Последние исследования PIP: химическая эволюция

Краткий ответ: Исследование потенциально-индуцированной деградации под воздействием света и тепла — PIP — отслеживает, как химия стека TOPCon-элемента эволюционирует в условиях ускоренного стресса, а не только то, сколько мощности он теряет. PIP отличается от классического PID тем, что деградация вызвана сочетанием освещения, температуры и напряжения, что более точно воспроизводит полевые условия, чем тёмный тест на влажное тепло. В работе используются пластины форматов 182 мм и 105 мм и образцы модульного уровня около 300 Вт, с условиями стресса около 60 °C и заявленными потерями около 11% в затронутых случаях. Для производства важно то, что деградация частично обратима, а частично нет, поэтому тест, который фиксирует только конечную мощность, упускает механизм. Отслеживание химической эволюции позволяет определить, какое изменение стека могло бы это исправить.

Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech

Актуальность исследования

TOPCon солнечных элементов при воздействии УФ-излучения" title="Последние исследования PIP: химическая эволюция и электрическая деградация солнечных элементов TOPCon при воздействии УФ-излучения"/>

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

В прошлых обсуждениях УФ-деградации часто акцентировалось внимание на разрыве связей Si-H высокоэнергетическими фотонами, с последующим выделением водорода и изменениями в пассивации интерфейса. Ультрафиолетовый спектр в реальной среде PV-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 важны.

Одна деталь легко упускается из виду. Стекло модуля обычно отфильтровывает большую часть УФ-В излучения, но оно 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 незакапсулированные образцы. Поэтому эксперимент не эквивалентен наружному старению полного модуля, но он помогает усилить и разделить УФ-чувствительные области на фронтальной поверхности элемента.

Эту статью лучше рассматривать как исследование механизмов деградации, а не как исследование сертификации срока службы модуля. Относительная потеря эффективности на 6,72% после UV60 не должна напрямую переводиться в ожидаемую потерю мощности наружного модуля. Более важным является то, как авторы используют различные методы характеризации для связи повреждения фронтальной пассивации, окисления интерфейса и деградации металлических контактов.

Методика эксперимента

В исследовании использовались коммерческие TOPCon-элементы с половинным разрезом 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 устойчивости к УФ-излучению лицевой и тыльной структур исследователи также подготовили симметричные образцы с лицевой поверхностью и симметричные образцы с тыльной поверхностью.

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 воздействия для оценки стабильности пассивации. Для отслеживания распределения водорода и кислорода по глубине использовалась масс-спектрометрия вторичных ионов с времяпролетным анализом (ToF-SIMS). 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 тонких пленок с электрическими потерями на уровне элементов.

Сила этой экспериментальной схемы заключается в совместном использовании полных элементов и симметричных структур. Полные элементы показывают, как изменяются эффективность, Voc, Jsc, фактор заполнения и контактное сопротивление. Симметричные образцы с лицевой и тыльной поверхностью уменьшают влияние остальной части структуры элемента, что облегчает определение того, какая сторона пассивации более чувствительна к УФ-воздействию.

Рисунок 1: Схемы TOPCon-элемента, симметричной структуры с лицевой поверхностью и симметричной структуры с тыльной поверхностью. Симметричные образцы позволяют раздельно сравнить устойчивость к УФ-излучению лицевого стека SiNx/Al2O3 и тыльного пассивирующего контакта poly-Si.

Условия УФ-облучения 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 концентрированно, чем обычное наружное облучение, и подходит для ускорения наблюдаемых химических изменений на лицевой поверхности в лабораторных условиях.

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

Результаты и обсуждение

Лицевая структура明显 более чувствительна к УФ, чем тыльная структура

Рисунок 3 дает наиболее прямое сравнение двух структур. Симметричная тыльная структура показала лишь незначительные изменения после UV60. Симметричная лицевая структура продолжала деградировать с увеличением дозы УФ. Согласно статье, среднее время жизни лицевых образцов снизилось с 2895,6 мкс до 1552,8 мкс. Подразумеваемое напряжение холостого хода упало с 735,5 мВ до 715,2 мВ. Односторонний J0 увеличился до 18,4 фА/см², что примерно в три раза превышает его начальное значение.

