Forskningsbakgrund

TOPCon har blivit en av huvudteknologierna inom den kristallina kiselfotovoltaikindustrin. Hög verkningsgrad innebär dock inte automatiskt långsiktig stabilitet. Skillnader i ultraviolett-inducerad nedbrytning, eller UVID, har rapporterats för flera solcellsstrukturer. TOPCon-, PERC- och HJT-celler kan alla påverkas, men nedbrytningsplatserna och dominerande mekanismer är inte exakt desamma.

Tidigare diskussioner om UV-nedbrytning har ofta fokuserat på högenergifotoner som bryter Si-H-bindningar, följt av vätefrigörelse och förändringar i gränsytspassivering. Det ultravioletta spektrumet som finns i en verklig PV-modulmiljö är inte begränsat till en våglängd. Den belysta frontytan innehåller också flera kopplade regioner, inklusive SiNx, Al2O3, boremittrar och metallkontakter. Författarna argumenterar därför att UV-nedbrytning i TOPCon-celler inte bör studeras endast genom vätebeteende. Syremigration och kontaktytor spelar också roll.

En detalj är lätt att förbise. Modulglas filtrerar vanligtvis bort det mesta av UVB-strålningen, men det skyddar inte helt den belysta cellytan från ultraviolett exponering. Spektrumet som diskuteras i artikeln domineras av UVA men innehåller fortfarande cirka 11% UVB. Författarna använde oinkapslade prover. Experimentet är därför inte ekvivalent med utomhusåldring av en komplett modul, men det hjälper till att förstärka och separera de UV-känsliga regionerna på cellens frontyta.

Denna artikel läses bättre som en undersökning av felfunktion snarare än en certifieringsstudie av modullivslängd. Den relativa effektförlusten på 6,72 % efter UV60 bör inte direkt omvandlas till en förväntad effektförlust för utomhusmoduler. Den viktigare punkten är hur författarna använder olika karakteriseringsmetoder för att koppla skador på frontytans passivering, gränsytans oxidation och nedbrytning av metallkontakter.

Experimentell metod

Studien använde kommersiella halvceller av TOPCon med måtten 182 mm × 105 mm. Cellerna var tillverkade av n-typ Czochralski-monokristallint kisel med en resistivitet på cirka 1,0 Ω·cm och en skivtjocklek på cirka 130 μm. För att jämföra UV-beständigheten hos front- och bakstrukturerna förberedde forskarna även symmetriska frontytprover och symmetriska bakytprover.

Frontstrukturen bestod av SiNx/Al2O3. Bakstrukturen bestod av SiOx/n+ poly-Si/Al2O3/SiNx. De huvudsakliga filmtjocklekar som rapporteras i artikeln listas nedan.

Forskarna jämförde minoritetsbärarlivslängd, implicit öppen kretsspänning och J0 före och efter exponering för att utvärdera passiveringsstabilitet. Time-of-flight sekundärjonmasspektrometri, eller ToF-SIMS, användes för att spåra djupfördelningen av väte och syre. Röntgenfotoelektronspektroskopi, eller XPS, djupprofilering tillämpades för att analysera kemiska tillstånd för N 1s, O 1s, Al 2p och Si 2p. EQE, TLM och I-V-mätningar kopplade sedan tunnfilmsförändringarna med elektriska förluster på cellnivå.

Styrkan i denna experimentella design ligger i den kombinerade användningen av kompletta celler och symmetriska strukturer. Kompletta celler visar hur effektivitet, Voc, Jsc, fyllnadsfaktor och kontaktresistans förändras. De symmetriska front- och bakproverna minskar störningar från resten av cellstrukturen, vilket gör det lättare att identifiera vilken passiveringssida som är mer känslig för UV-exponering.

Figur 1: Schematisk bild av TOPCon-cellen, symmetrisk frontytstruktur och symmetrisk bakytstruktur. De symmetriska proverna gör det möjligt att separat jämföra UV-resistensen hos frontens SiNx/Al2O3-stack och bakre poly-Si-passiveringskontakten.

