Französische Forscher entdecken neue UV-induzierte Degradationswege in Heterojunction-Solarzellen

Forscher der Abteilung für neue Energietechnologien und Nanomaterialien (Liten) der französischen Kommission für alternative Energien und Atomenergie haben die Mechanismen der UV-induzierten Degradation (UVID) in Heterojunction-Solarzellen (HJT-Zellen) untersucht. Sie haben dabei herausgefunden, dass „Lightsoaking“-Behandlungen mit einer Kombination aus Wärme- und Lichtaktivierung die Leitfähigkeit der selektiven Schicht schrittweise wiederherstellen kann.

„Die Neuheit dieser Arbeit liegt in erster Linie in der Identifizierung des Mechanismus, der einem Problem der UV-Stabilität zugrunde liegt, das die selektiven Schichten auf der Vorderseite von Silizium-HJT-Solarzellen betrifft“, erklärt Hugo Lajoie, korrespondierender Autor der Studie, gegenüber pv magazine.

Unter Verwendung kontrollierter UVA- und UVB-Bestrahlung – die so kalibriert war, dass sie realistische UV-Dosen auf Modulebene nachbildete – und mit Berücksichtigung der optischen Filtereffekte von Glas und Einkapselungsmaterialien haben die Forscher hydrierte amorphe Siliziumschichten (a-Si:H) als Hauptursache für die UVID-Empfindlichkeit in HJT-Solarzellen identifiziert.

Wasserstoffmigration als wichtiger Treiber

„Das transparente leitfähige Oxid (TCO) auf der Vorderseite trägt durch UVB-Transmission und seinen Wasserstoffgehalt ebenfalls zu dieser Degradation bei. Selektive Schichtmodifikationen haben aber einen deutlich stärkeren Einfluss auf die UVID-Amplitude und -Dynamik. Das bestätigt ihre führende Rolle im Degradationsmechanismus des HJT-Stacks“, erläutert Lajoie. „Experimentelle Beweise zeigen, dass der Phosphinfluss (PH₃) während der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) der selektiven Schicht die UVID stark beeinflusst.“

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass HJT-Wafer, die mit einem hohen PH₃-Fluss in der amorphen selektiven Frontschicht vom n-Typ verarbeitet wurden, nach einer UVA-Exposition von 60 Kilowattstunden pro Quadratmeter einen relativen Verlust der Ladungsträgerlebensdauer von 63,3 Prozent aufwiesen – verglichen mit nur 9,5 Prozent bei undotierten Schichten, gemessen bei einem Injektionsniveau einer Teilchenkonzentration von 10¹⁵ pro Kubikzentimeter.

Nach Ansicht des Forscherteams deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass UVID in HJT-Zellen nicht allein durch den Verlust der chemischen Passivierung aufgrund der Aufspaltung der Silizium-Wasserstoff-Bindung (Si–Hₙ) an der Grenzfläche zwischen a-Si:H und c-Si erklärt werden kann. Dies wurde traditionell als der dominierende Degradationsweg angesehen, da UV-Photonen die Dissoziationsenergie von Si–Hₙ-Bindungen überschreiten können.

„Stattdessen tritt die Wasserstoffmigration, die stark vom Dotierungsgrad und der freien Ladungsträgerdichte beeinflusst wird und aus dieser Spaltung resultiert, als wichtiger Treiber in den Vordergrund. Der Effekt führt zur Bildung elektronisch inaktiver P–Si–H–Si-Komplexe in der vorderen selektiven Schicht“, erklärt Lajoie. „Dieser Mechanismus wurde indirekt durch eine UV-induzierte Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit dotierter selektiver Schichten belegt. Solche metastabilen Defektkonfigurationen schränken die Lebensdauer der Ladungsträger durch einen Verlust der Feldeffektpassivierung stark ein.“

Kombinierte Lightsoaking-Behandlung kann Leitfähigkeit wiederherstellen

Das Team fand außerdem heraus, dass eine kombinierte Lightsoaking-Behandlung mit Licht und Wärme die Leitfähigkeit der selektiven Schicht schrittweise wiederherstellen kann. Das deutet auf lichtaktivierte Wasserstoff-Rekonfigurationsprozesse hin. Die Analyse der Forscher zeigt, dass schwach gebundener Wasserstoff innerhalb der selektiven Schicht zwischen Si–H–Si-Stellen wandern kann. Dadurch wird die Dotierstoffaktivierung und die teilweise chemische Repassivierung der a-Si:H/c-Si-Grenzfläche gefördert.

„FTIR-Messungen zeigten, dass Lightsoaking offenbar speziell Si–Hₙ-Bindungen mit hohem Streckungsmodus regeneriert, die mit hohlraumreichen Umgebungen assoziiert sind. Das deutet auf eine gezielte Wasserstoffumlagerung in defektanfälligen Bereichen und eine Wiederherstellung der Passivierungsqualität auf nahezu ursprüngliches Niveau hin“, sagt Lajoie. „Dennoch legen unsere Ergebnisse auch auf die Existenz einer photonendosisabhängigen Schwelle nahe, ab der UV-Schäden zunehmend irreversibel werden.“

Die Forscher haben ihre Ergebnisse in dem Artikel „Understanding UV-Induced Degradation Mechanisms in SHJ Solar Cells and Their Reversibility: The Role of Hydrogen and Doping” dargelegt, erschienen in der wissenschaftlichen Zeitschrift Progress in Photovoltaics.

„Diese Arbeit unterstreicht die Notwendigkeit einer fortschrittlichen mehrschichtigen selektiven Schichttechnik in Verbindung mit einer optimierten UV-Filterung auf SHJ-Modulniveau“, schlussfolgert Lajoie. „Die präzise Steuerung des Wasserstoffgehalts, der Bindungskonfigurationen und der Dotierungsaktivierung bietet einen gangbaren Weg zur Verbesserung der UV-Zuverlässigkeit ohne Beeinträchtigung der Passivierung. Das macht sie zu einem wichtigen Hebel zur Verbesserung der langfristigen Haltbarkeit der Heterojunction-Technologie.“

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