Предыстория исследования

TOPCon стала одной из основных технологий в кристаллической кремниевой фотоэлектрической промышленности. Однако высокая эффективность не означает автоматически долгосрочную стабильность. Различия в ультрафиолетовой деградации (UVID) были зарегистрированы для нескольких структур солнечных элементов. TOPCon, PERC и HJT элементы могут быть подвержены воздействию, но места деградации и доминирующие механизмы не совсем одинаковы.

Предыдущие обсуждения УФ-деградации часто фокусировались на разрыве связей Si-H высокоэнергетическими фотонами с последующим выделением водорода и изменениями в пассивации интерфейса. Ультрафиолетовый спектр, встречающийся в реальной среде фотоэлектрического модуля, не ограничивается одной длиной волны. Освещенная фронтальная поверхность также содержит несколько связанных областей, включая SiNx, Al2O3, борный эмиттер и металлические контакты. Поэтому авторы утверждают, что УФ-деградацию в TOPCon элементах не следует изучать только через поведение водорода. Миграция кислорода и контактные интерфейсы также имеют значение.

Одна деталь легко упускается из виду. Стекло модуля обычно отфильтровывает большую часть УФ-В излучения, но не полностью защищает освещенную поверхность элемента от ультрафиолетового воздействия. Спектр, обсуждаемый в статье, в основном состоит из УФ-А, но содержит около 11% УФ-В. Авторы использовали неинкапсулированные образцы. Таким образом, эксперимент не эквивалентен старению полного модуля на открытом воздухе, но помогает усилить и разделить чувствительные к УФ области на фронтальной поверхности элемента.

Данную статью лучше рассматривать как исследование механизмов деградации, а не как сертификационное исследование срока службы модулей. Относительное снижение эффективности на 6,72% после УФ60 не следует напрямую пересчитывать в ожидаемые потери мощности уличного модуля. Более важным является то, как авторы используют различные методы характеризации для связи повреждения пассивации лицевой поверхности, окисления интерфейса и деградации металлических контактов.

Метод эксперимента

В исследовании использовались коммерческие TOPCon-элементы половинного размера размером 182 мм × 105 мм. Элементы были изготовлены из монокристаллического кремния n-типа, выращенного методом Чохральского, с удельным сопротивлением около 1,0 Ом·см и толщиной пластины примерно 130 мкм. Для сравнения УФ-стойкости лицевой и тыльной структур исследователи также подготовили симметричные образцы лицевой поверхности и симметричные образцы тыльной поверхности.

Лицевая структура состояла из SiNx/Al2O3. Тыльная структура состояла из SiOx/n+ poly-Si/Al2O3/SiNx. Основные толщины пленок, указанные в статье, приведены ниже.

Исследователи сравнивали время жизни неосновных носителей, подразумеваемое напряжение холостого хода и J0 до и после облучения для оценки стабильности пассивации. Времяпролетная вторичная ионная масс-спектрометрия (ToF-SIMS) использовалась для отслеживания глубинного распределения водорода и кислорода. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) с профилированием по глубине применялась для анализа химических состояний N 1s, O 1s, Al 2p и Si 2p. Затем измерения EQE, TLM и I-V связали изменения в тонких пленках с электрическими потерями на уровне элемента.

Сила этого экспериментального дизайна заключается в совместном использовании полных ячеек и симметричных структур. Полные ячейки показывают, как изменяются эффективность, Voc, Jsc, фактор заполнения и контактное сопротивление. Симметричные образцы передней и задней сторон уменьшают помехи от остальной структуры ячейки, что облегчает определение того, какая сторона пассивации более чувствительна к УФ-воздействию.

Рисунок 1: Схемы TOPCon ячейки, симметричной структуры передней поверхности и симметричной структуры задней поверхности. Симметричные образцы позволяют отдельно сравнить УФ-стойкость переднего стека SiNx/Al2O3 и заднего пассивирующего контакта на поли-Si.

