Warum ist Fluss die „Achillesferse“ von HJT-Zellen? TOPCon-Zellen hingegen bleiben unbeeinträchtigt.
1. Forschungshintergrund und -ziel
HJT- und TOPCon-Zellen sind mittlerweile Standard geworden. Photovoltaikmarkt Aufgrund ihrer hohen Effizienz sind sie zwar vielversprechend, ihre Langzeitstabilität (insbesondere die Korrosionsbeständigkeit nach der Verkapselung) ist jedoch weiterhin fraglich. Organische Säuren und Halogene im Flussmittel können durch Metallkontakte dringen und Korrosion verursachen. Diese Studie untersucht die unterschiedlichen Auswirkungen des Flussmittels auf HJT- und TOPCon-Zellen unter trockenen Bedingungen, analysiert den Korrosionsmechanismus und gibt Empfehlungen zur Materialauswahl.
2. Versuchsplanung und Methoden
2.1.Proben und Materialien
1) Zelltyp
HJT: n-Typ-Bifacialzelle mit einer ITO-Schicht und H-Typ-Silbergitterlinien, die mit Niedertemperatur-Silberpaste aufgebracht wurden. Die Metallkontakte weisen Porosität auf.
TOPCon: n-Typ bifaziale Zelle mit Al₂O₃/SiNₓ:H- und SiO₂/n+-Polysiliziumschichten auf der Vorder- bzw. Rückseite. Mit Hochtemperatur-Silberpaste gedruckte Silbergitterlinien sorgen für eine dichtere Struktur.
2) Fluss
Flussmittel A: Enthält Isopropylalkohol und Carbonsäure. Brom und Fluor (Halogenverbindungen) wurden mittels ICP-MS nachgewiesen.
Flussmittel B: Enthält Isopropylalkohol und Äpfelsäure. Halogenfrei.
3) Verarbeitungsschritte: Die Zellen wurden in Gruppen eingeteilt (Kontrolle, Flux A und Flux B). Der Flux wurde beidseitig aufgesprüht und anschließend getrocknet (85 °C für 10–15 Minuten). Es erfolgte eine Trockenhitzebehandlung (85 °C, 0 % relative Luftfeuchtigkeit für 50 Stunden).
3. Wichtigste Ergebnisse und Analyse
3.1. Leistungsänderungen
1) Unterschiede in der Verschlechterung der elektrischen Leistung
Wie in der Abbildung unten dargestellt, blieb die Leistung der Kontrollprobe, die keinem Flussmittel ausgesetzt war, nach 50-stündiger Trockenhitzebehandlung (85 °C/0 % relative Luftfeuchtigkeit) stabil. Dies deutet darauf hin, dass die Trockenhitzebehandlung selbst die Zellleistung nicht beeinträchtigte. TOPCon-Zellen zeigten nach der Flussmittelbehandlung keine Degradation. Flussmittel A erhöhte ihren Wirkungsgrad und den Kurzschlussstrom (Rs) um 0,4 % bzw. 12,4 %, während Flussmittel B den Rs leicht um 1,9 % erhöhte. HJT-Proben hingegen zeigten eine signifikante Degradation aufgrund eines deutlichen Anstiegs des Rs. Flussmittel A und B reduzierten ihren Wirkungsgrad um 61 % bzw. 55 %, während der Kurzschlussstrom (Jsc) bei Flussmittel A um 6,1 % sank. Die Leerlaufspannung (Voc) blieb bei beiden unverändert.
2) Kontaktwiderstand und Rs-Bildgebung
Rs-Bildgebung von TOPCon- und HJT-Solarzellen vor und nach der Trockenhitzebehandlung ergab, dass alle Topcon SolarzelleDie Rs-Werte der Solarzellen blieben vor und nach 50 Stunden Trockenhitzeeinwirkung relativ konstant. Im Gegensatz dazu zeigten HJT-Solarzellen, mit Ausnahme der Kontrollprobe, nach 50 Stunden Trockenhitzeeinwirkung einen signifikanten Anstieg des Rs-Wertes über die gesamte Zellfläche, was mit den IV-Messungen übereinstimmt.
