Contesto della Ricerca

TOPCon è diventata una delle tecnologie mainstream nell'industria fotovoltaica del silicio cristallino. L'alta efficienza, tuttavia, non significa automaticamente stabilità a lungo termine. Differenze nella degradazione indotta 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 di degradazione e i meccanismi dominanti non sono esattamente gli stessi.

Discussioni passate sulla degradazione UV si sono spesso concentrate sui fotoni ad alta energia che rompono i legami Si-H, seguiti dal rilascio di idrogeno e da cambiamenti nella passivazione dell'interfaccia. Lo spettro ultravioletto presente in un ambiente reale di un modulo fotovoltaico 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 sostengono quindi che la degradazione UV nelle celle TOPCon non dovrebbe essere studiata 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 come uno studio di certificazione della durata dei moduli. La perdita di efficienza relativa del 6,72% dopo UV60 non dovrebbe essere convertita direttamente in una prevista perdita di potenza del modulo all'esterno. Il punto più importante è come gli autori utilizzano diversi metodi di caratterizzazione per collegare il danno alla passivazione della superficie frontale, l'ossidazione dell'interfaccia e il degrado del contatto metallico.

Metodo Sperimentale

Lo studio ha utilizzato celle TOPCon commerciali half-cut di dimensioni 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 UV delle strutture frontale e posteriore, i ricercatori hanno anche preparato campioni simmetrici della superficie frontale e campioni simmetrici della superficie posteriore.

La struttura frontale 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.

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 con 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 misure EQE, TLM e I-V hanno quindi collegato le modifiche del film sottile 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 l'efficienza, la Voc, la Jsc, il fattore di riempimento e la resistenza di contatto. I campioni simmetrici anteriore e posteriore riducono le interferenze dal resto della struttura della cella, facilitando l'identificazione di 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 UV dello stack frontale SiNx/Al2O3 e del contatto passivante posteriore in poli-Si.

Anche le condizioni di esposizione UV devono essere considerate a sé stanti. 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 ordinaria all'aperto ed è adatto per accelerare i cambiamenti chimici osservabili sulla superficie anteriore in un ambiente di laboratorio.

Figura 2: Spettro ultravioletto utilizzato nell'esperimento. Lo spettro è dominato dagli UVA e contiene una componente UVB minore, consentendo di osservare l'effetto dei fotoni a più alta energia sugli strati di passivazione anteriore.

Risultati e Discussione

La Struttura Anteriore è Chiaramente Più Sensibile ai UV Rispetto a Quella Posteriore

La Figura 3 fornisce il confronto più diretto tra le due strutture. La struttura simmetrica posteriore ha mostrato solo cambiamenti minori dopo UV60. La struttura simmetrica anteriore ha continuato a degradarsi all'aumentare della dose UV. Secondo l'articolo, la vita media dei campioni anteriori 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 minore durata di vita e un minore iVoc indicano una maggiore ricombinazione superficiale. L'aumento di J0 fornisce una prova più diretta di un aumento della corrente di ricombinazione. Gli autori non si sono basati su 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 frontale e posteriore sotto esposizione UV. Le curve rosse della struttura frontale mostrano un maggiore degrado, 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 il degrado della superficie frontale non è causato da un solo elemento. Nella Figura 4a, la concentrazione di idrogeno aumenta dopo UV60, specialmente nello strato SiNx. Gli autori suggeriscono che ciò potrebbe derivare non solo dalla rottura dei legami Si-H comunemente discussa, ma anche dalla rottura dei legami N-H all'interno di SiNx.

La Figura 4b mostra che anche la distribuzione dell'ossigeno cambia. La concentrazione di ossigeno nello strato 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 in Al2O3, seguita dalla diffusione dell'ossigeno rilasciato verso lo strato 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 loro insieme, questi risultati aiutano a spiegare perché il degrado della superficie frontale influisce sia sulla qualità di 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 nei legami chimici successivamente identificati tramite XPS.

XPS collega la rottura del legame N-H, le vacanze di ossigeno e l'aumento di Al-OH

Gli spettri XPS N 1s adattati mostrano che la proporzione di 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 di SiNx, suggerendo che parte dell'idrogeno rilasciato potrebbe migrare verso la regione di SiNx e formare nuovi legami lì.

Le variazioni di O 1s sono una delle parti più distintive dello studio. Gli autori hanno separato il segnale O 1s in ossigeno reticolare, componenti correlate a vacanze di ossigeno e ossigeno adsorbito in superficie. Dopo UV60, la proporzione di picchi correlati a vacanze di ossigeno è aumentata sia all'interfaccia SiNx/Al2O3 che Al2O3/Si. Ciò indica un danno alla qualità del film di Al2O3.

Le prove ampliano il meccanismo di degrado oltre la perdita di passivazione indotta dall'idrogeno. Il degrado correlato all'idrogeno e quello correlato 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 per mostrare dove gli elementi sono distribuiti attraverso la profondità dello stack di film. XPS aiuta a determinare lo stato chimico di quegli elementi. L'adattamento di N-Si e N-H negli spettri N 1s, insieme ai componenti di ossigeno reticolare e 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 del legame. Per questo motivo, anche i fotoni alla lunghezza d'onda più lunga dell'esperimento di 400 nm, corrispondenti 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 UV.