Эти результаты указывают на то, что основной проблемой при UV60 была не нестабильность тыльного TOPCon пассивирующего контакта на поликремнии. Это было ухудшение качества пассивации в освещенной лицевой структуре SiNx/Al2O3. Авторы объясняют относительную стабильность тыльной стороны поглощением УФ слоем поликремния толщиной 120 нм. Это разумный механизм, основанный на структуре и ее оптических характеристиках поглощения, хотя это 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 возросшего тока рекомбинации. Авторы не полагались на единственный 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 воздействии УФ-излучения. Красные кривые фронтальной структуры показывают большее ухудшение, что указывает на освещаемый пассивирующий стек SiNx/Al2O3 как на 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 немного 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 заключается не просто в том, что кислорода стало больше. Кислород покидает свою исходную кристаллическую решетку или связь 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 конечные электрические характеристики.

Рисунок 4: Распределение водорода и кислорода по глубине ToF-SIMS до и после УФ60. Водород увеличивается в пассивирующем стеке, в то время как кислород перераспределяется вблизи границ раздела, что дает ключ к разгадке изменений химических связей, позже идентифицированных с помощью XPS.

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

Подогнанные спектры XPS N 1s показывают, что доля связей N-H на границе раздела SiNx/Al2O3 снизилась с 9,64% до 5,97%. Это подтверждает вывод авторов о том, что связи N-H 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 как на границе раздела SiNx/Al2O3, так и на границе Al2O3/Si. Это указывает на ухудшение качества пленки Al2O3.

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

ToF-SIMS и XPS предоставляют различные типы информации. ToF-SIMS лучше подходит для демонстрации распределения элементов по глубине стека пленок. XPS помогает определить химическое состояние этих элементов. Подгонка N-Si и N-H в спектрах N 1s, а также компоненты решеточного кислорода и кислородных вакансий в спектрах O 1s переводят анализ от локализации элементов к изменениям в химических связях.

Авторы отмечают, что связи Al-O обладают относительно высокой энергией 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 эксперимента 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 связях N-H 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, отнесенная к компоненту Al2O3, снизилась с 69,99% до 60,36%, в то время как Al-OH увеличилась с 30,01% до 39,64%. Это указывает на явную конверсию 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.

Это открытие важно 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, сопровождаясь 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 была изменена.

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 кислородные реакции 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 в коротковолновом диапазоне 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 повышенной рекомбинацией на фронтальной поверхности.

Снижение коротковолновой EQE согласуется с ранее отмеченным увеличением J0. Коротковолновый свет поглощается близко к фронтальной поверхности ячейки. Если пассивация фронтальной поверхности повреждена, носители, генерируемые в этой области, с большей вероятностью рекомбинируют до сбора. Поэтому потеря сначала проявляется 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 фронтальной стороны увеличивалось почти линейно с дозой УФ-облучения. После UV60 оно достигло 4,1 мОм·см², что примерно в 8,6 раза превышает исходное значение. Авторы предполагают, что свободный водород, свободный кислород и активные радикалы, образующиеся при УФ-облучении, могут участвовать в реакциях на границе раздела с металлическим электродом, увеличивая контактное сопротивление. Это объяснение согласуется с измерениями сопротивления, хотя точные продукты реакций на границе электрода все еще требуют более прямых химических доказательств.

Рисунок 8: Удельное контактное сопротивление фронтальной стороны увеличивается с дозой УФ-облучения. После UV60 удельное контактное сопротивление составляет примерно 8,6 от исходного значения, что является важным фактором потери фактора заполнения.

Итоговое относительное ухудшение параметров ячейки было представлено следующим образом.

Центральный электрический вывод ясен. При UV60 основные потери TOPCon не связаны с уменьшением тока. Они связаны с потерей Voc из-за деградации пассивации фронтальной поверхности и потерей фактора заполнения, связанной с увеличением контактного сопротивления фронтальной стороны.

Это также объясняет, почему рассмотрение только Jsc может недооценивать риск деградации под воздействием УФ. Изменения EQE в коротковолновой области происходят, но общий Jsc уменьшается всего на 0,64%. Рекомбинация и контактные проблемы создают большую потерю эффективности. В высокоэффективных TOPCon-ячейках Voc и фактор заполнения очень чувствительны к качеству границ раздела, состоянию пассивации и характеристикам металлических контактов. Эти параметры могут выявлять слабые места надежности раньше, чем Jsc.