Условия УФ-воздействия также необходимо рассматривать отдельно. В исследовании использовалась интенсивность ультрафиолета 300 Вт/м², температура 60°C, относительная влажность 30% и максимальная накопленная доза 60 кВт·ч/м². Спектр был сосредоточен в основном в диапазоне UVA с меньшей компонентой UVB. Это более концентрированное воздействие, чем обычное наружное облучение, и подходит для ускорения наблюдаемых химических изменений на передней поверхности в лабораторных условиях.

Рисунок 2: Ультрафиолетовый спектр, использованный в эксперименте. Спектр состоит в основном из UVA и содержит меньшую компоненту UVB, что позволяет наблюдать влияние фотонов с более высокой энергией на передние пассивирующие слои.

Результаты и обсуждение

Передняя структура явно более чувствительна к УФ, чем задняя

Рисунок 3 дает наиболее прямое сравнение двух структур. Симметричная задняя структура показала лишь незначительные изменения после UV60. Симметричная передняя структура продолжала деградировать с увеличением дозы УФ. Согласно статье, среднее время жизни передних образцов уменьшилось с 2895,6 мкс до 1552,8 мкс. Подразумеваемое напряжение холостого хода упало с 735,5 мВ до 715,2 мВ. Односторонняя J0 увеличилась до 18,4 фА/см², что примерно в три раза превышает исходное значение.

Эти результаты показывают, что основной проблемой при УФ60 была не нестабильность заднего TOPCon поли-Si пассивирующего контакта. Это было ухудшение качества пассивации в освещенной фронтальной структуре SiNx/Al2O3. Авторы связывают относительную стабильность тыльной стороны с поглощением УФ слоем поли-Si толщиной 120 нм. Это разумный механизм, основанный на структуре и ее оптических характеристиках поглощения, хотя он остается интерпретацией на уровне механизма.

Три параметра подтверждают один и тот же вывод с разных сторон. Более низкое время жизни и более низкое iVoc указывают на более сильную поверхностную рекомбинацию. Увеличение J0 дает более прямое доказательство увеличения тока рекомбинации. Авторы не полагались на один показатель. Время жизни, напряжение и ток рекомбинации — все показывают ухудшение фронтальной структуры, в то время как зеленые кривые, представляющие тыльную структуру, остаются в значительной степени стабильными.

Рисунок 3: Изменения времени жизни, подразумеваемого напряжения холостого хода и J0 для фронтальной и тыльной структур при УФ-облучении. Красные кривые фронтальной структуры показывают большее ухудшение, идентифицируя освещенный пассивирующий стек SiNx/Al2O3 как основное слабое место.

ToF-SIMS показывает перераспределение как водорода, так и кислорода

Профили глубины ToF-SIMS показывают, что деградация фронтальной поверхности вызвана не только одним элементом. На рисунке 4a концентрация водорода увеличивается после УФ60, особенно в слое SiNx. Авторы предполагают, что это может быть результатом не только часто обсуждаемого разрыва связей Si-H, но и разрыва связей N-H внутри SiNx.

Рисунок 4b показывает, что распределение кислорода также меняется. Концентрация кислорода в слое Al2O3 незначительно уменьшается, в то время как она увеличивается вблизи границ раздела SiNx/Al2O3 и Al2O3/Si. Авторы интерпретируют это как результат разрыва связей Al-O в Al2O3 с последующей диффузией высвободившегося кислорода к слою SiNx и поверхности кремния.

Ключевой момент не просто в том, что кислорода стало больше. Кислород покидает свою исходную решетку или связующую среду и изменяет химическое состояние границ раздела.

Расположение каждого изменения кривой имеет значение. Более сильный сигнал водорода в области SiNx показывает, что верхняя пассивирующая пленка непосредственно участвует в реакции. Изменения кислорода вблизи границ раздела указывают на химическую нестабильность между Al2O3 и соседними слоями. В совокупности эти результаты помогают объяснить, почему деградация фронтальной поверхности влияет как на качество пассивации, так и на конечный электрический выход.

Рисунок 4: Распределение водорода и кислорода по глубине методом ToF-SIMS до и после UV60. Водород увеличивается в пассивирующем стеке, а кислород перераспределяется вблизи границ раздела, что дает подсказки об изменениях химических связей, позже выявленных с помощью XPS.