TLM-Messungen zeigten, dass der Anstieg des Flächenwiderstands (Rs) in den HJT-Proben primär auf einen erhöhten Kontaktwiderstand zurückzuführen war. Der Kontaktwiderstand der unbehandelten und der Kontrollproben war vergleichbar, was darauf hindeutet, dass die Kontrollprobe nach der Trockenhitzebehandlung stabil war. Die Vorder- und Rückseiten-Kontaktwiderstände der mit Flussmittel exponierten HJT-Zellen waren höher als die der Kontrollprobe, wobei der Anstieg des Vorderseiten-Kontaktwiderstands deutlich stärker ausfiel. Dieser Anstieg könnte auf die Verwendung unterschiedlicher Silberpasten für die Vorder- und Rückseiten-Metallkontakte zurückzuführen sein. Der Kontaktwiderstand der mit Flussmittel A exponierten Zellen war höher als der der mit Flussmittel B exponierten Zellen, da der Halogengehalt in Flussmittel A Metallreaktionen verstärkt. Der Flächenwiderstand der HJT-Zellen änderte sich jedoch nicht signifikant. Die TLM-Ergebnisse stimmten mit den IV- und Rs-Messungen überein und zeigten, dass beide Flussmittel die HJT-Zellen signifikant beeinflussten.
3.2. Analyse des Ausfallmechanismus
Forschungsberichte deuten darauf hin, dass der vordere Kontakt von TOPCon korrosionsanfälliger ist als der hintere. Untersuchungen an HJT-Zellen haben hingegen gezeigt, dass sowohl die Kontaktfläche als auch die nichtmetallisierte Fläche korrosionsanfällig sind. Um das stabile Verhalten von TOPCon und das signifikante Verhalten von HJT-Zellen besser zu verstehen, wurden daher der vordere Kontakt von TOPCon sowie die beiden Seiten der HJT-Zelle (Kontaktfläche und nichtmetallisierte Fläche) analysiert.
1) Stabilität der TOPCon-Solarzellenkontakte
SEM-Aufnahmen zeigen, dass die vorderen Metallkontakte der TOPCon-Zellen unter allen drei Bedingungen (im Ausgangszustand, nach Behandlung mit den Flussmitteln A und B sowie nach 50-stündiger Trockenhitzebehandlung) dicht blieben. Die vorderen Kontakte der mit Flussmittel behandelten Zellen wiesen keine signifikanten Veränderungen auf, was darauf hindeutet, dass das Flussmittel die Elektroden nicht korrodierte und die Erhitzung die Kontaktstruktur nicht veränderte. Querschnittsaufnahmen zeigten weder Korrosion noch Delamination an der Metall-Si-Substrat-Grenzfläche, und es wurden keine chemischen Elemente des Flussmittels nachgewiesen. Die SEM-Analyse, die mit den IV- und Rs-Messungen übereinstimmt, bestätigte, dass die Flussmittel A und B die Metallkontakte der TOPCon-Zellen während der Trockenhitzebehandlung nicht signifikant beschädigten.
2) Versagen der Metallkontakte und ITO-Schichten von HJT-Solarzellen
Die IV-Kennlinien und die TLM-Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Hauptursache für die Degradation der HJT-Zelle die Korrosion der Metallkontakte aufgrund des erhöhten Kontaktwiderstands ist. Die untenstehenden REM-Aufnahmen zeigen sichtbare Poren in den vorderen Fingerelektroden der HJT-Zelle, wobei nicht alle Finger betroffen sind. Dies könnte an der Zusammensetzung der Silberpaste und den Prozessparametern liegen. Beispielsweise enthalten Niedertemperatur-Silberpasten organische Bindemittel, die sich während des Aushärtens oder Temperns zersetzen und verdampfen.
HJT-Zellen, die den Flussmitteln A und B ausgesetzt waren, zeigten eine deutlichere Porosität in der Metallkontaktschicht (Abbildung 1b/c unten). Das Flussmittel drang in die Poren ein und reagierte mit der Silberpaste, wodurch feine Schäden am Gitter verstärkt wurden. Ähnliche Eigenschaften wurden in der Rückseitenkontaktschicht beobachtet, wobei Flussmittelreste die Poren füllten und Flussmittel B zum Abtragen von Silberpartikeln führte. Die Metallkontaktschicht der mit Flussmittel exponierten HJT-Zellen wies eine geringe Dichte auf, wobei Flussmittel B die Porosität erhöhte, möglicherweise aufgrund des Abtragens kleiner Silberpartikel. Brom und Fluor wurden in der Rückseitenkontaktschicht von Flussmittel A nachgewiesen, während diese Halogene bei Flussmittel B nicht detektiert wurden (siehe Abbildung 2b/c unten). Darüber hinaus korrodierte das Flussmittel Silber, was zu einer verminderten Kontakthaftung und einem erhöhten Widerstand führte. Niedertemperaturhärtende Silberpasten enthalten ein Bindemittelharz, das elektrochemisch mit dem Flussmittel reagieren kann, wodurch die Kohäsion der Paste geschwächt und kleine Silberpartikel abgetragen werden.
