはできない。したがって、特定の欠陥種を特定することなく、熱活性化リーク挙動を支持する。

統一フレームワークとフィールド外挿

三つの証拠系列が一つの現象論的フレームワークに収束する：J0(t, T) = J0,intr(T) + A·Ndef(t, T)。真性飽和電流の上に、時間と温度とともに発展する熱活性化欠陥寄与が乗る。これは次にVoc = (nkT/q)·ln(Jsc/(J0 + 1))を通じて電圧損失に変換される。再結合増強とリーク活性化は同じ表現の中で並行して進む。定常状態の温度係数、LeTIDダイナミクス、ダークリークの進展はこれにより結び付けられる。このフレームワークは特定の欠陥の正体を特定するものではない。

屋外動作への外挿：高日射量下では、モジュールセル温度はしばしば50～65°Cになります。−1.4 mV/Kを用いると、25°Cに対する60°Cは約49 mVの電圧損失を意味し、温度加速されたLeTIDがそれに加えて時間依存の損失を追加します。結論は測定されたセルにのみ適用されます。バックコンタクト TOPCon およびバックコンタクトHJTについては、それらは定性的な参考にすぎません：劣化の大きさ、活性化エネルギー、再生ダイナミクスは、それぞれのパッシベーティングコンタクト方式、界面品質、水素分布、熱安定性に依存し、専用の比較研究に値します。温暖な気候における高効率バックコンタクトデバイスでは、電圧堅牢性と長期的なエネルギー収量は、最終的に裏面パッシベーションの安定性と欠陥管理にかかっています。

Ooitechの見解

ここで目を引くのは、その49 mVの屋外損失のうちどれだけ多くが裏面側に存在するかということです。そこではパッシベーションとコンタクト品質が長期的なVocを左右します。モジュールラインでも話は同じです。IBCセルをどのように切断し、ストリングし、ラミネートするかが、その裏面安定性が実環境で維持されるかどうかを決めます。IBCおよびHPBCレイアウト向けのターンキーラインを構築してきた私たちは、LeTID耐性をセル単体の問題であると同時にプロセスと材料の問題と捉えています。バックコンタクトモジュールが実際にどのように作られるかを見たい方は、私たちのYouTubeチャンネル www.youtube.com/ooitech をぜひフォローしてください。