Рисунок 9: Относительное ухудшение Voc, Jsc, фактора заполнения и эффективности при UV60. Эффективность снижается на 6,72%, в основном за счет потерь Voc и фактора заполнения, в то время как изменение Jsc остается относительно небольшим.

Оценка механизма и применения

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

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 с этим изменения химических связей. Интерпретация интерфейса металлического электрода требует большей осторожности. Статья в основном делает вывод об этом механизме на основе повышенного контактного сопротивления и результатов более ранних исследований. Для более убедительного подтверждения потребовались бы данные о распределении элементов, измерения химического состояния или анализ поперечного сечения интерфейса электрода.

Для промышленного производства данная статья напоминает о том, что надежность TOPCon при УФ-излучении нельзя оценивать только по начальному КПД ячейки. На долгосрочные энергетические характеристики могут влиять несколько факторов:

• Качество материала фронтального стека пассивации SiNx/Al2O3

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

• Концентрация кислородных вакансий в слое Al2O3

• Стабильность интерфейса металлического контакта

• Фильтрация UVA и UVB стеклом модуля и инкапсулянтs

• Взаимодействие между ультрафиолетовым излучением, влагой, теплом, механическим напряжением и электрическими полями

При рассмотрении данного исследования на уровне модуля реальный спектр, достигающий ячейки, будет дополнительно отфильтрован стеклом и инкапсулирующей пленкой. Влага, термическое 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 стандартам IEC или долгосрочным данным натурных испытаний на открытом воздухе.

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:

• Снижение содержания нестабильных источников водорода во фронтальном стеке SiNx/Al2O3

• Улучшение аморфной сетки Al2O3 и контроль кислородных вакансий

• Оптимизация условий обжига и металлизации для лучшей стабильности контактного интерфейса

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

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

Статья не дает полного решения. Она более четко определяет границы проблемы и показывает, что пассивация фронтальной поверхности и инженерия контактов должны рассматриваться совместно.

Вывод исследования: что необходимо решить дальше

С помощью испытаний на экспозицию UV60 авторы показывают, что фронтальная структура SiNx/Al2O3 TOPCon-элементов более уязвима к ультрафиолетовой деградации, чем тыловой пассивирующий контакт poly-Si. Деградация не вызвана одним изолированным фактором. Водородные процессы, кислородные процессы и повышенное сопротивление фронтального контакта вносят свой вклад.

Важность этой работы заключается в расширении объяснения UV-деградации TOPCon за пределы разрыва связей Si-H. В ней представлена более широкая концепция химической эволюции фронтальной поверхности. Снижение риска UVID, вероятно, потребует скоординированной оптимизации фронтального пассивирующего стека, кислородных вакансий на границе раздела, управления водородом, металлизационных контактов и УФ-фильтрации модульной упаковкой. Настройки только одного параметра пленки может быть недостаточно.

Ограничения должны оставаться очевидными. Образцы не были инкапсулированы в указанных условиях УФ-облучения, и часть предложенного механизма деградации металлического контакта все еще является умозрительной. Наиболее осторожная интерпретация заключается в том, что статья демонстрирует четкую взаимосвязь между эволюцией химического состава и электрической деградацией на фронтальной 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 фронтальной стороны и металлизация должны рассматриваться как единая система надежности, а не как отдельные технологические этапы. Стабильного начального Voc недостаточно, если УФ-облучение может изменить химию Al2O3 и неуклонно повышать сопротивление фронтального контакта. Будущая валидация должна связывать испытания элементов на уровне ячеек с испытаниями инкапсулированных мини-модулей при реалистичных спектрах стекла и инкапсулянта.

Дополнительные материалы и справочные данные

Публичные справочные материалы по этой теме, опубликованные организациями, которые поддерживают технологическую дорожную карту и рыночные данные отрасли:

• Fraunhofer ISE — Отчёт по фотовольтаике
• Министерство энергетики США — Фотовольтаика
• VDMA — Международная технологическая дорожная карта по фотовольтаике (ITRPV)