Ultima ricerca PIP: evoluzione chimica e degradazione elettrica delle celle solari TOPCon sotto esposizione UV
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Contesto della Ricerca
TOPCon è diventata una delle tecnologie principali nell'industria fotovoltaica del silicio cristallino. L'alta efficienza, tuttavia, non significa automaticamente stabilità a lungo termine. Differenze nel degrado indotto da ultravioletti, o UVID, sono state riportate in diverse strutture di celle solari. Le celle TOPCon, PERC e HJT possono essere tutte influenzate, ma le posizioni del degrado e i meccanismi dominanti non sono esattamente gli stessi.
Le discussioni passate sul degrado UV si sono spesso concentrate sulla rottura dei legami Si-H da parte di fotoni ad alta energia, seguita dal rilascio di idrogeno e da cambiamenti nella passivazione dell'interfaccia. Lo spettro ultravioletto presente nell'ambiente reale di un modulo PV non è limitato a una singola lunghezza d'onda. La superficie frontale illuminata contiene anche diverse regioni accoppiate, tra cui SiNx, Al2O3, l'emettitore di boro e i contatti metallici. Gli autori quindi sostengono che il degrado UV nelle celle TOPCon non dovrebbe essere studiato solo attraverso il comportamento dell'idrogeno. Anche la migrazione dell'ossigeno e le interfacce di contatto sono importanti.
Un dettaglio è facile da trascurare. Il vetro del modulo di solito filtra la maggior parte della radiazione UVB, ma non protegge completamente la superficie della cella illuminata dall'esposizione ultravioletta. Lo spettro discusso nell'articolo è dominato da UVA ma contiene ancora circa l'11% di UVB. Gli autori hanno utilizzato campioni non incapsulati. L'esperimento quindi non è equivalente all'invecchiamento all'aperto di un modulo completo, ma aiuta ad amplificare e separare le regioni sensibili ai UV sulla superficie frontale della cella.
Questo articolo è meglio letto come un'indagine sui meccanismi di guasto piuttosto che uno studio di certificazione della durata del modulo. La perdita di efficienza relativa del 6,72% dopo UV60 non dovrebbe essere convertita direttamente in una perdita di potenza prevista del modulo all'aperto. Il punto più importante è come gli autori utilizzano diversi metodi di caratterizzazione per collegare il danno alla passivazione frontale, l'ossidazione dell'interfaccia e il degrado del contatto metallico.
Metodo Sperimentale
Lo studio ha utilizzato celle TOPCon commerciali a metà taglio che misurano 182 mm × 105 mm. Le celle erano realizzate in silicio monocristallino Czochralski di tipo n con una resistività di circa 1,0 Ω·cm e uno spessore del wafer di circa 130 μm. Per confrontare la resistenza ai raggi UV delle strutture anteriore e posteriore, i ricercatori hanno anche preparato campioni simmetrici della superficie anteriore e campioni simmetrici della superficie posteriore.
La struttura anteriore era composta da SiNx/Al2O3. La struttura posteriore era composta da SiOx/n+ poly-Si/Al2O3/SiNx. I principali spessori dei film riportati nell'articolo sono elencati di seguito.
| Struttura o materiale | Specifica riportata |
|---|---|
| Dimensione cella TOPCon commerciale | 182 mm × 105 mm |
| Substrato di silicio | Silicio monocristallino Cz di tipo n |
| Resistività del substrato | Circa 1,0 Ω·cm |
| Spessore del wafer | Circa 130 μm |
| Spessore SiOx | Circa 1,5 nm |
| Spessore n+ poly-Si | Circa 120 nm |
| Spessore Al2O3 | Circa 5 nm |
| Spessore SiNx | Circa 80 nm |
I ricercatori hanno confrontato la durata dei portatori minoritari, la tensione a circuito aperto implicita e J0 prima e dopo l'esposizione per valutare la stabilità della passivazione. La spettrometria di massa a ioni secondari a tempo di volo, o ToF-SIMS, è stata utilizzata per tracciare la distribuzione in profondità di idrogeno e ossigeno. La spettroscopia fotoelettronica a raggi X, o XPS, con profilazione in profondità è stata applicata per analizzare gli stati chimici di N 1s, O 1s, Al 2p e Si 2p. Le misurazioni EQE, TLM e I-V hanno poi collegato le variazioni dei film sottili con le perdite elettriche a livello di cella.
