Tło badań

TOPCon stał się jedną z głównych technologii w krystaliczno-krzemowym przemyśle fotowoltaicznym. Wysoka wydajność nie oznacza jednak automatycznie długoterminowej stabilności. Różnice w degradacji indukowanej ultrafioletem (UVID) zostały zgłoszone dla kilku struktur ogniw słonecznych. Ogniwa TOPCon, PERC i HJT mogą być dotknięte, ale lokalizacje degradacji i dominujące mechanizmy nie są dokładnie takie same.

Wcześniejsze dyskusje na temat degradacji UV często koncentrowały się na wysokoenergetycznych fotonach zrywających wiązania Si-H, a następnie uwalnianiu wodoru i zmianach w pasywacji interfejsu. Widmo ultrafioletowe występujące w rzeczywistym środowisku modułu PV nie ogranicza się do jednej długości fali. Oświetlona powierzchnia przednia zawiera również kilka sprzężonych obszarów, w tym SiNx, Al2O3, emiter borowy i kontakty metalowe. Autorzy argumentują zatem, że degradacja UV w ogniwach TOPCon nie powinna być badana wyłącznie przez zachowanie wodoru. Migracja tlenu i interfejsy kontaktowe również mają znaczenie.

Jeden szczegół jest łatwy do przeoczenia. Szkło modułu zwykle odfiltrowuje większość promieniowania UVB, ale nie chroni całkowicie oświetlonej powierzchni ogniwa przed ekspozycją na ultrafiolet. Widmo omawiane w artykule jest zdominowane przez UVA, ale zawiera również około 11% UVB. Autorzy użyli niehermetyzowanych próbek. Eksperyment nie jest zatem równoważny starzeniu całego modułu na zewnątrz, ale pomaga wzmocnić i oddzielić obszary wrażliwe na UV na przedniej powierzchni ogniwa.

Ten artykuł lepiej czytać jako badanie mechanizmu awarii niż jako badanie certyfikacji żywotności modułów. Względna utrata wydajności o 6,72% po UV60 nie powinna być bezpośrednio przeliczana na oczekiwaną stratę mocy modułu na zewnątrz. Ważniejsze jest to, jak autorzy wykorzystują różne metody charakteryzacji, aby powiązać uszkodzenie pasywacji przedniej powierzchni, utlenianie interfejsu i degradację kontaktu metalicznego.

Metoda eksperymentalna

W badaniu użyto komercyjnych ogniw TOPCon typu half-cut o wymiarach 182 mm × 105 mm. Ogniwa wykonano z krzemu monokrystalicznego typu n metodą Czochralskiego o rezystywności około 1,0 Ω·cm i grubości wafla około 130 μm. Aby porównać odporność na UV struktur przedniej i tylnej, badacze przygotowali również symetryczne próbki przedniej powierzchni i symetryczne próbki tylnej powierzchni.

Struktura przednia składała się z SiNx/Al2O3. Struktura tylna składała się z SiOx/n+ poly-Si/Al2O3/SiNx. Główne grubości warstw podane w artykule wymieniono poniżej.

Naukowcy porównali czas życia nośników mniejszościowych, implikowane napięcie obwodu otwartego i J0 przed i po ekspozycji, aby ocenić stabilność pasywacji. Do śledzenia rozkładu głębokościowego wodoru i tlenu zastosowano spektrometrię mas jonów wtórnych z czasem przelotu (ToF-SIMS). Do analizy stanów chemicznych N 1s, O 1s, Al 2p i Si 2p zastosowano profilowanie głębokościowe za pomocą spektroskopii fotoelektronów rentgenowskich (XPS). Pomiary EQE, TLM i I-V połączyły następnie zmiany w cienkich warstwach ze stratami elektrycznymi na poziomie ogniwa.

Siła tego projektu eksperymentalnego polega na połączonym zastosowaniu pełnych ogniw i symetrycznych struktur. Pełne ogniwa pokazują, jak zmieniają się wydajność, Voc, Jsc, współczynnik wypełnienia i rezystancja kontaktowa. Symetryczne próbki przedniej i tylnej strony redukują zakłócenia z reszty struktury ogniwa, ułatwiając identyfikację, która strona pasywacji jest bardziej wrażliwa na ekspozycję UV.