Zur besseren Erforschung der Degradationsursachen in Heteroübergangs-Solarzellen (HJT-Solarzellen) wurde eine SEM-Analyse des nichtmetallisierten Zellbereichs durchgeführt. Unter niedriger Luftfeuchtigkeit verursachte Fluss A eine deutliche Delamination der ITO-Schicht auf der Rückseite der HJT-Zellen. Der Nachweis von Brom auf der Rückseite bestätigte, dass Fluss A Brom enthielt. Fluss B korrodierte die ITO-Schicht nicht signifikant. Obwohl die ITO-Schicht beschädigt wurde, änderte sich der Flächenwiderstand nicht wesentlich. Die vordere ITO-Schicht blieb aufgrund unterschiedlicher Herstellungsverfahren für Vorder- und Rückseite unbeeinträchtigt. Herstellern von HJT-Solarzellen wird empfohlen, die Empfindlichkeit der Zellen gegenüber verschiedenen Flüssen zu testen, insbesondere bei Glas/Glas-Verbindungen.
Die Korrosion der Metallkontakte in HJT-Zellen, die Flussmittel B ausgesetzt waren, könnte auf eine chemische Reaktion zwischen der Bernsteinsäure im Flussmittel B und Silber bei hohen Temperaturen zurückzuführen sein. Die bereits vorhandene Porosität der Metallelektroden ermöglicht es der Bernsteinsäure, durch die Poren zu diffundieren und mit Silberpartikeln und dem Bindemittelharz zu reagieren. Dies verstärkt die Rissbildung nach Einwirkung von trockener Hitze und kann die Oxidation fördern, was den spezifischen Widerstand (Rs) der Zelle erhöht. Unter den Testbedingungen reagierte die Bernsteinsäure jedoch nicht mit Indium, sodass die ITO-Schicht nicht beschädigt wurde.
Die Degradation von HJT-Zellen, die dem Flussmittel A ausgesetzt waren und zu Schäden an den Metallkontakten und der ITO-Schicht führten, wird auf Azelainsäure und Halogene (F und Br) im Flussmittel A zurückgeführt. Obwohl die Kohlenstoffkettenlänge der Azelainsäure theoretisch die Korrosion verringert, verschlimmern F und Br die Korrosion.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass HJT-Solarzellen nach Einwirkung trockener Hitze (niedrige Luftfeuchtigkeit), die mit Flussmittel A (halogenhaltig) behandelt wurden, eine etwas stärkere Degradation aufwiesen als solche, die mit Flussmittel B (halogenfrei) behandelt wurden. Die Degradation der mit Flussmittel B behandelten Zellen wurde auf Schäden oder Korrosion der Metallkontakte zurückgeführt, während bei den mit Flussmittel A behandelten Zellen Schäden oder Korrosion sowohl an den Metallkontakten als auch an der ITO-Schicht auftraten. Daher ist es bei der Auswahl eines Flussmittels für HJT-Zellen wichtig, die Zusammensetzung des Flussmittels unabhängig zu bewerten.
Diese Studie untersuchte die Auswirkungen zweier handelsüblicher Flussmittel auf HJT- und TOPCon-Zellen unter Trockenhitzebedingungen (85 °C, 0 % relative Luftfeuchtigkeit). Es zeigte sich, dass TOPCon-Zellen aufgrund der dichten Metallkontakte, die durch die Hochtemperatur-Silberpaste gebildet werden, unempfindlich gegenüber den Flussmitteln waren und nach der Trockenhitzebehandlung keine signifikante Veränderung der elektrischen Leistung aufwiesen. HJT-Zellen hingegen zeigten aufgrund der porösen Struktur der Niedertemperatur-Silberpaste und der Empfindlichkeit der ITO-Schicht gegenüber Halogenen einen deutlichen Effizienzverlust nach der Exposition gegenüber den Flussmitteln A und B. Dies war hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass das Flussmittel in die Poren eindrang, die Metallkontakte korrodierte und mit der ITO-Schicht reagierte (ein Prozess, der durch das Halogen in Flussmittel A verstärkt wurde). Diese Studie unterstreicht die Notwendigkeit einer sorgfältigen Auswahl des Flussmittels für HJT-Zellen. Es wird empfohlen, die Zusammensetzung des Flussmittels unabhängig mittels Methoden wie ICP-MS und XPS zu analysieren und sich nicht ausschließlich auf die Datenblätter der Hersteller zu verlassen. Die Prüfung auf Zellebene mit trockener Hitze wird auch als schnelle Screening-Methode empfohlen, um den Einfluss von Flüssen auf die langfristige Zuverlässigkeit der Zellen zu beurteilen.