Pourquoi le flux est-il le « talon d'Achille » des cellules HJT ? Les cellules TOPCon, en revanche, restent intactes.
1. Contexte et objectif de la recherche
Les cellules HJT et TOPCon sont devenues courantes dans le Marché photovoltaïque En raison de leur haute efficacité, leur stabilité à long terme (notamment leur résistance à la corrosion après encapsulation) reste incertaine. Les acides organiques et les halogènes présents dans le flux peuvent pénétrer les contacts métalliques et provoquer de la corrosion. Cette étude examine les différences d'effets du flux sur les cellules HJT et TOPCon en conditions sèches, analyse le mécanisme de corrosion et formule des recommandations pour le choix des matériaux.
2. Conception et méthodes expérimentales
2.1. Échantillons et matériaux
1) Type de cellule
HJT : cellule bifaciale de type n avec une couche d’ITO et des lignes de grille en argent de type H imprimées à l’aide d’une pâte d’argent basse température. Des porosités existent dans les contacts métalliques.
TOPCon : cellule bifaciale de type n avec des couches d’Al₂O₃/SiNₓ:H et de polysilicium SiO₂/n+ sur les faces avant et arrière, respectivement. Des lignes de grille en argent imprimées à l’aide d’une pâte d’argent haute température assurent une structure plus dense.
2) Flux
Flux A : Contient de l'alcool isopropylique et de l'acide carboxylique. Le brome et le fluor (composés halogénés) ont été détectés par ICP-MS.
Flux B : Contient de l'alcool isopropylique et de l'acide malique. Sans halogène.
3) Étapes de traitement : Les cellules ont été regroupées en trois groupes (témoin, flux A et flux B). Le flux a été pulvérisé sur les deux faces, puis séché (85 °C pendant 10 à 15 minutes). Une exposition à la chaleur sèche a ensuite été réalisée (85 °C, 0 % d’humidité relative pendant 50 heures).
3. Principaux résultats et analyse
3.1. Changements de performance
1) Différences dans la dégradation des performances électriques
Comme illustré dans la figure ci-dessous, après une exposition à la chaleur sèche (85 °C/0 % HR pendant 50 heures), les performances de l'échantillon témoin, non exposé au flux, sont restées stables, indiquant que l'exposition à la chaleur sèche n'a pas affecté les performances de la cellule. Les cellules TOPCon n'ont présenté aucune dégradation après le traitement au flux. Le flux A a augmenté leur rendement et leur résistance à la surface (Rs) de 0,4 % et 12,4 %, respectivement, tandis que le flux B a légèrement augmenté Rs de 1,9 %. Cependant, les échantillons HJT ont présenté une dégradation significative due à une augmentation importante de Rs. Les flux A et B ont diminué leur rendement de 61 % et 55 %, respectivement, tandis que la densité de courant de court-circuit (Jsc) a diminué de 6,1 % pour le premier. La tension en circuit ouvert (Voc) est restée inchangée pour les deux.
2) Résistivité de contact et imagerie Rs
L'imagerie Rs des cellules solaires TOPCon et HJT avant et après exposition à la chaleur sèche a révélé que toutes Cellule solaire TopconLes valeurs de résistance à la surface (Rs) des cellules solaires s sont restées relativement constantes avant et après 50 h d'exposition à la chaleur sèche. En revanche, les cellules solaires HJT, à l'exception de l'échantillon témoin, ont présenté une augmentation significative de Rs sur toute la surface de la cellule après 50 h d'exposition à la chaleur sèche, ce qui concorde avec les mesures courant-tension (IV).
Les mesures TLM ont révélé que l'augmentation de la résistance de surface (Rs) dans les échantillons HJT était principalement due à une augmentation de la résistivité de contact. La résistivité de contact des échantillons à réception et des échantillons témoins était similaire, indiquant la stabilité de l'échantillon témoin après exposition à la chaleur sèche. Les résistivités de contact avant et arrière des cellules HJT exposées au flux étaient supérieures à celles des témoins, l'augmentation étant plus marquée pour la résistivité de contact avant. Cette augmentation pourrait être due à l'utilisation de pâtes d'argent différentes pour les contacts métalliques avant et arrière. La résistivité de contact des cellules exposées au flux A était supérieure à celle des cellules exposées au flux B, car la teneur en halogènes du flux A exacerbe les réactions métalliques. Cependant, la résistance de surface des cellules HJT n'a pas varié de manière significative. Les résultats TLM étaient cohérents avec l'imagerie IV et Rs, indiquant que les deux flux affectaient significativement les cellules HJT.
3.2. Analyse des mécanismes de défaillance
Les rapports de recherche indiquent que le contact avant du TOPCon est plus sensible à la corrosion que le contact arrière. En revanche, des études sur les cellules HJT ont montré que la zone de contact et la zone non métallisée sont toutes deux sensibles à la corrosion. Par conséquent, afin de mieux comprendre le comportement stable du TOPCon et le comportement significatif des cellules HJT, le contact avant du TOPCon et les deux faces de la cellule HJT (la zone de contact et la zone non métallisée) ont été analysés.
1) Stabilité des contacts des cellules solaires TOPCon
Les images MEB montrent que les contacts métalliques avant des cellules TOPCon sont restés denses dans les trois conditions testées (à l'état initial, après traitement avec les flux A et B, et après 50 heures d'exposition à la chaleur sèche). Les contacts avant des cellules exposées au flux n'ont présenté aucune modification significative, indiquant que le flux n'a pas corrodé les électrodes et que l'étape de chauffage n'a pas altéré la structure des contacts. Les images en coupe transversale n'ont révélé aucune corrosion ni délamination à l'interface métal-substrat de silicium, et aucun élément chimique provenant du flux n'a été détecté. L'analyse MEB, cohérente avec les images IV et Rs, a confirmé que les flux A et B n'ont pas endommagé de manière significative les contacts métalliques des cellules TOPCon lors de l'exposition à la chaleur sèche.