XPS связывает разрыв N-H связей, кислородные вакансии и увеличение Al-OH

Подогнанные спектры XPS N 1s показывают, что доля N-H связей на границе SiNx/Al2O3 снизилась с 9,64% до 5,97%. Это подтверждает вывод авторов о том, что N-H связи также участвуют в выделении водорода. В то же время сигнал N-H увеличился вблизи поверхности SiNx, что позволяет предположить, что часть выделившегося водорода может мигрировать в область SiNx и образовывать там новые связи.

Изменения O 1s являются одной из наиболее характерных частей исследования. Авторы разделили сигнал O 1s на решеточный кислород, компоненты, связанные с кислородными вакансиями, и поверхностно-адсорбированный кислород. После UV60 доля пиков, связанных с кислородными вакансиями, увеличилась на обеих границах раздела SiNx/Al2O3 и Al2O3/Si. Это указывает на ухудшение качества пленки Al2O3.

Доказательства расширяют механизм деградации за пределы потери пассивации, вызванной водородом. Водородная и кислородная деградация, по-видимому, действуют совместно, увеличивая рекомбинацию на передней поверхности.

ToF-SIMS и XPS предоставляют разные типы информации. ToF-SIMS лучше подходит для отображения распределения элементов по глубине стека пленок. XPS помогает определить химическое состояние этих элементов. Подгонка N-Si и N-H в спектрах N 1s вместе с компонентами решеточного кислорода и кислородных вакансий в спектрах O 1s переводит анализ от локализации элементов к изменениям химических связей.

Авторы отмечают, что связи Al-O имеют относительно высокую энергию связи в идеальном кристаллическом Al2O3. Однако реальные пассивирующие пленки солнечных элементов обычно являются аморфными. Недостаточно координированные ионы алюминия и кислородные вакансии могут снижать локальный энергетический барьер для разрыва связей. По этой причине даже фотоны с самой длинной длиной волны в эксперименте 400 нм, что соответствует примерно 3,1 эВ, могут вызывать структурные изменения, связанные с Al-O, в среде, богатой дефектами. Эта интерпретация напрямую связывает дефекты тонких пленок с чувствительностью к УФ-излучению.

Рисунок 5: Подогнанные спектры XPS N 1s и O 1s. Изменения в N-H связях соответствуют выделению и миграции водорода. Увеличение компонента, связанного с кислородными вакансиями, в спектрах O 1s указывает на снижение качества пассивации Al2O3.

Al2O3 не является полностью стабильным наблюдателем

Рисунок 7 дополнительно отслеживает Al 2p и Si 2p на границе раздела Al2O3/Si. После UV60 доля, приписываемая компоненте Al2O3, уменьшилась с 69,99% до 60,36%, в то время как Al-OH увеличилась с 30,01% до 39,64%. Это указывает на четкое преобразование структур, связанных с Al-O, под воздействием ультрафиолетового излучения.

Результаты Si 2p показывают появление и увеличение Si2+ после UV60, в то время как компоненты, связанные с Si, Si3+ и Si4+, уменьшаются. На основе этих результатов авторы предполагают, что свободный кислород, диффундирующий к границе раздела Al2O3/Si, может окислять кремний, в то время как в слое Al2O3 образуются кислородные вакансии. Спектры XPS подтверждают эту интерпретацию, хотя для подтверждения точного пути реакции все еще потребуется прямая характеризация in-situ.

Этот вывод важен для надежности фронтальной поверхности TOPCon. Al2O3 предназначен для обеспечения полевой пассивации и стабильности границы раздела. Как только структуры, связанные с Al-O, начинают превращаться в Al-OH, сопровождаемые более высокой концентрацией кислородных вакансий, пленка перестает быть просто защитным слоем. Она может стать частью самой реакции деградации. Изменения в состояниях окисления кремния также указывают на то, что химия границы раздела изменилась.

Рисунок 6: Изменения в спектрах XPS Al 2p и Si 2p на границе раздела Al2O3/Si. Превращение структур, связанных с Al2O3, в Al-OH и изменения в состояниях окисления кремния показывают, что реакции, связанные с кислородом, участвуют в деградации фронтальной поверхности.