La forza di questo disegno sperimentale risiede nell'uso combinato di celle complete e strutture simmetriche. Le celle complete mostrano come cambiano efficienza, Voc, Jsc, fattore di riempimento e resistenza di contatto. I campioni simmetrici anteriore e posteriore riducono l'interferenza del resto della struttura della cella, rendendo più facile identificare quale lato di passivazione è più sensibile all'esposizione UV.
Figura 1: Schemi della cella TOPCon, della struttura simmetrica della superficie anteriore e della struttura simmetrica della superficie posteriore. I campioni simmetrici consentono di confrontare separatamente la resistenza ai raggi UV dello stack anteriore SiNx/Al2O3 e del contatto passivante posteriore in poly-Si.
Le condizioni di esposizione ai raggi UV devono essere considerate anche separatamente. Lo studio ha utilizzato un'intensità ultravioletta di 300 W/m², una temperatura di 60°C, un'umidità relativa del 30% e una dose massima accumulata di 60 kWh/m². Lo spettro era concentrato principalmente nella gamma UVA, con una componente UVB minore. Questo è più concentrato dell'esposizione esterna ordinaria ed è adatto per accelerare i cambiamenti chimici osservabili sulla superficie frontale in un ambiente di laboratorio.
| Parametro del test UV | Condizione di prova |
|---|---|
| Intensità UV | 300 W/m² |
| Temperatura | 60°C |
| Umidità relativa | 30% |
| Dose UV massima | 60 kWh/m² |
| Regione spettrale principale | UVA |
| Contenuto UVB | Circa l'11% |
| Condizione del campione | Non incapsulato |
Figura 2: Spettro ultravioletto utilizzato nell'esperimento. Lo spettro è dominato da UVA e contiene una componente UVB minore, consentendo di osservare l'effetto dei fotoni ad alta energia sugli strati di passivazione frontali.
Risultati e discussione
La struttura frontale è chiaramente più sensibile ai raggi UV rispetto alla struttura posteriore
La Figura 3 fornisce il confronto più diretto tra le due strutture. La struttura posteriore simmetrica ha mostrato solo lievi cambiamenti dopo UV60. La struttura frontale simmetrica ha continuato a degradarsi all'aumentare della dose UV. Secondo l'articolo, la durata media dei campioni frontali è diminuita da 2895,6 μs a 1552,8 μs. La tensione a circuito aperto implicita è scesa da 735,5 mV a 715,2 mV. La J0 su un lato è aumentata a 18,4 fA/cm², circa tre volte il suo valore iniziale.
Questi risultati indicano che il problema principale sotto UV60 non era l'instabilità del contatto passivante posteriore TOPCon in poli-Si. Era il deterioramento della qualità di passivazione nella struttura frontale illuminata SiNx/Al2O3. Gli autori attribuiscono la relativa stabilità del lato posteriore all'assorbimento UV da parte dello strato di poli-Si di 120 nm. Questo è un meccanismo ragionevole basato sulla struttura e sulle sue caratteristiche di assorbimento ottico, sebbene rimanga un'interpretazione a livello di meccanismo.
I tre parametri supportano la stessa conclusione da diverse direzioni. Una durata di vita più bassa e un iVoc più basso indicano una ricombinazione superficiale più forte. L'aumento di J0 fornisce una prova più diretta dell'aumento della corrente di ricombinazione. Gli autori non si sono affidati a un singolo indicatore. Durata di vita, tensione e corrente di ricombinazione mostrano tutti un deterioramento della struttura frontale, mentre le curve verdi che rappresentano la struttura posteriore rimangono in gran parte stabili.
Figura 3: Variazioni della durata di vita, della tensione a circuito aperto implicita e di J0 per le strutture frontali e posteriori sotto esposizione UV. Le curve rosse della struttura frontale mostrano una maggiore degradazione, identificando lo stack di passivazione SiNx/Al2O3 illuminato come il principale punto debole.
