Deutschland: AZO-basierte HJT-Zellen ohne MgF2 verlieren unter Feuchtwärme 16,38 %

de.wedoany.com-Bericht: Forschungsergebnisse des Forschungszentrums Jülich GmbH in Deutschland zeigen, dass Heteroübergangs-Solarzellen (HJT), die Aluminium-dotiertes Zinkoxid (AZO) anstelle von Indiumzinnoxid (ITO) als transparente leitfähige Oxidschicht (TCO) verwenden, unter feuchter Wärme anfälliger für Leistungsabfall sind. Nachdem das Forschungsteam eine Magnesiumfluorid (MgF₂)-Deckschicht auf der AZO-Oberfläche aufgebracht hatte, wurde der Wirkungsgradverlust unter 1000-stündiger Feuchtwärmealterung auf etwa 7 % begrenzt.

Die Forscher erklärten, dass AZO in polykristalliner Struktur wächst und Wassermoleküle leicht entlang der Korngrenzen eindringen können, was die elektrischen Eigenschaften des Materials verschlechtert und Leitfähigkeit sowie optische Transparenz beeinträchtigt. Um diesen Prozess zu klären, untersuchte das Team die photoelektrischen Eigenschaften und Oberflächenmorphologie-Veränderungen von AZO-basierten HJT-Zellen unter feuchter Wärme, wobei ITO-basierte Zellen als Referenz dienten.

Im Experiment stellten die Forscher 70 nm dicke ITO- oder AZO-Schichten auf der Vorder- und Rückseite der bifazialen HJT-Zellen her und deponierten separate ITO- und AZO-Dünnfilme auf Glassubstraten, um die Veränderungen des transparenten leitfähigen Oxidmaterials selbst isoliert zu beobachten. Anschließend wurden die Zellen in 210 mm × 210 mm große Einzelzellen-Minimodule integriert, wobei zwei Verkapselungsvarianten verwendet wurden: eine Glas/Glas-Struktur mit 3,2 mm dicken Glasplatten auf beiden Seiten und eine Leichtbau-Vorder-/Rückseitenstruktur mit Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE) als Vorderfolie und aluminiumhaltigem Polyolefin als Rückseitenfolie.

Beide Moduldesigns wurden jeweils mit ITO- bzw. AZO-basierten SHJ-Zellen hergestellt, wobei für jede Konfiguration zwei Proben gefertigt wurden. Alle Proben wurden gemäß der Norm IEC 61215 bei 85 Grad Celsius und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit einer 1000-stündigen beschleunigten Feuchtwärmealterung unterzogen. Alle 200 Stunden wurden elektrische Leistungsdaten und Elektrolumineszenz (EL)-Bilder aufgezeichnet sowie Messungen der externen Quanteneffizienz und Reflektivität durchgeführt.

Die Ergebnisse zeigten, dass die AZO-basierten HJT-Zellen ohne zusätzliche Abdeckung nach 1000-stündiger Feuchtwärmeexposition einen relativen Wirkungsgradabfall von 16,38 % aufwiesen, wobei der Füllfaktor relativ um 9,84 % sank, was eng mit dem Anstieg des Serienwiderstands (Rs) zusammenhing. Im gleichen Zeitraum betrug der Wirkungsgradverlust der ITO-basierten Zellen nur relativ 2,80 %, was deutlich stabiler war.

Elektrolumineszenz (EL)-Bildgebung zeigte deutliche Defekte in den AZO-basierten Leichtbaumodulen, die hauptsächlich auf Feuchtigkeitseindringen und Korrosion der AZO-Schicht zurückzuführen waren; in AZO-Glas/Glas-Modulen und ITO-basierten Bauelementen wurden keine vergleichbaren Defekte festgestellt. Dies deutet darauf hin, dass die Glas/Glas-Verkapselung einen stärkeren Feuchtigkeitsschutz bietet, während das ITO-Material selbst eine bessere Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweist.

Chemische Analysen ergaben, dass AZO nach Feuchtwärmeexposition eine Zunahme hydroxylbezogener Spezies aufwies, was die Annahme einer feuchtigkeitsinduzierten chemischen Modifikation unterstützt. Rasterelektronenmikroskopie (REM)-Bilder zeigten ferner, dass die gealterte AZO-Oberfläche Korrosionsrinnen aufwies, während ITO eine gleichmäßige und dichte Struktur beibehielt.

Um dieser Feuchtigkeitsempfindlichkeit entgegenzuwirken, deponierten die Forscher eine 110 nm dicke Magnesiumfluorid (MgF₂)-Deckschicht auf der Vorderseite der AZO-basierten Zellen. Mit dieser Deckschicht blieb der Wirkungsgradabfall nach 1000 Stunden bei etwa 7 %, und die Elektrolumineszenz-Defekte waren im Vergleich zu unbedeckten AZO-Zellen deutlich reduziert. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass MgF₂ das Eindringen von Feuchtigkeit und Korrosion verlangsamen, aber keine vollständige Feuchtigkeitsbarriere bilden kann; die Stabilität der AZO-basierten Zellen bleibt hinter der ITO-Referenzgruppe zurück.

Die entsprechenden Ergebnisse wurden unter dem Titel „Unveiling the damp-heat-induced degradation mechanism of AZO-incorporated silicon heterojunction solar cells and modules" in der Fachzeitschrift Solar Energy Materials and Solar Cells veröffentlicht. Die Arbeit zeigt den Degradationsmechanismus von AZO-basierten Silizium-Heteroübergangs-Solarzellen und -Modulen unter feuchter Wärme auf und schlägt praktische Strategien zur Verbesserung ihrer Haltbarkeit und Leistung vor.