Электрические потери в конечном итоге проявляются в Voc и факторе заполнения

Как только химическое состояние пассивирующего стека изменяется, электрические эффекты на уровне ячейки становятся очевидными. На рисунке 8 EQE остается в значительной степени стабильным в средне- и длинноволновом диапазонах, но снижается ниже 500 нм. Отражательная способность остается почти неизменной. Это предполагает, что потеря отклика на коротких волнах вызвана в основном более сильной рекомбинацией на фронтальной поверхности, а не внезапным ухудшением текстурирования, антиотражающих свойств или оптического поглощения.

Рисунок 7: Кривые EQE и отражательной способности до и после UV60. Отражательная способность остается почти стабильной, в то время как коротковолновая EQE снижается, что указывает на то, что потеря токового отклика в основном связана с увеличением рекомбинации на фронтальной поверхности.

Снижение EQE в коротковолновой области согласуется с более ранним увеличением J0. Коротковолновый свет поглощается вблизи передней поверхности ячейки. Если пассивация передней поверхности повреждена, носители, генерируемые в этой области, с большей вероятностью рекомбинируют до сбора. Поэтому потеря проявляется сначала в коротковолновом диапазоне EQE. Средне- и длинноволновый свет проникает глубже в объем или к тыльной стороне, поэтому соответствующие изменения отклика меньше.

Измерения TLM показывают, что удельное контактное сопротивление переднего контакта увеличивалось почти линейно с дозой УФ-облучения. После УФ60 оно достигло 4,1 мОм·см², что примерно в 8,6 раза превышает исходное значение. Авторы предполагают, что свободный водород, свободный кислород и реактивные радикалы, образующиеся во время УФ-воздействия, могут участвовать в реакциях на границе раздела металлического электрода, увеличивая контактное сопротивление. Это объяснение согласуется с измерениями сопротивления, хотя точные продукты реакции на границе электрода все еще требуют более прямых химических доказательств.

Рисунок 8: Удельное контактное сопротивление переднего контакта увеличивается с дозой УФ-облучения. После УФ60 контактное сопротивление примерно в 8,6 раза превышает исходное значение, что является важным фактором потери фактора заполнения.

Конечное относительное ухудшение параметров ячейки было зафиксировано следующим образом.

Центральный электрический вывод ясен. При УФ60 основные потери TOPCon не связаны с уменьшением тока. Они связаны с потерей Voc из-за деградации пассивации передней поверхности и потерей фактора заполнения из-за увеличения контактного сопротивления переднего контакта.

Это также объясняет, почему оценка только Jsc может недооценивать риск УФ-деградации. Коротковолновый EQE изменяется, но общий Jsc уменьшается всего на 0,64%. Проблемы рекомбинации и контакта создают большую потерю эффективности. В высокоэффективных TOPCon-ячейках Voc и фактор заполнения очень чувствительны к качеству интерфейса, состоянию пассивации и характеристикам металлического контакта. Эти параметры могут выявить слабые места надежности раньше, чем Jsc.

Рисунок 9: Относительное ухудшение Voc, Jsc, фактора заполнения и эффективности при УФ60. Эффективность снижается на 6,72%, в основном за счет потерь Voc и фактора заполнения, в то время как изменение Jsc остается относительно небольшим.

Механизм и оценка применения

Предлагаемый механизм можно резюмировать следующим образом: УФ-облучение изменяет состояния связей в структуре переднего SiNx/Al2O3. Связи Si-H и N-H разрываются, высвобождая водород. Структуры, связанные с Al-O, трансформируются, образуются кислородные вакансии. Свободный кислород мигрирует к границам раздела, рекомбинация на передней поверхности увеличивается, а электрохимические реакции в области контакта могут увеличить сопротивление переднего контакта.

Результаты измерений времени жизни, iVoc, J0, EQE, TLM и I-V напрямую подтверждают электрическую деградацию. ToF-SIMS и XPS подтверждают миграцию водорода и кислорода, а также связанные изменения химических связей. Интерпретация границы раздела металлического электрода требует большей осторожности. Статья в основном выводит этот механизм из более высокого контактного сопротивления и результатов более ранних исследований. Для более надежного подтверждения потребовались бы измерения элементного распределения, химических состояний или поперечного сечения границы раздела электрода.