UV-exponeringsförhållandena måste också beaktas för sig. Studien använde en ultraviolett intensitet på 300 W/m², en temperatur på 60°C, relativ luftfuktighet på 30% och en maximal ackumulerad dos på 60 kWh/m². Spektrumet var koncentrerat huvudsakligen i UVA-området, med en mindre UVB-komponent. Detta är mer koncentrerat än vanlig utomhusexponering och är lämpligt för att accelerera observerbara kemiska förändringar på frontytan i en laboratoriemiljö.

Figur 2: Ultraviolett spektrum som användes i experimentet. Spektrumet domineras av UVA och innehåller en mindre UVB-komponent, vilket gör att effekten av högenergifotoner på frontens passiveringsskikt kan observeras.

Resultat och diskussion

Frontstrukturen är tydligt mer känslig för UV än bakstrukturen

Figur 3 ger den mest direkta jämförelsen mellan de två strukturerna. Den symmetriska bakstrukturen visade endast mindre förändringar efter UV60. Den symmetriska frontstrukturen fortsatte att försämras när UV-dosen ökade. Enligt artikeln minskade den genomsnittliga livslängden för frontproverna från 2895,6 μs till 1552,8 μs. Den implicerade öppenkretsspänningen sjönk från 735,5 mV till 715,2 mV. Enkelsidans J0 ökade till 18,4 fA/cm², ungefär tre gånger dess initiala värde.

Dessa resultat indikerar att huvudproblemet under UV60 inte var instabilitet hos den bakre TOPCon poly-Si passiverande kontakten. Det var försämringen av passiveringskvaliteten i den belysta front-SiNx/Al2O3-strukturen. Författarna tillskriver den relativa stabiliteten på baksidan till UV-absorption av det 120 nm tjocka poly-Si-skiktet. Detta är en rimlig mekanism baserad på strukturen och dess optiska absorptionsegenskaper, även om det fortfarande är en tolkning på mekanismnivå.

De tre parametrarna stöder samma slutsats från olika håll. Lägre livslängd och lägre iVoc pekar på starkare ytrekombination. Ökningen av J0 ger mer direkt bevis på ökad rekombinationsström. Författarna förlitade sig inte på en enda indikator. Livslängd, spänning och rekombinationsström visar alla försämring av frontstrukturen, medan de gröna kurvorna som representerar bakstrukturen förblir i stort sett stabila.

Figur 3: Förändringar i livslängd, implicit öppen kretsspänning och J0 för front- och bakstrukturerna under UV-exponering. De röda frontstrukturkurvorna visar större degradering, vilket identifierar den belysta SiNx/Al2O3-passiveringsstacken som den huvudsakliga svaga punkten.

ToF-SIMS visar omfördelning av både väte och syre

ToF-SIMS-djupprofilerna visar att frontytans degradering inte orsakas av endast ett grundämne. I figur 4a ökar vätekoncentrationen efter UV60, särskilt i SiNx-skiktet. Författarna föreslår att detta kan bero inte bara på den vanligtvis diskuterade brytningen av Si-H-bindningar utan även på brytningen av N-H-bindningar inuti SiNx.

Figur 4b visar att syrefördelningen också förändras. Syrekoncentrationen i Al2O3-skiktet minskar något, medan den ökar nära SiNx/Al2O3- och Al2O3/Si-gränssnitten. Författarna tolkar detta som ett resultat av Al-O-bindningsbrott i Al2O3, följt av diffusion av frigjort syre mot SiNx-skiktet och kiselns yta.

Huvudpoängen är inte bara att det finns mer syre. Syre lämnar sin ursprungliga gitter- eller bindningsmiljö och ändrar gränssnittens kemiska tillstånd.

Placeringen av varje kurvförändring är viktig. Den starkare vätessignalen i SiNx-regionen visar att den övre passiveringsfilmen är direkt involverad i reaktionen. Syreförändringarna nära gränssnitten pekar på kemisk instabilitet mellan Al2O3 och de angränsande skikten. Sammantagna hjälper dessa resultat att förklara varför frontytans degradering påverkar både passiveringskvaliteten och den slutliga elektriska effekten.

Figur 4: ToF-SIMS-djupfördelningar av väte och syre före och efter UV60. Väte ökar i passiveringsstacken, medan syre omfördelas nära gränsytorna, vilket ger ledtrådar till de kemiska bindningsförändringar som senare identifierades med XPS.

