Bei mono-kristallinen PERC-Modulen kommt es im ersten{1}Jahr zu einer typischen Verschlechterung von 3 % (gemessener Durchschnitt 1,92 %) aufgrund von Bor-Sauerstoff (B-O)-Komplexdefekten, was zu erheblichen Stromerzeugungsverlusten über den Lebenszyklus führt;
während TOPCon vom Typ N-mit Phosphor-dotierte Wafer verwendet, den BO-LID-Mechanismus vermeidet und eine Degradation im ersten-Jahr erreicht<1% (outdoor demonstration only 0.51%).
Yinchuan-Demonstrationsdaten zeigen: Bei gleichwertiger Bestrahlung verschlechtern sich TOPCon-Module nach 6000 Stunden weniger als 37 % der PERC-Module.
Die Tunneloxidschicht und die Poly--Silizium-Passivierungsstruktur von TOPCon unterdrücken gleichzeitig die Oberflächenrekombination.was zu einer durch Laborlicht-induzierten Abbaurate von nur 0,26 % führt.
Eine geringere Degradation in Kombination mit einem Wirkungsgradvorteil von 24–26 % ermöglicht TOPCon, dies zu erreichen3–5 Jahre Leistungsgewinn zur Deckung der anfänglichen Kostenprämiein großen-Kraftwerken, Neugestaltung der Auswahllogik für hocheffiziente-Module.
Ursachen
Bildung und Aktivierung von Bor-Sauerstoffkomplexen
Der Kernmechanismus von LID ist die Bildung von Bor-Sauerstoffkomplexen (B-O) unter Beleuchtung. In mit Bor dotierten P--Wafern verbinden sich Boratome mit interstitiellem Sauerstoff und bilden instabile B-O-Defekte:
· Formationsbedingung: Under illumination intensity >1 mW/cm² geht der Bor--Sauerstoffkomplex in einen aktiven Zustand (Zustand B) über, wodurch die Lebensdauer der Minoritätsträger von 1000 μs auf unter 500 μs sinkt.
· Temperatureinfluss: Bei jedem Temperaturanstieg um 10 Grad erhöht sich die Bildungsrate des B-O-Komplexes um das Zwei- bis Dreifache. Beispielsweise ist die LID-Verschlechterungsrate von PERC-Modulen bei 75 Grad 4,7-mal so hoch wie bei 25 Grad.
· Unterschied im Sauerstoffgehalt: Mono-kristallines Silizium, das mit Quarztiegeln gezüchtet wird, hat einen hohen Sauerstoffgehalt von 10-14 ppma, während multi-kristallines Silizium aus dem Guss nur 1-2 ppma aufweist. Dies führt zu einem zwei- bis dreimal höheren LID-Abbau bei Mono-Si im Vergleich zu Multi-Si.
Prozessparameter-Verstärkungseffekt auf LID
Zellherstellungsprozesse wirken sich direkt auf die Aktivität von B-O-Komplexen aus:
·Sintertemperatur: When sintering peak temperature >Bei einer Temperatur von ca. 850 Grad diffundiert Wasserstoff aus der Passivierungsschicht in das Siliziumsubstrat und verbindet sich mit Bor zu reversiblen Defekten. Experimente zeigen, dass mit jedem Anstieg der Sintertemperatur um 50 Grad die Abbaurate von LeTID um 0,8 % zunimmt.
·Metallverunreinigung: Eisenverunreinigungen (Fe) verbinden sich mit Bor und bilden Fe-B-Paare, die unter Beleuchtung in Feⁱ und Bⁱ⁰ zerfallen und zusätzliche Rekombinationszentren erzeugen. . 1 ppm Eisenverunreinigung kann den LID-Abbau um 0,5 % erhöhen.
·Unzureichende Wasserstoffpassivierung: Wenn der Wasserstoffgehalt in der Passivierungsschicht (z. B. AlOx/SiNx) beträgt<1×10¹⁹ atoms/cm³, it cannot effectively passivate B-O defects. TOPCon requires 40% less hydrogen due to the absence of boron doping, improving defect regeneration efficiency.
Korrelation zwischen Zellstruktur und LID-Empfindlichkeit
Unterschiedliche Zellstrukturen zeigen signifikante Unterschiede in der LID-Reaktion:
·PERC-Zellen: Die hintere Passivierungsschicht erhöht die Absorption von langwelligem Licht, was zu einer höheren Trägerkonzentration und einer erhöhten Aktivität des B-O-Komplexes führt. Messungen zeigen, dass der PERC-LID-Abbau 1,8-mal so hoch ist wie bei herkömmlichen Back-Surface-Field-Zellen (Al-BSF) aus Aluminium.
·TOPCon-Zellen: Wenn die Dicke der Tunneloxidschicht (SiOx) auf 1,5 nm eingestellt wird, beträgt die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit<0.5 cm/s, suppressing defect activation. Lab data indicates TOPCon's LID degradation rate is 82% lower than PERC.
·Heterojunction (HJT)-Zellen: Die Passivierungsschicht aus amorphem Silizium führt zu zusätzlichen Defekten, aber 90 % der Grenzflächenzustände können durch Wasserstoffglühen repariert werden, wodurch die LID-Verschlechterung unter 0,3 % bleibt.
Umweltfaktoren und dynamische Reaktion von LID
Mechanismen der Außenumgebung, die LID beschleunigen:
·UV-Strahlung: Ultraviolet light (280-320nm) induces oxygen vacancy generation, which combines with boron to form complexes. Zhangbei demonstration data shows, in regions with annual UV irradiation >2000 kWh/m², PERC-Module erfahren einen zusätzlichen LID von 0,7 %.