Figura 5: Spettri XPS N 1s e O 1s adattati. I cambiamenti nel legame N-H corrispondono al rilascio e alla migrazione dell'idrogeno. L'aumento del componente correlato a vacanze di ossigeno negli spettri O 1s indica un declino della qualità di passivazione di Al2O3.

Al2O3 non è uno spettatore completamente stabile

La Figura 7 traccia ulteriormente Al 2p e Si 2p all'interfaccia Al2O3/Si. Dopo UV60, la proporzione attribuita 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 di 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 si 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 sarebbe ancora necessaria una caratterizzazione diretta in situ per confermare l'esatto percorso di reazione.

Questa scoperta è importante per l'affidabilità della superficie frontale dei TOPCon. Al2O3 è destinato a fornire passivazione a 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. Potrebbe 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 di Al 2p e Si 2p all'interfaccia Al2O3/Si. La conversione delle strutture correlate ad Al2O3 in Al-OH e i cambiamenti negli stati di ossidazione del silicio mostrano che le reazioni legate all'ossigeno partecipano alla degradazione della superficie frontale.

Le Perdite Elettriche Appaiono Infine in Voc e Fill Factor

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 di 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 in corrente è principalmente associata a un aumento della ricombinazione sulla superficie frontale.

Il declino dell'EQE a lunghezza d'onda corta è coerente 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 nell'intervallo 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 le corrispondenti variazioni di risposta sono minori.

Le misurazioni TLM mostrano che la resistività di contatto frontale è aumentata quasi linearmente con la dose UV. Dopo UV60, ha raggiunto 4,1 mΩ·cm², circa 8,6 volte il suo valore iniziale. Gli autori suggeriscono che l'idrogeno libero, l'ossigeno libero e i radicali reattivi prodotti durante l'esposizione UV possono partecipare a reazioni all'interfaccia dell'elettrodo metallico, aumentando la resistenza di contatto. Questa spiegazione è coerente con le misurazioni di resistenza, sebbene i prodotti di reazione esatti all'interfaccia dell'elettrodo richiedano ancora prove chimiche più dirette.

Figura 8: La resistività di contatto frontale aumenta con la dose di esposizione UV. Dopo UV60, la resistività di contatto è circa 8,6 volte il suo valore iniziale, diventando un importante contributore alla perdita di fattore di riempimento.

Il degrado relativo finale dei parametri della cella è stato riportato come segue.

La conclusione elettrica centrale è chiara. Sotto UV60, le principali perdite TOPCon non provengono dalla riduzione di corrente. Provengono dalla perdita di Voc causata dal degrado della passivazione della superficie frontale e dalla perdita di fattore di riempimento associata all'aumento della resistenza di contatto frontale.

Ciò spiega anche perché guardare solo a Jsc può sottostimare il rischio di degrado UV. L'EQE a lunghezza d'onda corta cambia, ma la Jsc totale diminuisce solo dello 0,64%. I problemi di ricombinazione e contatto creano la maggiore perdita di efficienza. Nelle celle TOPCon ad alta efficienza, Voc e fattore di riempimento sono altamente sensibili alla qualità dell'interfaccia, alla condizione di passivazione e alle prestazioni del contatto metallico. Questi parametri possono esporre debolezze di affidabilità prima di Jsc.

Figura 9: Degrado relativo 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.

Meccanismo e valutazione 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 si trasformano 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 di lifetime, 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 modifiche 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 misurazioni della distribuzione elementare, 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 dei 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 di 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 ulteriormente 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 dei materiali e dei processi che come sostituti dei test IEC o dei dati di campo a lungo termine.

Un utile passo successivo sarebbe valutare celle non incapsulate, mini-moduli incapsulati e moduli esposti all'esterno 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 instabili di idrogeno nello stack frontale SiNx/Al2O3

• Migliorare la rete amorfa di Al2O3 e controllare le vacanze di ossigeno

• Ottimizzazione delle condizioni di cottura e metallizzazione per una migliore stabilità dell'interfaccia di contatto

• Miglioramento della resistenza alle reazioni di ossidazione attorno al contatto metallico frontale

• Selezione di materiali di incapsulamento che riducono l'impatto diretto dei raggi UV ad alta energia sulla superficie della cella

L'articolo non fornisce una soluzione completa. Definisce 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 deve essere risolto in seguito

Attraverso test di esposizione UV60, gli autori mostrano che la struttura frontale SiNx/Al2O3 delle celle TOPCon è più vulnerabile al degrado indotto dagli ultravioletti rispetto al contatto passivante posteriore in polisilicio. Il degrado non è causato da un singolo fattore isolato. I processi legati all'idrogeno, quelli 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 del legame 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 di metallizzazione e del filtraggio UV da parte dell'incapsulamento del modulo. Regolare un solo parametro del film potrebbe non essere sufficiente.

Le limitazioni devono rimanere chiare. I campioni non erano incapsulati nelle condizioni UV riportate, e parte del meccanismo di degrado del contatto metallico proposto è ancora inferenziale. L'interpretazione più attenta è che l'articolo dimostra una chiara relazione tra l'evoluzione della composizione chimica e il degrado elettrico sulla superficie frontale delle TOPCon sotto esposizione UV. Fornisce anche obiettivi specifici per studi futuri 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 è sufficiente se l'esposizione UV può alterare la chimica dell'Al2O3 e aumentare costantemente la resistenza di contatto frontale. La validazione futura dovrebbe collegare i test a livello di cella con test su mini-moduli incapsulati sotto spettri realistici di vetro e incapsulante.