XPS kopplar N-H-bindningsbrott, syrevakanser och ökat Al-OH

De anpassade N 1s XPS-spektra visar att andelen N-H-bindningar vid SiNx/Al2O3-gränsytan minskade från 9,64% till 5,97%. Detta stöder författarnas slutsats att N-H-bindningar också deltar i vätefrigörelsen. Samtidigt ökade N-H-signalen nära SiNx-ytan, vilket tyder på att en del av det frigjorda vätet kan migrera mot SiNx-området och bilda nya bindningar där.

O 1s-förändringarna är en av de mer utmärkande delarna av studien. Författarna separerade O 1s-signalen i gittersyre, syrevakansrelaterade komponenter och ytadsorberat syre. Efter UV60 ökade andelen syrevakansrelaterade toppar vid både SiNx/Al2O3- och Al2O3/Si-gränsytorna. Detta indikerar skada på Al2O3-filmens kvalitet.

Bevisen utvidgar nedbrytningsmekanismen bortom väteinducerad passiveringsförlust. Väte- och syrerelaterad nedbrytning verkar samverka och öka frontytans rekombination.

ToF-SIMS och XPS ger olika typer av information. ToF-SIMS är bättre lämpat för att visa var grundämnen är fördelade genom djupet av filmstacken. XPS hjälper till att bestämma den kemiska tillståndet för dessa grundämnen. N-Si- och N-H-anpassningen i N 1s-spektra, tillsammans med gittersyre- och syrevakansrelaterade komponenter i O 1s-spektra, tar analysen från grundämneslokalisering till förändringar i kemisk bindning.

Författarna påpekar att Al-O-bindningar har relativt hög bindningsenergi i idealisk kristallin Al2O3. Verkliga solcellspassiveringsfilmer är dock vanligtvis amorfa. Underkoordinerade aluminiumjoner och syrevakanser kan sänka den lokala energi-barriären för bindningsbrott. Av denna anledning kan även fotoner vid experimentets längsta våglängd på 400 nm, motsvarande cirka 3,1 eV, utlösa Al-O-relaterade strukturella förändringar i en defektrik miljö. Denna tolkning kopplar tunnfilmsdefekter direkt med UV-känslighet.

Figur 5: Anpassade N 1s- och O 1s XPS-spektra. Förändringar i N-H-bindning motsvarar vätefrigörelse och migration. Den ökade syrevakansrelaterade komponenten i O 1s-spektra indikerar försämrad Al2O3-passiveringskvalitet.

Al2O3 är inte en helt stabil åskådare

Figur 7 spårar vidare Al 2p och Si 2p vid Al2O3/Si-gränssnittet. Efter UV60 minskade andelen som tillskrivs Al2O3-komponenten från 69,99% till 60,36%, medan Al-OH ökade från 30,01% till 39,64%. Detta indikerar en tydlig omvandling av Al-O-relaterade strukturer under ultraviolett exponering.

Si 2p-resultaten visar uppkomsten och ökningen av Si2+ efter UV60, medan komponenterna associerade med Si, Si3+ och Si4+ minskar. Baserat på dessa resultat föreslår författarna att fritt syre som diffunderar mot Al2O3/Si-gränssnittet kan oxidera kisel medan syrevakanser bildas i Al2O3-skiktet. XPS-spektra stöder denna tolkning, även om direkt in-situ-karaktärisering fortfarande skulle behövas för att bekräfta den exakta reaktionsvägen.

Detta fynd är viktigt för TOPCon-frontytans tillförlitlighet. Al2O3 är avsett att ge fälteffektpassivering och gränssnittsstabilitet. När Al-O-relaterade strukturer börjar omvandlas till Al-OH, åtföljt av en högre syrevakanskoncentration, är filmen inte längre bara ett skyddande skikt. Den kan bli en del av nedbrytningsreaktionen själv. Förändringar i kiseloxidationstillstånden indikerar också att gränssnittskemin har förändrats.

Figur 6: Förändringar i Al 2p- och Si 2p XPS-spektra vid Al2O3/Si-gränssnittet. Omvandlingen av Al2O3-relaterade strukturer till Al-OH och förändringarna i kiseloxidationstillstånd visar att syrerelaterade reaktioner deltar i frontytans nedbrytning.