·Hohe Temperatur und Luftfeuchtigkeit: Unter 85-Grad-/85-%-RH-Bedingungen verursacht das Eindringen von Feuchtigkeit eine Hydrolyse von Bor--Sauerstoffkomplexen, wodurch bewegliche Ionen erzeugt werden und die Diffusion des Rekombinationszentrums beschleunigt wird. Der Feuchthitzetest (1000 Stunden) verursachte eine Verschlechterung des PERC-Modul-LID von 1,2 %.
·Mechanischer Stress: Modulkapselungsstress verursacht Mikro-risse in Wafern. Sauerstoffkonzentrationsgradienten an Rissspitzen lösen die lokale Bildung von B-O-Komplexen aus. Bei Temperaturwechseltests (-40 °C bis 85 °C) zeigten gerissene Module eine um 0,9 % höhere LID-Verschlechterung als intakte Module.
Daten-gesteuertes LID-Vorhersagemodell
Die physikalisch-basierte LID-Vorhersage erfordert die Integration multi-dimensionaler Parameter:
·Schlüsselvariablen: Borkonzentration (B), Sauerstoffkonzentration (O), effektive Trägerkonzentration (Δn), Temperatur (T).
·Empirische Formel: LID-Abbaurate (%)=0.003×B×O×exp(-Ea/(kT)), wobei Ea=0.85eV (Aktivierungsenergie der Bor-Sauerstoffrekombination), k die Boltzmann-Konstante ist.
·Messverifizierung: Statistiken zu 1000 PERC-Zellen zeigen einen Formelvorhersagefehler<±0.2%, can guide wafer doping process optimization.
Vergleich der Abbauraten
Laborlicht-Testbedingungen und Daten zur induzierten Degradation
Standardisiertes LID-Labortestverfahren:
·Beleuchtungsdosis: 5 kWh/m² (AM1.5G-Spektrum, 1000 W/m² Intensität)
·Temperaturkontrolle: 25 Grad konstante Temperatur
·Testdauer: Kontinuierliche Beleuchtung für 100 Stunden
Technologieverbesserung
Alternativen zur Bordotierung
Wurzelproblem: PERC-Zellen vom Typ P- erleiden im ersten{1}Jahr einen Abbau von bis zu 3 % (Labordaten) aufgrund von Bor-{3}}Sauerstoffkomplexen (BO-LID).
Lösungen:
·Gallium (Ga)-Doping: Ersetzen Sie Bor durch Gallium als Dotierstoff und vermeiden Sie so den BO-LID-Reaktionsweg. Der Segregationskoeffizient von Gallium (0,35) ist niedriger als der von Bor (0,8), was eine Anpassung der Wärmefeldverteilung erfordert:
o Kristallwachstumstemperatur: 1450 Grad → 1520 Grad (reduziert die Ga-Verflüchtigung)
o Radialer Temperaturgradient:<5°C/cm (improves crystal quality)
o Gemessener Effekt: LID-Verschlechterung von 3 % auf 0,7 % reduziert, aber Widerstandsschwankung ±12 %.
·Indium (In) Co-Dotierung: Bor-Indium-Co--Dotierung (B: In=10:1) verringert die Sauerstofflöslichkeit weiter:
o Sauerstoffgehalt: 10 ppma → 5 ppma
o Lebensdauer der Minoritätsträger: 500 μs → 800 μs
o Kostenerhöhung: Waferpreis um 0,005 $/W erhöht.
Glühprozess:
·Glühen bei niedriger-Temperatur (LTA):
o Temperatur: 200 Grad → 300 Grad
o Zeit: 10 Minuten → 30 Minuten
o Wirkung: Aktiviert die Wasserstoffpassivierung, repariert Bor--Sauerstoffdefekte
o Daten: PERC-Zellen-LID-Abbau um 0,5 % reduziert.
Upgrade der Passivierungsschicht
Oberflächenpassivierungstechnologie:
·AlOx/SiNx-Stapel:
o Dickenkontrolle: AlOx 3 nm + SiNx 80 nm
o Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit:<10 cm/s (conventional PERC 20 cm/s)
o Lab data: Minority carrier lifetime increased to >1500μs.
Optimierung der hinteren Passivierung:
·SiNx-Dickenanpassung:
o Konventionell: 120 nm → Optimiert: 150 nm
o Wirkung: Reduziert die Diffusion von Bor nach hinten, unterdrückt LeTID
o Ergebnis: Die LeTID-Verschlechterung wurde von 1,17 % auf 0,3 % reduziert.
Umwandlungseffizienz
Massenproduktionseffizienz erreicht 25,4 %(SunPower Maxeon 7),Laborrekord 26,8 %, nähert sich dem28,7 % theoretische Grenze;
PERC stagniert bei23.5%. Der Temperaturkoeffizient von TOPCon beträgt-0,29 %/Grad, Bifazialität85%+Steigerung der Energieausbeute um20%, Abbaurate<0.4% per year, 30 Jahre Energieerhaltung87%.
Theoretische Grenzen
Physikalische Grenze von mono-kristallinem PERC
Mono-kristalline PERC-Zellen, die auf Wafern vom Typ P- basieren, haben eine theoretische Effizienzgrenze von 24,5 % (Shockley-Queisser-Grenze).
Dieser Wert wird durch die Bandlücke des Siliziums (1,1 eV) und die Übereinstimmung des Sonnenspektrums bestimmt.
In der Massenproduktion führt Bor-Dotierung zu Bor-{0}}Sauerstoffkomplexen (B-O), die eine licht-induzierte Degradation (LID) mit einem Effizienzverlust von 2–3 % im ersten{3}}Jahr verursachen.
