Latar Belakang Penyelidikan

TOPCon telah menjadi salah satu teknologi utama dalam industri fotovoltaik silikon kristal. Walau bagaimanapun, kecekapan tinggi tidak secara automatik bermakna kestabilan jangka panjang. Perbezaan dalam degradasi akibat ultraviolet, atau UVID, telah dilaporkan merentasi beberapa struktur sel solar. Sel TOPCon, PERC, dan HJT semuanya boleh terjejas, tetapi lokasi degradasi dan mekanisme dominan tidak sama persis.

Perbincangan lepas mengenai degradasi UV sering memberi tumpuan kepada foton bertenaga tinggi yang memutuskan ikatan Si-H, diikuti dengan pembebasan hidrogen dan perubahan dalam pasifasi antara muka. Spektrum ultraviolet yang terdapat dalam persekitaran modul PV sebenar tidak terhad kepada satu panjang gelombang. Permukaan hadapan yang diterangi juga mengandungi beberapa kawasan yang digandingkan, termasuk SiNx, Al2O3, pemancar boron, dan sentuhan logam. Oleh itu, penulis berpendapat bahawa degradasi UV dalam sel TOPCon tidak boleh dikaji hanya melalui tingkah laku hidrogen. Migrasi oksigen dan antara muka sentuhan juga penting.

Satu butiran mudah terlepas pandang. Kaca modul biasanya menapis kebanyakan sinaran UVB, tetapi ia tidak melindungi sepenuhnya permukaan sel yang diterangi daripada pendedahan ultraviolet. Spektrum yang dibincangkan dalam kertas kerja ini didominasi oleh UVA sementara masih mengandungi kira-kira 11% UVB. Penulis menggunakan sampel yang tidak dibungkus. Oleh itu, eksperimen ini tidak setara dengan penuaan luar modul lengkap, tetapi ia membantu memperkuat dan memisahkan kawasan sensitif UV pada permukaan hadapan sel.

Kertas ini lebih baik dibaca sebagai penyiasatan mekanisme kegagalan daripada kajian pensijilan jangka hayat modul. Kehilangan kecekapan relatif 6.72% selepas UV60 tidak boleh ditukar secara langsung kepada jangkaan kehilangan kuasa modul luar. Perkara yang lebih penting ialah bagaimana penulis menggunakan kaedah pencirian yang berbeza untuk menghubungkan kerosakan pasif permukaan hadapan, pengoksidaan antara muka, dan degradasi sentuhan logam.

Kaedah Eksperimen

Kajian ini menggunakan sel TOPCon separuh potong komersial berukuran 182 mm × 105 mm. Sel-sel tersebut diperbuat daripada silikon monohablur Czochralski jenis-n dengan kerintangan kira-kira 1.0 Ω·cm dan ketebalan wafer kira-kira 130 μm. Untuk membandingkan rintangan UV struktur hadapan dan belakang, penyelidik juga menyediakan sampel permukaan hadapan simetri dan sampel permukaan belakang simetri.

Struktur hadapan terdiri daripada SiNx/Al2O3. Struktur belakang terdiri daripada SiOx/n+ poly-Si/Al2O3/SiNx. Ketebalan filem utama yang dilaporkan dalam kertas ini disenaraikan di bawah.

Penyelidik membandingkan jangka hayat pembawa minoriti, voltan litar terbuka tersirat, dan J0 sebelum dan selepas pendedahan untuk menilai kestabilan pasif. Spektrometri jisim ion sekunder masa penerbangan, atau ToF-SIMS, digunakan untuk mengesan taburan kedalaman hidrogen dan oksigen. Profil kedalaman spektroskopi fotoelektron sinar-X, atau XPS, digunakan untuk menganalisis keadaan kimia N 1s, O 1s, Al 2p, dan Si 2p. Pengukuran EQE, TLM, dan I-V kemudian menghubungkan perubahan filem nipis dengan kerugian elektrik pada tahap sel.

Kekuatan reka bentuk eksperimen ini terletak pada penggunaan gabungan sel lengkap dan struktur simetri. Sel lengkap menunjukkan bagaimana kecekapan, Voc, Jsc, faktor isian, dan rintangan sentuhan berubah. Sampel hadapan dan belakang simetri mengurangkan gangguan daripada struktur sel yang lain, memudahkan untuk mengenal pasti bahagian pasivasi yang lebih sensitif terhadap pendedahan UV.