ToF-SIMS Mostra la Ridistribuzione di Idrogeno e Ossigeno
I profili di profondità ToF-SIMS mostrano che la degradazione della superficie frontale non è causata da un solo elemento. Nella Figura 4a, la concentrazione di idrogeno aumenta dopo UV60, specialmente nello strato di SiNx. Gli autori suggeriscono che ciò possa derivare non solo dalla rottura dei legami Si-H comunemente discussa, ma anche dalla rottura dei legami N-H all'interno del SiNx.
La Figura 4b mostra che anche la distribuzione dell'ossigeno cambia. La concentrazione di ossigeno nello strato di Al2O3 diminuisce leggermente, mentre aumenta vicino alle interfacce SiNx/Al2O3 e Al2O3/Si. Gli autori interpretano questo come risultato della rottura dei legami Al-O nell'Al2O3, seguita dalla diffusione dell'ossigeno rilasciato verso lo strato di SiNx e la superficie di silicio.
Il punto chiave non è semplicemente che c'è più ossigeno. L'ossigeno sta lasciando il suo reticolo originale o ambiente di legame e sta cambiando lo stato chimico delle interfacce.
La posizione di ogni variazione della curva è importante. Il segnale di idrogeno più forte nella regione SiNx mostra che il film di passivazione superiore è direttamente coinvolto nella reazione. I cambiamenti di ossigeno vicino alle interfacce indicano instabilità chimica tra Al2O3 e gli strati adiacenti. Nel complesso, questi risultati aiutano a spiegare perché la degradazione della superficie frontale influisce sia sulla qualità della passivazione che sull'output elettrico finale.
Figura 4: Distribuzioni di profondità ToF-SIMS di idrogeno e ossigeno prima e dopo UV60. L'idrogeno aumenta nello stack di passivazione, mentre l'ossigeno viene ridistribuito vicino alle interfacce, fornendo indizi per i cambiamenti dei legami chimici successivamente identificati tramite XPS.
XPS Collega la Rottura dei Legami N-H, le Vacanze di Ossigeno e l'Aumento di Al-OH
Gli spettri XPS N 1s adattati mostrano che la proporzione dei legami N-H all'interfaccia SiNx/Al2O3 è diminuita dal 9,64% al 5,97%. Ciò supporta la conclusione degli autori che anche i legami N-H partecipano al rilascio di idrogeno. Allo stesso tempo, il segnale N-H è aumentato vicino alla superficie SiNx, suggerendo che parte dell'idrogeno rilasciato può migrare verso la regione SiNx e formare nuovi legami lì.
Le variazioni O 1s sono una delle parti più distintive dello studio. Gli autori hanno separato il segnale O 1s in ossigeno reticolare, componenti correlate alle vacanze di ossigeno e ossigeno adsorbito in superficie. Dopo UV60, la proporzione dei picchi correlati alle vacanze di ossigeno è aumentata sia all'interfaccia SiNx/Al2O3 che Al2O3/Si. Ciò indica un danno alla qualità del film di Al2O3.
Le evidenze ampliano il meccanismo di degradazione oltre la perdita di passivazione indotta dall'idrogeno. La degradazione correlata all'idrogeno e quella correlata all'ossigeno sembrano agire insieme, aumentando la ricombinazione sulla superficie frontale.
ToF-SIMS e XPS forniscono diversi tipi di informazioni. ToF-SIMS è più adatto a mostrare dove gli elementi sono distribuiti attraverso la profondità dello stack di film. XPS aiuta a determinare lo stato chimico di tali elementi. L'adattamento N-Si e N-H negli spettri N 1s, insieme ai componenti correlati all'ossigeno reticolare e alle vacanze di ossigeno negli spettri O 1s, porta l'analisi dalla posizione elementare ai cambiamenti nei legami chimici.