Rysunek 1: Schematy ogniwa TOPCon, symetrycznej struktury przedniej i symetrycznej struktury tylnej. Próbki symetryczne pozwalają na oddzielne porównanie odporności UV przedniego stosu SiNx/Al2O3 i tylnego pasywującego kontaktu poli-Si.

Należy również osobno rozważyć warunki ekspozycji UV. W badaniu zastosowano natężenie ultrafioletu 300 W/m², temperaturę 60°C, wilgotność względną 30% i maksymalną dawkę skumulowaną 60 kWh/m². Widmo było skoncentrowane głównie w zakresie UVA, z mniejszym składnikiem UVB. Jest to bardziej skoncentrowane niż zwykła ekspozycja zewnętrzna i nadaje się do przyspieszenia obserwowalnych zmian chemicznych na przedniej powierzchni w warunkach laboratoryjnych.

Rysunek 2: Widmo ultrafioletu użyte w eksperymencie. Widmo jest zdominowane przez UVA i zawiera mniejszy składnik UVB, co pozwala zaobserwować wpływ fotonów o wyższej energii na przednie warstwy pasywacyjne.

Wyniki i dyskusja

Struktura przednia jest wyraźnie bardziej wrażliwa na UV niż struktura tylna

Rysunek 3 przedstawia najbardziej bezpośrednie porównanie obu struktur. Symetryczna struktura tylna wykazała tylko niewielkie zmiany po UV60. Symetryczna struktura przednia nadal ulegała degradacji wraz ze wzrostem dawki UV. Według artykułu średni czas życia próbek przednich spadł z 2895,6 μs do 1552,8 μs. Implikowane napięcie obwodu otwartego spadło z 735,5 mV do 715,2 mV. Jednostronne J0 wzrosło do 18,4 fA/cm², około trzykrotnie w stosunku do wartości początkowej.

Wyniki te wskazują, że głównym problemem pod wpływem UV60 nie była niestabilność tylnego styku pasywującego TOPCon z polikrzemem. Było to pogorszenie jakości pasywacji w oświetlonej przedniej strukturze SiNx/Al2O3. Autorzy przypisują względną stabilność strony tylnej absorpcji UV przez warstwę polikrzemu o grubości 120 nm. Jest to rozsądny mechanizm oparty na strukturze i jej charakterystyce absorpcji optycznej, choć pozostaje on interpretacją na poziomie mechanizmu.

Trzy parametry potwierdzają ten sam wniosek z różnych kierunków. Niższy czas życia i niższe iVoc wskazują na silniejszą rekombinację powierzchniową. Wzrost J0 dostarcza bardziej bezpośrednich dowodów na zwiększony prąd rekombinacji. Autorzy nie oparli się na pojedynczym wskaźniku. Czas życia, napięcie i prąd rekombinacji wszystkie wykazują pogorszenie struktury przedniej, podczas gdy zielone krzywe reprezentujące strukturę tylną pozostają w dużej mierze stabilne.

Rysunek 3: Zmiany czasu życia, implikowanego napięcia obwodu otwartego i J0 dla struktur przedniej i tylnej pod wpływem ekspozycji na UV. Czerwone krzywe struktury przedniej wykazują większą degradację, identyfikując oświetlony stos pasywacyjny SiNx/Al2O3 jako główny słaby punkt.

ToF-SIMS Wykazuje Redystrybucję Zarówno Wodoru, Jak i Tlenu

Profile głębokościowe ToF-SIMS pokazują, że degradacja powierzchni przedniej nie jest spowodowana tylko jednym pierwiastkiem. Na rysunku 4a stężenie wodoru wzrasta po UV60, szczególnie w warstwie SiNx. Autorzy sugerują, że może to wynikać nie tylko z powszechnie omawianego zrywania wiązań Si-H, ale także z zrywania wiązań N-H wewnątrz SiNx.