Rajah 1: Skema sel TOPCon, struktur permukaan hadapan simetri, dan struktur permukaan belakang simetri. Sampel simetri membolehkan rintangan UV bagi timbunan SiNx/Al2O3 hadapan dan sentuhan pasivasi polisi belakang dibandingkan secara berasingan.

Keadaan pendedahan UV juga perlu dipertimbangkan secara tersendiri. Kajian ini menggunakan intensiti ultraungu 300 W/m², suhu 60°C, kelembapan relatif 30%, dan dos terkumpul maksimum 60 kWh/m². Spektrum tertumpu terutamanya dalam julat UVA, dengan komponen UVB yang lebih kecil. Ini lebih pekat daripada pendedahan luar biasa dan sesuai untuk mempercepatkan perubahan kimia yang boleh diperhatikan pada permukaan hadapan dalam persekitaran makmal.

Rajah 2: Spektrum ultraungu yang digunakan dalam eksperimen. Spektrum didominasi oleh UVA dan mengandungi komponen UVB yang lebih kecil, membolehkan kesan foton bertenaga lebih tinggi pada lapisan pasivasi hadapan diperhatikan.

Keputusan dan Perbincangan

Struktur Hadapan Jelas Lebih Sensitif kepada UV Berbanding Struktur Belakang

Rajah 3 memberikan perbandingan paling langsung antara kedua-dua struktur. Struktur belakang simetri hanya menunjukkan perubahan kecil selepas UV60. Struktur hadapan simetri terus merosot apabila dos UV meningkat. Menurut kertas kerja, purata jangka hayat sampel hadapan menurun daripada 2895.6 μs kepada 1552.8 μs. Voltan litar terbuka tersirat jatuh daripada 735.5 mV kepada 715.2 mV. J0 sebelah tunggal meningkat kepada 18.4 fA/cm², kira-kira tiga kali ganda nilai awalnya.

Keputusan ini menunjukkan bahawa isu utama di bawah UV60 bukanlah ketidakstabilan sentuhan pasif polisilikon TOPCon belakang. Ia adalah kemerosotan kualiti pasif dalam struktur SiNx/Al2O3 bahagian hadapan yang diterangi. Penulis mengaitkan kestabilan relatif bahagian belakang dengan penyerapan UV oleh lapisan polisilikon setebal 120 nm. Ini adalah mekanisme yang munasabah berdasarkan struktur dan ciri penyerapan optiknya, walaupun ia masih merupakan tafsiran peringkat mekanisme.

Ketiga-tiga parameter menyokong kesimpulan yang sama dari sudut yang berbeza. Jangka hayat yang lebih rendah dan iVoc yang lebih rendah menunjukkan penggabungan semula permukaan yang lebih kuat. Peningkatan J0 memberikan bukti yang lebih langsung tentang peningkatan arus penggabungan semula. Penulis tidak bergantung pada satu penunjuk sahaja. Jangka hayat, voltan, dan arus penggabungan semula semuanya menunjukkan kemerosotan struktur hadapan, manakala lengkung hijau yang mewakili struktur belakang kekal sebahagian besarnya stabil.

Rajah 3: Perubahan dalam jangka hayat, voltan litar terbuka tersirat, dan J0 untuk struktur hadapan dan belakang di bawah pendedahan UV. Lengkung merah struktur hadapan menunjukkan degradasi yang lebih besar, mengenal pasti timbunan pasif SiNx/Al2O3 yang diterangi sebagai titik lemah utama.

ToF-SIMS Menunjukkan Pengagihan Semula Kedua-dua Hidrogen dan Oksigen

Profil kedalaman ToF-SIMS menunjukkan bahawa degradasi permukaan hadapan tidak disebabkan oleh hanya satu unsur. Dalam Rajah 4a, kepekatan hidrogen meningkat selepas UV60, terutamanya dalam lapisan SiNx. Penulis mencadangkan bahawa ini mungkin disebabkan bukan sahaja oleh pemecahan ikatan Si-H yang sering dibincangkan tetapi juga oleh pemecahan ikatan N-H di dalam SiNx.

Rajah 4b menunjukkan bahawa taburan oksigen juga berubah. Kepekatan oksigen dalam lapisan Al2O3 menurun sedikit, manakala ia meningkat berhampiran antara muka SiNx/Al2O3 dan Al2O3/Si. Penulis mentafsirkan ini sebagai hasil pemecahan ikatan Al-O dalam Al2O3, diikuti oleh resapan oksigen yang dibebaskan ke arah lapisan SiNx dan permukaan silikon.

Perkara utama bukan sekadar terdapat lebih banyak oksigen. Oksigen meninggalkan kekisi asal atau persekitaran ikatannya dan mengubah keadaan kimia antara muka.