Для промышленного производства статья напоминает, что УФ-надежность TOPCon нельзя оценивать только по начальной эффективности ячейки. На долгосрочные энергетические характеристики могут влиять несколько факторов:

• Качество материала переднего пассивирующего стека SiNx/Al2O3

• Концентрация водорода и стабильность связей Si-H и N-H

• Концентрация кислородных вакансий в слое Al2O3

• Стабильность границы раздела металлического контакта

• Фильтрация UVA и UVB стеклом модуля и инкапсулянтами

• Взаимодействия между ультрафиолетовым облучением, влагой, теплом, механическим напряжением и электрическими полями

При рассмотрении этого исследования на уровне модуля реальный спектр, достигающий ячейки, будет дополнительно отфильтрован стеклом и инкапсулирующей пленкой. Влага, тепловое напряжение и электрические поля также будут участвовать в старении. Поэтому механизмы, описанные в статье, более полезны как направления для оптимизации материалов и процессов, чем как замена испытаниям по стандарту IEC или долгосрочным полевым данным.

Ценным следующим шагом была бы оценка неинкапсулированных ячеек, инкапсулированных мини-модулей и модулей, экспонированных на открытом воздухе, в рамках одной и той же системы валидации. Это позволило бы легче определить, какие химические изменения остаются важными после реалистичной спектральной фильтрации и воздействия окружающей среды.

Возможные направления оптимизации процесса включают:

• Уменьшение нестабильных источников водорода в переднем стеке SiNx/Al2O3

• Улучшение аморфной сети Al2O3 и контроль кислородных вакансий

• Оптимизация условий вжигания и металлизации для лучшей стабильности контактного интерфейса

• Повышение устойчивости к реакциям, связанным с окислением вокруг переднего металлического контакта

• Выбор инкапсулирующих материалов, снижающих прямое воздействие высокоэнергетического УФ-излучения на поверхность ячейки

Статья не предлагает полного решения. Она более четко определяет границы проблемы и показывает, что пассивация передней поверхности и контактная инженерия должны рассматриваться вместе.

Выводы исследования: что необходимо решить в дальнейшем

С помощью тестов на воздействие УФ60 авторы показывают, что передняя структура SiNx/Al2O3 TOPCon-ячеек более уязвима к ультрафиолетовой деградации, чем задний пассивирующий контакт на основе поли-Si. Деградация не вызвана одним изолированным фактором. Водородные процессы, кислородные процессы и увеличение сопротивления переднего контакта вносят свой вклад.

Важность этой работы заключается в расширении объяснения УФ-деградации TOPCon за пределы разрыва связей Si-H. Она представляет более широкую концепцию химической эволюции передней поверхности. Снижение риска UVID, вероятно, потребует скоординированной оптимизации стека передней пассивации, кислородных вакансий на интерфейсе, управления водородом, металлизации контактов и УФ-фильтрации модульной инкапсуляцией. Настройка только одного параметра пленки может быть недостаточной.

Ограничения должны оставаться ясными. Образцы были неинкапсулированными при указанных УФ-условиях, и часть предложенного механизма деградации металлического контакта все еще является умозрительной. Наиболее осторожная интерпретация заключается в том, что статья демонстрирует четкую связь между эволюцией химического состава и электрической деградацией на передней поверхности TOPCon под воздействием УФ-излучения. Она также предоставляет конкретные цели для будущих исследований долгосрочной надежности после инкапсуляции.

Ссылка

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.

Мнение Ooitech

Практический вывод прост: пассивация передней стороны и металлизация должны рассматриваться как одна система надежности, а не как отдельные технологические этапы. Стабильного начального Voc недостаточно, если УФ-излучение может изменить химию Al2O3 и неуклонно повышать сопротивление переднего контакта. Будущая валидация должна связывать тестирование ячеек на уровне УФ с тестированием инкапсулированных мини-модулей в реалистичных спектрах стекла и инкапсулянта.