Rysunek 4b pokazuje, że rozkład tlenu również się zmienia. Stężenie tlenu w warstwie Al2O3 nieznacznie maleje, podczas gdy wzrasta w pobliżu granic SiNx/Al2O3 i Al2O3/Si. Autorzy interpretują to jako wynik zrywania wiązań Al-O w Al2O3, a następnie dyfuzji uwolnionego tlenu w kierunku warstwy SiNx i powierzchni krzemu.

Kluczową kwestią nie jest po prostu to, że jest więcej tlenu. Tlen opuszcza swoją pierwotną sieć krystaliczną lub środowisko wiązań i zmienia stan chemiczny granic międzyfazowych.

Lokalizacja każdej zmiany krzywej ma znaczenie. Silniejszy sygnał wodoru w obszarze SiNx pokazuje, że górna warstwa pasywacyjna jest bezpośrednio zaangażowana w reakcję. Zmiany tlenu w pobliżu granic międzyfazowych wskazują na niestabilność chemiczną między Al2O3 a sąsiednimi warstwami. Razem wyniki te pomagają wyjaśnić, dlaczego degradacja powierzchni przedniej wpływa zarówno na jakość pasywacji, jak i na końcową wydajność elektryczną.

Rysunek 4: Profile głębokościowe ToF-SIMS wodoru i tlenu przed i po UV60. Wodór wzrasta w stosie pasywacyjnym, podczas gdy tlen ulega redystrybucji w pobliżu interfejsów, dostarczając wskazówek dotyczących zmian wiązań chemicznych zidentyfikowanych później za pomocą XPS.

XPS łączy zrywanie wiązań N-H, defekty tlenowe i wzrost Al-OH

Dopasowane widma XPS N 1s pokazują, że proporcja wiązań N-H na interfejsie SiNx/Al2O3 spadła z 9,64% do 5,97%. Potwierdza to wniosek autorów, że wiązania N-H również uczestniczą w uwalnianiu wodoru. Jednocześnie sygnał N-H wzrósł w pobliżu powierzchni SiNx, co sugeruje, że część uwolnionego wodoru może migrować w kierunku obszaru SiNx i tworzyć tam nowe wiązania.

Zmiany O 1s są jedną z bardziej charakterystycznych części badania. Autorzy rozdzielili sygnał O 1s na tlen sieciowy, składniki związane z defektami tlenowymi i tlen zaadsorbowany na powierzchni. Po UV60 proporcja pików związanych z defektami tlenowymi wzrosła zarówno na interfejsie SiNx/Al2O3, jak i Al2O3/Si. Wskazuje to na pogorszenie jakości warstwy Al2O3.

Dowody poszerzają mechanizm degradacji poza utratą pasywacji wywołaną wodorem. Degradacja związana z wodorem i tlenem wydaje się działać razem, zwiększając rekombinację na przedniej powierzchni.

ToF-SIMS i XPS dostarczają różnych typów informacji. ToF-SIMS lepiej nadaje się do pokazywania, gdzie pierwiastki są rozmieszczone w głębi stosu warstw. XPS pomaga określić stan chemiczny tych pierwiastków. Dopasowanie N-Si i N-H w widmach N 1s, wraz ze składnikami tlenu sieciowego i związanymi z defektami tlenowymi w widmach O 1s, przenosi analizę z lokalizacji pierwiastków na zmiany w wiązaniach chemicznych.

Autorzy wskazują, że wiązania Al-O mają stosunkowo wysoką energię wiązania w idealnym krystalicznym Al2O3. Rzeczywiste warstwy pasywacyjne ogniw słonecznych są jednak zazwyczaj amorficzne. Niedokoordynowane jony glinu i defekty tlenowe mogą obniżyć lokalną barierę energetyczną dla zrywania wiązań. Z tego powodu nawet fotony o najdłuższej długości fali w eksperymencie wynoszącej 400 nm, odpowiadającej około 3,1 eV, mogą wywołać zmiany strukturalne związane z Al-O w środowisku bogatym w defekty. Ta interpretacja łączy defekty cienkich warstw bezpośrednio z wrażliwością na UV.