Gli autori sottolineano che i legami Al-O hanno un'energia di legame relativamente alta in Al2O3 cristallino ideale. Tuttavia, i film di passivazione reali delle celle solari sono solitamente amorfi. Gli ioni di alluminio sottocoordinati e le vacanze di ossigeno possono abbassare la barriera energetica locale per la rottura dei legami. Per questo motivo, anche i fotoni alla lunghezza d'onda più lunga dell'esperimento di 400 nm, corrispondente a circa 3,1 eV, possono innescare cambiamenti strutturali correlati ad Al-O in un ambiente ricco di difetti. Questa interpretazione collega direttamente i difetti dei film sottili con la sensibilità ai raggi UV.
Figura 5: Spettri XPS N 1s e O 1s adattati. I cambiamenti nei legami N-H corrispondono al rilascio e alla migrazione dell'idrogeno. Il componente aumentato correlato alle vacanze di ossigeno negli spettri O 1s indica una qualità di passivazione dell'Al2O3 in declino.
Al2O3 Non È un Osservatore Completamente Stabile
La Figura 7 traccia ulteriormente Al 2p e Si 2p all'interfaccia Al2O3/Si. Dopo UV60, la proporzione assegnata al componente Al2O3 è diminuita dal 69,99% al 60,36%, mentre Al-OH è aumentato dal 30,01% al 39,64%. Ciò indica una chiara conversione delle strutture correlate ad Al-O sotto esposizione ultravioletta.
I risultati Si 2p mostrano la comparsa e l'aumento di Si2+ dopo UV60, mentre i componenti associati a Si, Si3+ e Si4+ diminuiscono. Sulla base di questi risultati, gli autori propongono che l'ossigeno libero che diffonde verso l'interfaccia Al2O3/Si possa ossidare il silicio mentre si formano vacanze di ossigeno nello strato di Al2O3. Gli spettri XPS supportano questa interpretazione, sebbene una caratterizzazione diretta in situ sarebbe ancora necessaria per confermare il percorso esatto della reazione.
Questa scoperta è importante per l'affidabilità della superficie frontale TOPCon. Al2O3 è destinato a fornire passivazione per effetto di campo e stabilità dell'interfaccia. Una volta che le strutture correlate ad Al-O iniziano a convertirsi in Al-OH, accompagnate da una maggiore concentrazione di vacanze di ossigeno, il film non è più solo uno strato protettivo. Può diventare parte della reazione di degradazione stessa. I cambiamenti negli stati di ossidazione del silicio indicano anche che la chimica dell'interfaccia è stata alterata.
Figura 6: Cambiamenti negli spettri XPS Al 2p e Si 2p all'interfaccia Al2O3/Si. La conversione delle strutture correlate ad Al2O3 verso Al-OH e i cambiamenti negli stati di ossidazione del silicio mostrano che le reazioni correlate all'ossigeno partecipano alla degradazione della superficie frontale.
Le perdite elettriche appaiono infine in Voc e fattore di riempimento
Una volta che lo stato chimico dello stack di passivazione cambia, gli effetti elettrici a livello di cella diventano chiari. Nella Figura 8, l'EQE rimane in gran parte stabile nelle gamme di lunghezza d'onda media e lunga ma diminuisce al di sotto di 500 nm. La riflettanza rimane quasi invariata. Ciò suggerisce che la perdita di risposta a lunghezza d'onda corta è causata principalmente da una maggiore ricombinazione sulla superficie frontale piuttosto che da un improvviso deterioramento della testurizzazione, delle prestazioni antiriflesso o dell'assorbimento ottico.
Figura 7: Curve EQE e riflettanza prima e dopo UV60. La riflettanza rimane quasi stabile mentre l'EQE a lunghezza d'onda corta diminuisce, indicando che la perdita di risposta di corrente è principalmente associata a una maggiore ricombinazione sulla superficie frontale.
Il declino dell'EQE a lunghezza d'onda corta concorda con l'aumento precedente di J0. La luce a lunghezza d'onda corta viene assorbita vicino alla superficie frontale della cella. Se la passivazione della superficie frontale è danneggiata, i portatori generati in questa regione hanno maggiori probabilità di ricombinarsi prima della raccolta. La perdita appare quindi prima nella gamma EQE a lunghezza d'onda corta. La luce a lunghezza d'onda media e lunga penetra più in profondità nel bulk o verso il lato posteriore, quindi i cambiamenti di risposta corrispondenti sono minori.
