Германия: AZO-базирующиеся HJT-элементы без MgF₂ теряют 16,38% эффективности при влажном тепловом старении

Репортаж от Wedoany，Исследование, проведённое Исследовательским центром Юлиха (Forschungszentrum Jülich GmbH) в Германии, показало, что гетеропереходные (HJT) солнечные элементы, в которых в качестве прозрачного проводящего оксида (TCO) используется алюминий-легированный оксид цинка (AZO) вместо оксида индия-олова (ITO), более подвержены деградации характеристик в условиях влажного теплового старения. После нанесения покрытия из фторида магния (MgF₂) на поверхность AZO исследовательская группа ограничила потерю эффективности в пределах примерно 7% после 1000 часов влажного теплового старения.

Исследователи поясняют, что AZO растёт в виде поликристаллической структуры, и молекулы воды легко проникают вдоль границ зёрен, что приводит к ухудшению электрических свойств материала, снижению проводимости и оптической прозрачности. Для выяснения этого процесса группа изучила изменения фотоэлектрических характеристик и морфологии поверхности AZO-базирующихся HJT-элементов в условиях влажного тепла, используя ITO-базирующиеся элементы в качестве контроля.

В ходе эксперимента исследователи нанесли на переднюю и заднюю поверхности двусторонних HJT-элементов слои ITO или AZO толщиной 70 нм, а также осадили отдельные плёнки ITO и AZO на стеклянные подложки для изолированного наблюдения за изменениями самого материала прозрачного проводящего оксида. Затем элементы были интегрированы в мини-модули размером 210 мм × 210 мм с двумя схемами инкапсуляции: одна — структура стекло/стекло с обеими сторонами из стеклянных пластин толщиной 3,2 мм; другая — лёгкая структура передняя панель/задняя панель, где передняя панель выполнена из этилен-тетрафторэтилена (ETFE), а задняя — из алюминийсодержащего полиолефина.

Обе конструкции модулей были изготовлены с использованием SHJ-элементов на основе ITO или AZO, по два образца для каждой конфигурации. Все образцы подвергались ускоренному влажному тепловому старению в течение 1000 часов при температуре 85 °C и относительной влажности 85% в соответствии со стандартом IEC 61215, с регистрацией электрических характеристик и изображений электролюминесценции (ЭЛ) каждые 200 часов, а также проведением измерений внешней квантовой эффективности и коэффициента отражения.

Результаты показали, что после 1000 часов воздействия влажного тепла эффективность AZO-базирующихся HJT-элементов без дополнительного покрытия снизилась относительно на 16,38%, при этом фактор заполнения уменьшился относительно на 9,84%, что тесно связано с увеличением последовательного сопротивления (Rs). За тот же период потеря эффективности ITO-базирующихся элементов составила лишь относительные 2,80%, что свидетельствует о значительно большей стабильности.

Изображения электролюминесценции (ЭЛ) выявили явные дефекты в AZO-базирующихся лёгких модулях, в основном обусловленные проникновением влаги и коррозией слоя AZO; в AZO-модулях структуры стекло/стекло и ITO-базирующихся устройствах подобных дефектов не наблюдалось. Это указывает на то, что инкапсуляция стекло/стекло обеспечивает более надёжную защиту от влаги, а сам материал ITO обладает лучшей влагостойкостью.

Химический анализ показал увеличение содержания гидроксильных групп в AZO после воздействия влажного тепла, что подтверждает предположение о влагоиндуцированной химической модификации. Изображения сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) дополнительно показали появление коррозионных канавок на поверхности AZO после старения, тогда как ITO сохранял однородную плотную структуру.

Для устранения этого недостатка влагостойкости исследователи нанесли на переднюю поверхность AZO-базирующихся элементов слой фторида магния (MgF₂) толщиной 110 нм. После нанесения этого покрытия потеря эффективности элементов после 1000 часов оставалась в пределах примерно 7%, а дефекты электролюминесценции значительно сократились по сравнению с AZO-элементами без покрытия. Исследовательская группа отмечает, что MgF₂ может замедлить проникновение влаги и коррозию, но не способен создать полный барьер от влаги, и стабильность AZO-базирующихся элементов по-прежнему уступает контрольной группе на основе ITO.

Соответствующие результаты опубликованы в журнале «Solar Energy Materials and Solar Cells» под названием «Unveiling the damp-heat-induced degradation mechanism of AZO-incorporated silicon heterojunction solar cells and modules». В статье сообщается, что исследование раскрывает механизм деградации AZO-содержащих кремниевых гетеропереходных солнечных элементов и модулей в условиях влажного тепла и предлагает практические стратегии повышения их долговечности и производительности.