Rysunek 5: Dopasowane widma XPS N 1s i O 1s. Zmiany w wiązaniach N-H odpowiadają uwalnianiu i migracji wodoru. Zwiększony składnik związany z defektami tlenowymi w widmach O 1s wskazuje na pogarszającą się jakość pasywacji Al2O3.

Al2O3 nie jest całkowicie stabilnym obserwatorem

Rysunek 7 dodatkowo śledzi Al 2p i Si 2p na interfejsie Al2O3/Si. Po UV60 udział przypisany składowej Al2O3 zmniejszył się z 69,99% do 60,36%, podczas gdy Al-OH wzrósł z 30,01% do 39,64%. Wskazuje to na wyraźną konwersję struktur związanych z Al-O pod wpływem ekspozycji na promieniowanie ultrafioletowe.

Wyniki Si 2p pokazują pojawienie się i wzrost Si2+ po UV60, podczas gdy składowe związane z Si, Si3+ i Si4+ maleją. Na podstawie tych wyników autorzy sugerują, że wolny tlen dyfundujący w kierunku interfejsu Al2O3/Si może utleniać krzem, podczas gdy w warstwie Al2O3 tworzą się luki tlenowe. Widma XPS potwierdzają tę interpretację, chociaż bezpośrednia charakterystyka in situ byłaby nadal potrzebna do potwierdzenia dokładnej ścieżki reakcji.

To odkrycie ma znaczenie dla niezawodności przedniej strony TOPCon. Al2O3 ma zapewniać pasywację polową i stabilność interfejsu. Gdy struktury związane z Al-O zaczynają przekształcać się w Al-OH, czemu towarzyszy wyższe stężenie luk tlenowych, warstwa przestaje być jedynie warstwą ochronną. Może stać się częścią samej reakcji degradacji. Zmiany w stanach utlenienia krzemu wskazują również, że chemia interfejsu uległa zmianie.

Rysunek 6: Zmiany w widmach XPS Al 2p i Si 2p na interfejsie Al2O3/Si. Konwersja struktur związanych z Al2O3 w kierunku Al-OH oraz zmiany w stanach utlenienia krzemu pokazują, że reakcje związane z tlenem uczestniczą w degradacji przedniej strony.

Straty elektryczne ostatecznie pojawiają się w Voc i współczynniku wypełnienia

Gdy stan chemiczny stosu pasywacyjnego ulegnie zmianie, efekty elektryczne na poziomie ogniwa stają się wyraźne. Na rysunku 8 EQE pozostaje w dużej mierze stabilne w zakresie średnich i długich fal, ale maleje poniżej 500 nm. Odbiciowość pozostaje prawie niezmieniona. Sugeruje to, że utrata odpowiedzi w krótkich falach jest spowodowana głównie silniejszą rekombinacją na przedniej stronie, a nie nagłym pogorszeniem tekstury, właściwości antyrefleksyjnych lub absorpcji optycznej.

Rysunek 7: Krzywe EQE i odbiciowości przed i po UV60. Odbiciowość pozostaje prawie stabilna, podczas gdy EQE w krótkich falach maleje, co wskazuje, że utrata odpowiedzi prądowej jest głównie związana ze zwiększoną rekombinacją na przedniej stronie.

Spadek EQE w zakresie krótkofalowym jest zgodny z wcześniejszym wzrostem J0. Światło krótkofalowe jest pochłaniane blisko przedniej powierzchni ogniwa. Jeśli pasywacja przedniej powierzchni jest uszkodzona, nośniki generowane w tym obszarze mają większe prawdopodobieństwo rekombinacji przed zebraniem. Strata pojawia się zatem najpierw w zakresie krótkofalowym EQE. Światło średnio- i długofalowe wnika głębiej w objętość lub w kierunku tylnej strony, więc odpowiednie zmiany odpowiedzi są mniejsze.

