Ricerca avverte sul degrado inaspettato nelle celle solari TOPCon causato dalla luce invisibile

Gli scienziati dell’Università del Nuovo Galles del Sud (UNSW), in Australia, hanno studiato l’impatto della degradazione indotta dai raggi UV (UVID) nelle celle solari basate sulla progettazione del contatto passivato con ossido tunnel (TOPCon).

La loro analisi si è concentrata, in particolare, sul ruolo dell’idrogeno e sulla dipendenza dalla lunghezza d’onda nella gamma UV, che hanno descritto come ambigua. “La dipendenza dalla lunghezza d’onda UV è una preoccupazione crescente a causa dell’uso di incapsulanti trasparenti ai raggi UV”, ha dichiarato a pv magazine l’autore principale della ricerca, Bram Hoex . “Questo aumenta l’efficienza dei moduli, ma espone anche le celle solari alle radiazioni UV durante il funzionamento”.

I ricercatori hanno spiegato che, sebbene non vi sia ancora un consenso scientifico sulle cause dell’UVID, l’ipotesi principale è che sia causata da fotoni con un’energia superiore a 3,4 eV, che rompono i legami tra silicio (Si) e idrogeno (H), creando così legami pendenti attivi per ricombinazione. Questi, a loro volta, creano perdite per ricombinazione, che influenzano principalmente la tensione a circuito aperto della cella.

La novità dello studio è rappresentata dal fatto che gli scienziati hanno preso in considerazione per la prima volta l’intero spettro delle radiazioni UV, che comprende le radiazioni UV-A, che hanno lunghezze d’onda comprese tra 315-400 nm e sono più vicine alla luce visibile, e le radiazioni UV-B, che sono una forma di radiazione solare invisibile e ad alta energia con lunghezze d’onda comprese tra 290-320 nm.

“Abbiamo utilizzato i raggi UV-B per i test accelerati delle celle TOPCon in condizioni di laboratorio, consentendo valutazioni di affidabilità più rapide senza introdurre nuove modalità di guasto”, ha spiegato Hoex, osservando che i raggi UV-B non sono comunemente percepiti come una preoccupazione importante, poiché gli incapsulanti disponibili in commercio nel settore fotovoltaico bloccano efficacemente le radiazioni UV-B, portando all’idea che i moduli TOPCon siano completamente protetti da questo potenziale meccanismo di degradazione.

La corsa verso prodotti più efficienti, tuttavia, sta spingendo i produttori a utilizzare incapsulanti con una maggiore trasmissione UV, il che aumenta i rischi. “I raggi UV-B possono degradare significativamente la passivazione della superficie frontale delle celle TOPCon, portando a una maggiore ricombinazione superficiale”, ha spiegato Hoex. “Può accelerare la radiazione UVID nelle celle solari TOPCon, producendo gli stessi effetti di degradazione dei raggi UV-A, ma a una velocità molto maggiore”.

Per la loro analisi, gli studiosi hanno utilizzato celle TOPCon bifacciali disponibili in commercio basate su wafer di silicio Czochralski (Cz) di tipo n di 182 mm × 182 mm e con uno spessore di 140 μm. I dispositivi presentavano un emettitore diffuso al boro su entrambi i lati, passivato da una pila multistrato da 5 nm di ossido di alluminio (AlO x ) depositato mediante deposizione a strati atomici (ALD) e da un rivestimento antiriflesso a strato di nitruro di silicio (SiN x ).

I ricercatori hanno inoltre utilizzato un sistema di lampade UV-A e UV-B a una temperatura di 60 °C per erogare una dose totale di 61,1 kWh/m² per UV-B e 49 kWh/m² per UV-A per i test. Hanno analizzato, in particolare, il comportamento delle celle prima e dopo il rilascio di idrogeno dallo strato di SiNx.

“Abbiamo scoperto che la degradazione si verifica principalmente sulla superficie anteriore del TOPCon, causata dalla rottura del legame Si-H e dalla ridistribuzione dell’idrogeno, con conseguente aumento della ricombinazione superficiale, mentre la superficie posteriore mostra una forte resistenza ai raggi UV grazie allo strato di poli-Si drogato che assorbe fotoni inferiori a 370 nm”, ha affermato Hoex, sottolineando che non è stata osservata alcuna degradazione indotta dalla luce e dall’elevata temperatura (LeTID) sotto l’esposizione ai raggi UV. “I raggi UV alterano la dinamica dell’idrogeno in un modo che sopprime questo difetto”.

I dati hanno mostrato che la radiazione UV rompe i legami Si-H all’interfaccia AlOx/(p+)Si, con conseguente aumento degli ioni idrogeno. “Tuttavia, l’esatto meccanismo di questa interazione e gli effetti a lungo termine della distribuzione alterata dell’idrogeno richiedono ulteriori indagini”, hanno sottolineato gli scienziati.

Il gruppo di ricerca ha affermato che l’industria dovrebbe prendere in considerazione l’UV-B nei test accelerati delle celle TOPCon in condizioni di laboratorio, il che consentirebbe valutazioni di affidabilità più rapide senza introdurre nuove modalità di guasto. Inoltre, i produttori dovrebbero sfruttare la protezione UV sul lato posteriore mantenendo uno spessore di polisilicio sufficiente nella progettazione, utilizzando al contempo incapsulanti resistenti ai raggi UV e strati filtranti UV per controllare la distribuzione dell’idrogeno.

I loro risultati sono disponibili nello studio “ UV-induced degradation in TOPCon solar cells: Hydrogen dynamics and impact of UV wavelength ”, pubblicato di recente su Solar Energy Materials and Solar Cells.

Precedenti ricerche condotte dall’UNSW hanno evidenziato i meccanismi di degradazione dei moduli solari industriali TOPCon incapsulati con etilene vinil acetato (EVA) in condizioni accelerate di calore-umidità , nonché la vulnerabilità delle celle solari TOPCon alla corrosione da contatto e tre tipi di guasti dei moduli solari TOPCon mai rilevati nei pannelli PERC. Inoltre, gli scienziati dell’UNSW hanno studiato la degradazione indotta dal sodio delle celle solari TOPCon in condizioni di esposizione a calore-umidità e il ruolo dei ” contaminanti nascosti ” nella degradazione sia dei dispositivi TOPCon che di quelli a eterogiunzione.

Inoltre, un altro studio dell’UNSW ha recentemente valutato l’ impatto del flusso di saldatura sulle celle solari a eterogiunzione e ha scoperto che la composizione di questo componente è fondamentale per prevenire crepe importanti e distacchi significativi.

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