Z pozoru niezauważalne zjawiska mogą obniżyć wydajność modułów PV

Ogniwa słoneczne heterozłączowe (HJT) są uznawane za jedne z najbardziej wydajnych na rynku. Jednak nowe badania wykazały, że nawet niewielkie pozostałości topnika lutowniczego stosowanego podczas produkcji ogniw mogą prowadzić do znaczącej degradacji ich sprawności.

Topnik lutowniczy to substancja niezbędna w procesie zgrzewania lub lutowania taśm przewodzących (busbars), mająca na celu usunięcie tlenków metali z powierzchni, co pozwala na skuteczne połączenie elektryczne. Niestety, jak wykazały eksperymenty przeprowadzone przez naukowców z koreańskiego instytutu KETi (Korea Electronics Technology Institute), jego pozostałości – szczególnie w przypadku ogniw heterozłączowych HJT – mogą powodować degradację warstwy tlenku indowo-cynowego (ITO), która odpowiada za przewodzenie elektronów z ogniwa.

Korozja ITO – asymetria między przednią i tylną warstwą

W badaniu przeanalizowano wpływ czterech komercyjnych topników – oznaczonych jako 920, 952, 56 i 180 – aplikowanych celowo na przednie i tylne warstwy ITO. Po ich nałożeniu i symulowanej ekspozycji na wilgoć (45 godzin w warunkach 85 st. C/85% RH) zauważono znaczny wzrost rezystancji powierzchniowej tylnej warstwy ITO – do poziomu niemożliwego do zmierzenia. Natomiast przednia warstwa ITO wykazywała względną stabilność, co badacze przypisali różnicom w składzie chemicznym oraz strukturze krystalicznej. Tylna warstwa ITO zawierała wyższy udział cyny, co prowadziło do powstawania faz SnO₂, a także więcej defektów tlenowych (oxygen vacancies) potwierdzonych przez analizę laboratoryjną.

REKLAMA

Z czterech analizowanych topników to właśnie topnik 920 wykazał najwyższą szkodliwość. Charakteryzował się najwyższą kwasowością i powodował największy ubytek indu (In) – jednego z kluczowych składników ITO. Zjawisko to zostało potwierdzone zarówno przez badania XRD (dyfrakcję rentgenowską), jak i analizę EDX. Dla pozostałych topników, choć również powodowały degradację, stopień zniszczenia był mniejszy.

Po tabbingowaniu (łączeniu ogniw) i laminacji próbki zostały poddane przyspieszonym testom starzeniowym. Już po 45 godzinach w komorze DH (damp heat) obrazy elektroluminescencyjne wykazywały powstawanie ciemnych plam – szczególnie w miejscach kontaktu topnika z tylną warstwą ITO. Po 300 godzinach ekspozycji zmiany te były wyraźne i trwałe.

Jak przeciwdziałać degradacji?

W swojej pracy naukowcy z KETi wskazują na kilka zagadnień mających wpływ na stopień degradacji. Przede wszystkim kluczowe okazuje się odpowiednie przygotowanie topnika przed aplikacją. W eksperymencie zastosowano metodę suszenia i przedmuchu topnika jeszcze przed procesem tabbingowania, czyli łączenia ogniw z busbarami. Próbki poddane tej procedurze nie wykazały późniejszego wzrostu rezystancji ani obecności ciemnych plam w obrazach elektroluminescencyjnych, co sugeruje skuteczne ograniczenie niekontrolowanego rozlewania się topnika na powierzchni ITO.

Dodatkowo kluczowe znaczenie może mieć wybór samego topnika. Topnik o oznaczeniu „920” charakteryzował się najwyższą kwasowością i powodował największe uszkodzenia – zarówno pod względem korozji, jak i obniżenia zawartości indu (In) w warstwie przewodzącej. Inne topniki, takie jak „180”, „952” czy „56”, również wpływały negatywnie na parametry ogniwa, jednak w mniejszym stopniu. Różnice te mogą wynikać nie tylko z poziomu kwasowości, ale również z zawartości halogenów i innych dodatków organicznych.

REKLAMA

Co istotne, sama laminacja modułu – czyli proces hermetyzacji – nie okazała się skutecznym sposobem eliminacji pozostałości topnika. Nawet po laminacji i krótkim czasie (45 godzin) w warunkach podwyższonej temperatury i wilgotności (85 st. C/85% RH) ciemne plamy nadal były widoczne, a po 300 godzinach testu ich intensywność się utrzymywała.

Więcej na temat tego badania można przeczytać w artykule naukowym: Soldering flux causes corrosion of indium tin oxide electrode in heterojunction solar cells opublikowanym w Cell Reports Physical Science.

Niewidoczne zanieczyszczenia… ciąg dalszy

Do grona czynników przyczyniających się do degradacji ogniw HJT i TOPCon należy dodać jeszcze jeden: niewidoczne ślady zanieczyszczeń pochodzące z nieprawidłowego obchodzenia się z komponentami w trakcie produkcji. Zespół z University of New South Wales (UNSW) zidentyfikował pięć pierwiastków: sód (Na), wapń (Ca), magnez (Mg), chlor (Cl) i siarkę (S), które mogą osadzać się na powierzchni ogniw na etapie kontaktu z rękawicami, kasetami, opakowaniami czy chwytakami próżniowymi.

W testach wilgotnego ciepła minimoduły HJT i TOPCon, które zostały uprzednio zanieczyszczone tymi pierwiastkami, straciły od 10 do 16% mocy. Co ciekawe, moduły PERC pozostały w dużej mierze stabilne. Różne technologie ogniw wykazały odmienną reakcję: w HJT doszło do spadku napięcia obwodu otwartego (Voc) i prądu zwarciowego (Isc) z powodu wzrostu rekombinacji nośników, a w ogniwach TOPCon odnotowano wysoki wskaźnik wzrost oporu szeregowego – efekt korozji metalicznej styków.

Recepta? Według zespołu UNSW wystarczy wdrożenie prostych zasad „clean-as-you-go”: częsta wymiana rękawiczek (np. na nowe nitrylowe), czyszczenie kaset i chwytaków, a w razie potrzeby także szybkie płukanie wodą dejonizowaną i suszenie azotem przed laminacją.