Le misure TLM mostrano che la resistività di contatto frontale è aumentata quasi linearmente con la dose di UV. Dopo UV60, ha raggiunto 4,1 mΩ·cm², circa 8,6 volte il suo valore iniziale. Gli autori suggeriscono che idrogeno libero, ossigeno libero e radicali reattivi prodotti durante l'esposizione ai UV possano partecipare a reazioni all'interfaccia dell'elettrodo metallico, aumentando la resistenza di contatto. Questa spiegazione è coerente con le misure di resistenza, sebbene i prodotti esatti delle reazioni all'interfaccia dell'elettrodo richiedano ancora prove chimiche più dirette.
Figura 8: La resistività di contatto frontale aumenta con la dose di esposizione ai UV. Dopo UV60, la resistività di contatto è circa 8,6 volte il suo valore iniziale, rendendola un contributore importante alla perdita di fattore di riempimento.
La degradazione relativa finale dei parametri della cella è stata riportata come segue.
| Parametro della cella | Degradazione relativa dopo UV60 |
|---|---|
| Voc | 3.46% |
| Jsc | 0.64% |
| Fattore di riempimento | 2.82% |
| Efficienza | 6.72% |
| Resistività di contatto frontale | 4,1 mΩ·cm², circa 8,6 volte il valore iniziale |
La conclusione elettrica centrale è chiara. Sotto UV60, le principali perdite TOPCon non derivano dalla riduzione di corrente. Derivano dalla perdita di Voc causata dalla degradazione della passivazione della superficie frontale e dalla perdita di fattore di riempimento associata all'aumento della resistenza di contatto frontale.
Questo spiega anche perché osservare solo la Jsc può sottostimare il rischio di degradazione da UV. L'EQE a lunghezza d'onda corta cambia, ma la Jsc totale diminuisce solo dello 0,64%. Problemi di ricombinazione e contatto creano la perdita di efficienza maggiore. Nelle celle TOPCon ad alta efficienza, Voc e fattore di riempimento sono altamente sensibili alla qualità dell'interfaccia, alle condizioni di passivazione e alle prestazioni del contatto metallico. Questi parametri possono rivelare debolezze di affidabilità prima della Jsc.
Figura 9: Degradazione relativa di Voc, Jsc, fattore di riempimento ed efficienza sotto UV60. L'efficienza diminuisce del 6,72%, guidata principalmente dalle perdite di Voc e fattore di riempimento, mentre la variazione di Jsc rimane relativamente piccola.
Valutazione del meccanismo e dell'applicazione
Il meccanismo proposto può essere riassunto come segue: l'esposizione ai UV modifica gli stati di legame nella struttura frontale SiNx/Al2O3. I legami Si-H e N-H si rompono e rilasciano idrogeno. Le strutture correlate ad Al-O vengono trasformate e si formano vacanze di ossigeno. L'ossigeno libero migra verso le interfacce, la ricombinazione sulla superficie frontale aumenta e le reazioni elettrochimiche attorno alla regione di contatto possono aumentare la resistenza di contatto frontale.
I risultati relativi a durata, iVoc, J0, EQE, TLM e I-V forniscono un supporto diretto al degrado elettrico. ToF-SIMS e XPS supportano la migrazione di idrogeno e ossigeno, nonché le relative variazioni nei legami chimici. L'interpretazione dell'interfaccia dell'elettrodo metallico richiede maggiore cautela. L'articolo deduce principalmente questo meccanismo da una maggiore resistenza di contatto e da risultati di studi precedenti. Sarebbero necessarie la distribuzione elementare, misurazioni dello stato chimico o analisi trasversali dell'interfaccia dell'elettrodo per una conferma più solida.