Elektriska förluster uppträder slutligen i Voc och fyllnadsfaktor

När passiveringsstackens kemiska tillstånd förändras blir de elektriska effekterna på cellnivå tydliga. I figur 8 förblir EQE i stort sett stabil i medel- och långvågsområdena men minskar under 500 nm. Reflektansen förblir nästan oförändrad. Detta tyder på att förlusten av kortvågssvar orsakas främst av starkare frontytrekombination snarare än en plötslig försämring av texturering, antireflexprestanda eller optisk absorption.

Figur 7: EQE- och reflektanskurvor före och efter UV60. Reflektansen förblir nästan stabil medan kortvågs-EQE minskar, vilket indikerar att strömsvarsförlusten främst är associerad med ökad frontytrekombination.

Minskningen av EQE vid kort våglängd överensstämmer med den tidigare ökningen av J0. Ljus med kort våglängd absorberas nära cellens framsida. Om frontytans passivering skadas, är sannolikheten större att laddningsbärare som genereras i detta område rekombinerar innan de samlas upp. Förlusten syns därför först i EQE-området för kort våglängd. Ljus med medel- och lång våglängd tränger djupare in i bulkmaterialet eller mot baksidan, så motsvarande förändringar i respons är mindre.

TLM-mätningar visar att frontkontaktens resistivitet ökade nästan linjärt med UV-dosen. Efter UV60 nådde den 4,1 mΩ·cm², ungefär 8,6 gånger sitt ursprungliga värde. Författarna föreslår att fritt väte, fritt syre och reaktiva radikaler som produceras under UV-exponering kan delta i reaktioner vid metallelektrodgränsytan, vilket ökar kontaktresistansen. Denna förklaring är förenlig med resistansmätningarna, även om de exakta reaktionsprodukterna vid elektrodgränsytan fortfarande kräver mer direkt kemisk bevisning.

Figur 8: Frontkontaktens resistivitet ökar med UV-exponeringsdosen. Efter UV60 är kontaktresistiviteten ungefär 8,6 gånger sitt ursprungliga värde, vilket gör den till en viktig bidragande faktor till fyllnadsfaktorförlusten.

Den slutliga relativa degraderingen av cellparametrarna rapporterades enligt följande.

Den centrala elektriska slutsatsen är tydlig. Under UV60 kommer de huvudsakliga TOPCon-förlusterna inte från strömminskning. De kommer från Voc-förlust orsakad av försämrad frontytspassivering och fyllnadsfaktorförlust kopplad till ökad frontkontaktresistans.

Detta förklarar också varför enbart titt på Jsc kan underskatta UV-degraderingsrisken. EQE vid kort våglängd förändras, men den totala Jsc minskar med endast 0,64 %. Rekombination och kontaktproblem skapar den större verkningsgradsförlusten. I högverkningsgradiga TOPCon-celler är Voc och fyllnadsfaktor mycket känsliga för gränsytans kvalitet, passiveringstillstånd och metallkontaktprestanda. Dessa parametrar kan avslöja tillförlitlighetssvagheter tidigare än Jsc.

Figur 9: Relativ degradering av Voc, Jsc, fyllnadsfaktor och verkningsgrad under UV60. Verkningsgraden minskar med 6,72 %, främst driven av Voc- och fyllnadsfaktorförluster, medan Jsc-förändringen förblir relativt liten.

Mekanism och tillämpningsbedömning

Den föreslagna mekanismen kan sammanfattas enligt följande: UV-exponering förändrar bindningstillstånden i den främre SiNx/Al2O3-strukturen. Si-H- och N-H-bindningar bryts och frigör väte. Al-O-relaterade strukturer omvandlas och syrevakanser bildas. Fritt syre migrerar mot gränsytorna, frontytans rekombination ökar och elektrokemiska reaktioner runt kontaktområdet kan öka frontkontaktresistansen.

Livslängden, iVoc, J0, EQE, TLM och I-V-resultaten ger direkt stöd för den elektriska nedbrytningen. ToF-SIMS och XPS stöder migrationen av väte och syre samt de relaterade förändringarna i kemisk bindning. Tolkningen av metallelektrodgränsytan kräver mer försiktighet. Artikeln härleder främst denna mekanism från högre kontaktresistans och resultat från tidigare studier. Elementfördelning, kemiska tillståndsmätningar eller tvärsnittsanalys av elektrodgränsytan skulle behövas för starkare bekräftelse.