Pomiary TLM pokazują, że rezystywność styku przedniego wzrastała prawie liniowo z dawką UV. Po UV60 osiągnęła 4,1 mΩ·cm², co stanowi około 8,6 razy wartość początkową. Autorzy sugerują, że wolny wodór, wolny tlen i reaktywne rodniki powstające podczas ekspozycji na UV mogą uczestniczyć w reakcjach na interfejsie elektrody metalowej, zwiększając rezystancję styku. To wyjaśnienie jest zgodne z pomiarami rezystancji, chociaż dokładne produkty reakcji na interfejsie elektrody nadal wymagają bardziej bezpośrednich dowodów chemicznych.

Rysunek 8: Rezystywność styku przedniego wzrasta z dawką ekspozycji UV. Po UV60 rezystywność styku wynosi około 8,6 razy wartość początkową, co czyni ją ważnym czynnikiem utraty współczynnika wypełnienia.

Końcowa względna degradacja parametrów ogniwa została zgłoszona następująco.

Centralny wniosek elektryczny jest jasny. W warunkach UV60 główne straty TOPCon nie pochodzą z redukcji prądu. Pochodzą z utraty Voc spowodowanej degradacją pasywacji przedniej powierzchni oraz utraty współczynnika wypełnienia związanej ze zwiększoną rezystancją styku przedniego.

To również wyjaśnia, dlaczego patrzenie tylko na Jsc może niedoszacować ryzyka degradacji UV. Zmiany EQE w zakresie krótkofalowym, ale całkowity Jsc spada tylko o 0,64%. Problemy z rekombinacją i stykami powodują większą stratę wydajności. W wysokowydajnych ogniwach TOPCon, Voc i współczynnik wypełnienia są bardzo wrażliwe na jakość interfejsu, stan pasywacji i działanie styku metalicznego. Te parametry mogą ujawnić słabości niezawodności wcześniej niż Jsc.

Rysunek 9: Względna degradacja Voc, Jsc, współczynnika wypełnienia i wydajności w warunkach UV60. Wydajność spada o 6,72%, głównie z powodu strat Voc i współczynnika wypełnienia, podczas gdy zmiana Jsc pozostaje stosunkowo niewielka.

Mechanizm i ocena zastosowania

Proponowany mechanizm można podsumować następująco: Ekspozycja na promieniowanie UV zmienia stany wiązań w przedniej strukturze SiNx/Al2O3. Wiązania Si-H i N-H pękają, uwalniając wodór. Struktury związane z Al-O ulegają transformacji, a w sieci Al2O3 powstają defekty tlenowe. Wolny tlen migruje w kierunku granic międzyfazowych, rekombinacja na przedniej powierzchni wzrasta, a reakcje elektrochemiczne wokół obszaru kontaktu mogą zwiększyć rezystancję styku przedniego.

Wyniki pomiarów czasu życia, iVoc, J0, EQE, TLM oraz I-V bezpośrednio potwierdzają degradację elektryczną. ToF-SIMS i XPS wspierają migrację wodoru i tlenu oraz związane z nią zmiany w wiązaniach chemicznych. Interpretacja interfejsu elektrody metalowej wymaga większej ostrożności. Artykuł głównie wnioskuje o tym mechanizmie na podstawie wyższej rezystancji styku i wyników wcześniejszych badań. Do silniejszego potwierdzenia potrzebne byłyby pomiary rozkładu pierwiastków, stanów chemicznych lub analiza przekrojowa interfejsu elektrody.

Dla produkcji przemysłowej artykuł jest przypomnieniem, że niezawodność UV ogniw TOPCon nie może być oceniana wyłącznie na podstawie początkowej sprawności ogniwa. Na długoterminową wydajność energetyczną może wpływać kilka czynników:

• Jakość materiału przedniego stosu pasywacyjnego SiNx/Al2O3

• Stężenie wodoru oraz stabilność wiązań Si-H i N-H

• Stężenie defektów tlenowych w warstwie Al2O3

• Stabilność interfejsu styku metalicznego

• Filtracja UVA i UVB przez szkło modułu i materiały kapsułkujące

• Interakcje między ekspozycją na promieniowanie ultrafioletowe, wilgocią, ciepłem, naprężeniami mechanicznymi i polami elektrycznymi

Gdy badania te są rozpatrywane na poziomie modułu, rzeczywiste widmo docierające do ogniwa zostanie ponownie przefiltrowane przez szkło i folię kapsułkującą. Wilgoć, naprężenia termiczne i pola elektryczne również będą uczestniczyć w starzeniu. Mechanizmy opisane w artykule są zatem bardziej przydatne jako kierunki optymalizacji materiałów i procesów niż jako zamiennik testów IEC lub długoterminowych danych z ekspozycji zewnętrznej.