Lokasi setiap perubahan lengkung adalah penting. Isyarat hidrogen yang lebih kuat di kawasan SiNx menunjukkan bahawa filem pasif atas terlibat secara langsung dalam tindak balas. Perubahan oksigen berhampiran antara muka menunjukkan ketidakstabilan kimia antara Al2O3 dan lapisan bersebelahan. Secara keseluruhan, keputusan ini membantu menjelaskan mengapa degradasi permukaan hadapan mempengaruhi kedua-dua kualiti pasif dan output elektrik akhir.

Rajah 4: Taburan kedalaman ToF-SIMS bagi hidrogen dan oksigen sebelum dan selepas UV60. Hidrogen meningkat dalam timbunan pasivasi, manakala oksigen diagihkan semula berhampiran antara muka, memberikan petunjuk untuk perubahan ikatan kimia yang kemudian dikenal pasti oleh XPS.

XPS Menghubungkan Pemutusan Ikatan N-H, Kekosongan Oksigen, dan Peningkatan Al-OH

Spektrum XPS N 1s yang dipadankan menunjukkan bahawa bahagian ikatan N-H pada antara muka SiNx/Al2O3 menurun daripada 9.64% kepada 5.97%. Ini menyokong kesimpulan penulis bahawa ikatan N-H juga mengambil bahagian dalam pembebasan hidrogen. Pada masa yang sama, isyarat N-H meningkat berhampiran permukaan SiNx, menunjukkan bahawa sebahagian daripada hidrogen yang dibebaskan mungkin berhijrah ke arah kawasan SiNx dan membentuk ikatan baru di sana.

Perubahan O 1s adalah salah satu bahagian yang lebih tersendiri dalam kajian ini. Penulis memisahkan isyarat O 1s kepada oksigen kekisi, komponen berkaitan kekosongan oksigen, dan oksigen terjerap permukaan. Selepas UV60, bahagian puncak berkaitan kekosongan oksigen meningkat pada kedua-dua antara muka SiNx/Al2O3 dan Al2O3/Si. Ini menunjukkan kerosakan pada kualiti filem Al2O3.

Bukti memperluas mekanisme degradasi melampaui kehilangan pasivasi akibat hidrogen. Degradasi berkaitan hidrogen dan oksigen nampaknya berfungsi bersama, meningkatkan penggabungan semula permukaan hadapan.

ToF-SIMS dan XPS memberikan jenis maklumat yang berbeza. ToF-SIMS lebih sesuai untuk menunjukkan di mana unsur-unsur diedarkan melalui kedalaman timbunan filem. XPS membantu menentukan keadaan kimia unsur-unsur tersebut. Padanan N-Si dan N-H dalam spektrum N 1s, bersama-sama dengan komponen oksigen kekisi dan berkaitan kekosongan oksigen dalam spektrum O 1s, membawa analisis dari lokasi unsur kepada perubahan dalam ikatan kimia.

Penulis menunjukkan bahawa ikatan Al-O mempunyai tenaga ikatan yang agak tinggi dalam Al2O3 kristal ideal. Walau bagaimanapun, filem pasivasi sel suria sebenar biasanya amorfus. Ion aluminium yang kurang terkoordinasi dan kekosongan oksigen boleh menurunkan halangan tenaga tempatan untuk pemutusan ikatan. Atas sebab ini, walaupun foton pada panjang gelombang terpanjang eksperimen 400 nm, yang sepadan dengan kira-kira 3.1 eV, boleh mencetuskan perubahan struktur berkaitan Al-O dalam persekitaran yang kaya dengan kecacatan. Tafsiran ini menghubungkan kecacatan filem nipis secara langsung dengan kepekaan UV.

Rajah 5: Spektrum XPS N 1s dan O 1s yang dipadankan. Perubahan dalam ikatan N-H sepadan dengan pembebasan dan penghijrahan hidrogen. Peningkatan komponen berkaitan kekosongan oksigen dalam spektrum O 1s menunjukkan penurunan kualiti pasivasi Al2O3.

Al2O3 Bukan Pemerhati yang Sepenuhnya Stabil

Rajah 7 selanjutnya menjejaki Al 2p dan Si 2p pada antara muka Al2O3/Si. Selepas UV60, bahagian yang diberikan kepada komponen Al2O3 menurun daripada 69.99% kepada 60.36%, manakala Al-OH meningkat daripada 30.01% kepada 39.64%. Ini menunjukkan penukaran jelas struktur berkaitan Al-O di bawah pendedahan ultraungu.