För industriell produktion är artikeln en påminnelse om att TOPCon UV-tillförlitlighet inte kan utvärderas endast genom initial celleffektivitet. Flera faktorer kan påverka långsiktig energiprestanda:

• Materialkvaliteten hos den främre SiNx/Al2O3-passiveringsstacken

• Vätekoncentration och stabiliteten hos Si-H- och N-H-bindningar

• Syrevakanskoncentration i Al2O3-skiktet

• Stabilitet hos metallkontaktgränsytan

• UVA- och UVB-filtrering av modulglas och inkapslingsmaterial

• Interaktioner mellan ultraviolett exponering, fukt, värme, mekanisk stress och elektriska fält

När denna forskning betraktas på modulnivå kommer det verkliga spektrumet som når cellen att filtreras igen av glaset och inkapslingsfilmen. Fukt, termisk stress och elektriska fält kommer också att delta i åldrandet. De mekanismer som rapporteras i artikeln är därför mer användbara som riktlinjer för material- och processoptimering än som ersättning för IEC-testning eller långsiktiga utomhusfältdata.

Ett värdefullt nästa steg skulle vara att utvärdera oinkapslade celler, inkapslade minimoduler och utomhusexponerade moduler inom samma valideringsramverk. Det skulle göra det lättare att avgöra vilka kemiska förändringar som fortfarande är viktiga efter realistisk spektral filtrering och miljökoppling.

Möjliga processoptimeringsriktningar inkluderar:

• Minska instabila vätekällor i den främre SiNx/Al2O3-stacken

• Förbättra det amorfa Al2O3-nätverket och kontrollera syrevakanser

• Optimera brännings- och metalliseringsförhållanden för bättre kontaktgränssnittsstabilitet

• Förbättra motståndskraften mot oxidationsrelaterade reaktioner runt den främre metallkontakten

• Välja inkapslingsmaterial som minskar den direkta påverkan av hög-energi UV på cellytan

Artikeln ger ingen fullständig lösning. Den definierar problemets gränser tydligare och visar att frontytans passivering och kontaktteknik måste betraktas tillsammans.

Forskningsslutsats: Vad som behöver lösas härnäst

Genom UV60-exponeringstester visar författarna att den främre SiNx/Al2O3-strukturen hos TOPCon-celler är mer sårbar för ultraviolett-inducerad nedbrytning än den bakre poly-Si-passiverande kontakten. Nedbrytningen orsakas inte av en enskild faktor. Väte-relaterade processer, syre-relaterade processer och ökad frontkontaktresistans bidrar alla.

Vikten av detta arbete ligger i att utvidga förklaringen av TOPCon UV-nedbrytning bortom enbart Si-H-bindningsbrott. Det presenterar ett bredare ramverk för kemisk utveckling på frontytan. För att minska UVID-risken krävs sannolikt en samordnad optimering av frontpassiveringsstacken, gränssnittets syrevakanser, vätehantering, metalliseringskontakter och UV-filtrering genom modulpaketering. Att justera endast en filmparameter kanske inte räcker.

Begränsningarna bör vara tydliga. Proverna var oinkapslade under de rapporterade UV-förhållandena, och en del av den föreslagna mekanismen för metallkontaktnedbrytning är fortfarande inferentiell. Den mest noggranna tolkningen är att artikeln visar ett tydligt samband mellan kemisk sammansättningsutveckling och elektrisk nedbrytning på TOPCon-frontytan under UV-exponering. Den ger också specifika mål för framtida studier av långsiktig tillförlitlighet efter inkapsling.

Referens

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.

Ooitechs syn

Det praktiska budskapet är enkelt: frontytans passivering och metallisering bör behandlas som ett tillförlitlighetssystem, inte som separata processteg. En stabil initial Voc räcker inte om UV-exponering kan förändra Al2O3-kemin och stadigt öka frontkontaktresistansen. Framtida validering bör koppla cellnivåns UV-testning med inkapslad minimodultestning under realistiska glas- och inkapslingsspektra.