Cennym następnym krokiem byłoby ocenienie niekapsułkowanych ogniw, kapsułkowanych mini-modułów oraz modułów wystawionych na działanie warunków zewnętrznych w ramach tej samej struktury walidacyjnej. Ułatwiłoby to określenie, które zmiany chemiczne pozostają istotne po realistycznej filtracji widmowej i sprzężeniu środowiskowym.

Możliwe kierunki optymalizacji procesu obejmują:

• Redukcję niestabilnych źródeł wodoru w przednim stosie SiNx/Al2O3

• Poprawę sieci amorficznego Al2O3 i kontrolę defektów tlenowych

• Optymalizacja warunków wypalania i metalizacji dla lepszej stabilności interfejsu kontaktowego

• Poprawa odporności na reakcje związane z utlenianiem wokół przedniego kontaktu metalicznego

• Dobór materiałów enkapsulacyjnych zmniejszających bezpośredni wpływ wysokoenergetycznego UV na powierzchnię ogniwa

Artykuł nie przedstawia kompletnego rozwiązania. Określa jednak wyraźniej granice problemu i pokazuje, że pasywacja przedniej powierzchni oraz inżynieria kontaktu muszą być rozpatrywane razem.

Wnioski z badań: Co należy rozwiązać w przyszłości

Poprzez testy ekspozycji UV60 autorzy pokazują, że przednia struktura SiNx/Al2O3 ogniw TOPCon jest bardziej podatna na degradację indukowaną ultrafioletem niż tylny kontakt pasywujący z polikrzemu. Degradacja nie jest spowodowana jednym izolowanym czynnikiem. Wpływ mają procesy związane z wodorem, procesy związane z tlenem oraz zwiększona rezystancja przedniego kontaktu.

Znaczenie tej pracy polega na rozszerzeniu wyjaśnienia degradacji UV ogniw TOPCon poza samo zrywanie wiązań Si-H. Przedstawia ona szersze ramy ewolucji chemicznej przedniej powierzchni. Zmniejszenie ryzyka UVID będzie prawdopodobnie wymagać skoordynowanej optymalizacji przedniego stosu pasywacyjnego, wakansów tlenowych na interfejsie, zarządzania wodorem, kontaktów metalizacyjnych oraz filtracji UV przez pakiet modułu. Dostosowanie tylko jednego parametru warstwy może nie wystarczyć.

Ograniczenia powinny pozostać jasne. Próbki były nieenkapsulowane w zgłoszonych warunkach UV, a część proponowanego mechanizmu degradacji kontaktu metalicznego jest nadal wnioskowana. Najbardziej ostrożna interpretacja jest taka, że artykuł wykazuje wyraźny związek między ewolucją składu chemicznego a degradacją elektryczną na przedniej powierzchni ogniw TOPCon pod wpływem ekspozycji UV. Dostarcza również konkretnych celów dla przyszłych badań długoterminowej niezawodności po enkapsulacji.

Bibliografia

Lou, X., Yang, N., Fu, Z., Chen, D., Chen, Y., & Verlinden, P. J. (2026). Chemical composition evolution and electrical performance degradation of TOPCon solar cells under UV exposure. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 1–9.

Opinia Ooitech

Praktyczne przesłanie jest proste: pasywacja przedniej strony i metalizacja powinny być traktowane jako jeden system niezawodności, a nie jako oddzielne etapy procesu. Stabilne początkowe Voc nie wystarczy, jeśli ekspozycja na UV może zmienić chemię Al2O3 i stale zwiększać rezystancję przedniego kontaktu. Przyszła walidacja powinna łączyć testy na poziomie ogniwa z testami na miniaturowych modułach enkapsulowanych w realistycznym spektrum szkła i enkapsulantu.