2) Défaillance des contacts métalliques et des couches ITO des cellules solaires HJT
Les caractéristiques courant-tension et les résultats de la microscopie à balayage linéaire (TLM) indiquent que la principale cause de la dégradation des cellules HJT est la corrosion des contacts métalliques due à une augmentation de la résistance de contact. Les images MEB ci-dessous montrent des pores visibles dans les électrodes frontales des cellules HJT, mais toutes les électrodes ne présentent pas ce phénomène. Cela pourrait être dû à la composition de la pâte d'argent et aux paramètres de fabrication. Par exemple, les pâtes d'argent à basse température contiennent des liants organiques qui se décomposent et s'évaporent lors du durcissement ou du recuit.
Les cellules HJT exposées aux flux A et B ont présenté une porosité plus marquée dans la couche de contact métallique (figures 1b et 1c ci-dessous). Le flux a pénétré les pores et réagi avec la pâte d'argent, aggravant ainsi les dommages aux fines grilles. Des caractéristiques similaires ont été observées dans la couche de contact arrière : les résidus de flux ont obstrué les pores et le flux B a entraîné le détachement de particules d'argent. La couche de contact métallique des cellules HJT exposées au flux présentait une faible densité, le flux B induisant une porosité accrue, probablement due au détachement de fines particules d'argent. Du brome (Br) et du fluor (F) ont été détectés dans la couche de contact arrière du flux A, alors que ces halogènes étaient absents avec le flux B (voir figures 2b et 2c ci-dessous). De plus, le flux a corrodé l'argent, entraînant une diminution de l'adhérence du contact et une augmentation de la résistance. Les pâtes d'argent à polymérisation à basse température contiennent une résine liante susceptible de réagir électrochimiquement avec le flux, affaiblissant ainsi la cohésion de la pâte et détachant de fines particules d'argent.
Une analyse MEB de la zone non métallisée de la cellule a été réalisée afin de mieux comprendre les causes de dégradation des cellules solaires à hétérojonction (HJT). En conditions de faible humidité, le flux A a provoqué un décollement notable de la couche ITO sur la face arrière des cellules HJT. La présence de brome sur cette face arrière confirme que le flux A contenait du brome. Le flux B n'a pas corrodé significativement la couche ITO. Malgré les dommages subis par cette dernière, sa résistance de surface est restée relativement stable. La couche ITO avant est restée intacte, probablement en raison des différences de procédé de fabrication entre les couches avant et arrière. Il est conseillé aux fabricants de cellules HJT de tester la sensibilité de leurs cellules aux flux, notamment pour les assemblages verre/verre.
La corrosion des contacts métalliques dans les cellules HJT exposées au flux B pourrait être due à une réaction chimique entre l'acide succinique contenu dans le flux B et l'argent à haute température. La porosité préexistante des électrodes métalliques permet à l'acide succinique de traverser les pores et de réagir avec les particules d'argent et la résine liante, ce qui aggrave la fissuration après exposition à la chaleur sèche et peut potentiellement favoriser l'oxydation, augmentant ainsi la résistance (Rs) de la cellule. Cependant, dans les conditions de test, l'acide succinique ne réagit pas avec l'indium ; la couche d'ITO n'a donc pas été endommagée.
La dégradation des cellules HJT exposées au flux A, entraînant des dommages aux contacts métalliques et à la couche ITO, est attribuée à l'acide azélaïque et aux halogènes (F et Br) présents dans le flux A. Bien que la longueur de la chaîne carbonée de l'acide azélaïque réduise théoriquement la corrosion, F et Br l'exacerbent.
En résumé, après exposition à la chaleur sèche (faible humidité), les cellules solaires HJT exposées au flux A (contenant des halogènes) ont présenté une dégradation légèrement supérieure à celles exposées au flux B (sans halogènes). La dégradation des cellules exposées au flux B (sans halogènes) a été attribuée à l'endommagement ou à la corrosion des contacts métalliques, tandis que les cellules exposées au flux A (contenant des halogènes) ont présenté des dommages ou une corrosion à la fois des contacts métalliques et de la couche ITO. Par conséquent, lors du choix d'un flux pour les cellules HJT, il est important d'évaluer indépendamment sa composition.
Cette étude a examiné les effets de deux flux disponibles dans le commerce sur les cellules HJT et TOPCon en conditions de chaleur sèche (85 °C, 0 % HR). Elle a révélé que les cellules TOPCon, grâce à la densité des contacts métalliques formés par la pâte d'argent haute température, étaient insensibles aux flux et ne présentaient aucune variation significative de leurs performances électriques après exposition à la chaleur sèche. En revanche, les cellules HJT, du fait de la structure poreuse de la pâte d'argent basse température et de la sensibilité de la couche ITO aux halogènes, ont montré une baisse significative de leur rendement après exposition aux flux A et B. Cette baisse était principalement due à la pénétration du flux dans les pores, à la corrosion des contacts métalliques et à sa réaction avec la couche ITO (un processus exacerbé par l'halogène contenu dans le flux A). Cette étude souligne l'importance d'une sélection rigoureuse des flux pour les cellules HJT. Une analyse indépendante de la composition du flux par des méthodes telles que la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) et la spectroscopie photoélectronique X (XPS) est recommandée, afin d'éviter de se fier uniquement aux fiches techniques des fournisseurs. Il est également recommandé de réaliser des tests de chaleur sèche au niveau des cellules comme méthode de dépistage rapide pour évaluer l'impact des flux sur la fiabilité à long terme des cellules.