Per la produzione industriale, l'articolo ricorda che l'affidabilità UV delle celle TOPCon non può essere valutata solo attraverso l'efficienza iniziale della cella. Diversi fattori possono influenzare le prestazioni energetiche a lungo termine:
La qualità del materiale dello stack di passivazione frontale SiNx/Al2O3
La concentrazione di idrogeno e la stabilità dei legami Si-H e N-H
La concentrazione di vacanze di ossigeno nello strato di Al2O3
La stabilità dell'interfaccia del contatto metallico
Il filtraggio UVA e UVB da parte del vetro del modulo e degli incapsulanti
Le interazioni tra esposizione ultravioletta, umidità, calore, stress meccanico e campi elettrici
Quando questa ricerca viene considerata a livello di modulo, lo spettro reale che raggiunge la cella verrà nuovamente filtrato dal vetro e dalla pellicola di incapsulamento. Anche umidità, stress termico e campi elettrici parteciperanno all'invecchiamento. I meccanismi riportati nell'articolo sono quindi più utili come indicazioni per l'ottimizzazione di materiali e processi che come sostituto dei test IEC o dei dati di campo a lungo termine all'aperto.
Un passo successivo prezioso sarebbe valutare celle non incapsulate, mini-moduli incapsulati e moduli esposti all'aperto all'interno dello stesso quadro di validazione. Ciò renderebbe più facile determinare quali cambiamenti chimici rimangono importanti dopo un filtraggio spettrale realistico e l'accoppiamento ambientale.
Le possibili direzioni di ottimizzazione del processo includono:
Ridurre le fonti di idrogeno instabile nello stack frontale SiNx/Al2O3
Migliorare la rete amorfa di Al2O3 e controllare le vacanze di ossigeno
Ottimizzare le condizioni di cottura e metallizzazione per una migliore stabilità dell'interfaccia di contatto
Migliorare la resistenza alle reazioni legate all'ossidazione attorno al contatto metallico frontale
Selezionare materiali di incapsulamento che riducano l'impatto diretto dei raggi UV ad alta energia sulla superficie della cella
L'articolo non fornisce una soluzione completa. Definisce però più chiaramente i confini del problema e mostra che la passivazione della superficie frontale e l'ingegneria dei contatti devono essere considerate insieme.
Conclusione della ricerca: cosa resta da risolvere
Attraverso test di esposizione UV60, gli autori mostrano che la struttura frontale SiNx/Al2O3 delle celle TOPCon è più vulnerabile al degrado indotto dai raggi ultravioletti rispetto al contatto passivante posteriore in poli-Si. Il degrado non è causato da un singolo fattore isolato. Processi legati all'idrogeno, processi legati all'ossigeno e l'aumento della resistenza di contatto frontale contribuiscono tutti.
L'importanza di questo lavoro risiede nell'estendere la spiegazione del degrado UV delle TOPCon oltre la sola rottura dei legami Si-H. Presenta un quadro più ampio dell'evoluzione chimica della superficie frontale. Ridurre il rischio di UVID richiederà probabilmente un'ottimizzazione coordinata dello stack di passivazione frontale, delle vacanze di ossigeno all'interfaccia, della gestione dell'idrogeno, dei contatti metallurgici e del filtraggio UV da parte del modulo. Regolare un solo parametro del film potrebbe non essere sufficiente.
I limiti devono rimanere chiari. I campioni non erano incapsulati nelle condizioni UV riportate, e parte del meccanismo di degrado dei contatti metallici proposto è ancora inferenziale. L'interpretazione più attenta è che l'articolo dimostri una chiara relazione tra l'evoluzione della composizione chimica e il degrado elettrico sulla superficie frontale delle TOPCon sotto esposizione UV. Fornisce inoltre obiettivi specifici per futuri studi sull'affidabilità a lungo termine dopo l'incapsulamento.
Riferimento
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.
Il Punto di Vista di Ooitech
Il messaggio pratico è semplice: la passivazione frontale e la metallizzazione dovrebbero essere trattate come un unico sistema di affidabilità, non come fasi di processo separate. Una Voc iniziale stabile non basta se l'esposizione UV può modificare la chimica dell'Al2O3 e aumentare costantemente la resistenza di contatto frontale. La validazione futura dovrebbe collegare i test UV a livello di cella con test su mini-moduli incapsulati sotto spettri realistici di vetro ed incapsulante.