Keputusan Si 2p menunjukkan kemunculan dan peningkatan Si2+ selepas UV60, manakala komponen yang berkaitan dengan Si, Si3+, dan Si4+ menurun. Berdasarkan keputusan ini, penulis mencadangkan bahawa oksigen bebas yang meresap ke arah antara muka Al2O3/Si mungkin mengoksidakan silikon sementara kekosongan oksigen terbentuk dalam lapisan Al2O3. Spektrum XPS menyokong tafsiran ini, walaupun pencirian in-situ langsung masih diperlukan untuk mengesahkan laluan tindak balas yang tepat.

Penemuan ini penting untuk kebolehpercayaan permukaan hadapan TOPCon. Al2O3 bertujuan untuk menyediakan pasifasi kesan medan dan kestabilan antara muka. Sebaik sahaja struktur berkaitan Al-O mula bertukar kepada Al-OH, disertai dengan kepekatan kekosongan oksigen yang lebih tinggi, filem itu bukan lagi sekadar lapisan pelindung. Ia mungkin menjadi sebahagian daripada tindak balas degradasi itu sendiri. Perubahan dalam keadaan pengoksidaan silikon juga menunjukkan bahawa kimia antara muka telah diubah.

Rajah 6: Perubahan dalam spektrum XPS Al 2p dan Si 2p pada antara muka Al2O3/Si. Penukaran struktur berkaitan Al2O3 kepada Al-OH dan perubahan dalam keadaan pengoksidaan silikon menunjukkan bahawa tindak balas berkaitan oksigen mengambil bahagian dalam degradasi permukaan hadapan.

Kehilangan Elektrik Akhirnya Muncul dalam Voc dan Faktor Isian

Sebaik sahaja keadaan kimia timbunan pasifasi berubah, kesan elektrik pada tahap sel menjadi jelas. Dalam Rajah 8, EQE kekal sebahagian besarnya stabil dalam julat panjang gelombang sederhana dan panjang tetapi menurun di bawah 500 nm. Pemantulan kekal hampir tidak berubah. Ini menunjukkan bahawa kehilangan tindak balas gelombang pendek disebabkan terutamanya oleh penggabungan semula permukaan hadapan yang lebih kuat dan bukannya kemerosotan mendadak dalam tekstur, prestasi anti-pantulan, atau penyerapan optik.

Rajah 7: Lengkung EQE dan pemantulan sebelum dan selepas UV60. Pemantulan kekal hampir stabil manakala EQE gelombang pendek menurun, menunjukkan bahawa kehilangan tindak balas arus terutamanya dikaitkan dengan peningkatan penggabungan semula permukaan hadapan.

Penurunan EQE gelombang pendek bersetuju dengan peningkatan awal dalam J0. Cahaya gelombang pendek diserap berhampiran permukaan hadapan sel. Jika pasif permukaan hadapan rosak, pembawa yang dijana di kawasan ini lebih cenderung untuk bergabung semula sebelum dikumpul. Oleh itu, kehilangan mula-mula muncul dalam julat EQE gelombang pendek. Cahaya gelombang sederhana dan panjang menembusi lebih jauh ke dalam pukal atau ke arah sisi belakang, jadi perubahan tindak balas yang sepadan adalah lebih kecil.

Pengukuran TLM menunjukkan bahawa kerintangan sentuhan hadapan meningkat hampir secara linear dengan dos UV. Selepas UV60, ia mencapai 4.1 mΩ·cm², kira-kira 8.6 kali nilai awalnya. Penulis mencadangkan bahawa hidrogen bebas, oksigen bebas, dan radikal reaktif yang dihasilkan semasa pendedahan UV mungkin mengambil bahagian dalam tindak balas di antara muka elektrod logam, meningkatkan rintangan sentuhan. Penjelasan ini konsisten dengan pengukuran rintangan, walaupun produk tindak balas tepat di antara muka elektrod masih memerlukan lebih banyak bukti kimia langsung.

Rajah 8: Kerintangan sentuhan hadapan meningkat dengan dos pendedahan UV. Selepas UV60, kerintangan sentuhan adalah kira-kira 8.6 kali nilai awalnya, menjadikannya penyumbang penting kepada kehilangan faktor isian.

Degradasi relatif akhir parameter sel dilaporkan seperti berikut.

Kesimpulan elektrik pusat adalah jelas. Di bawah UV60, kerugian TOPCon utama tidak datang daripada pengurangan arus. Ia datang daripada kehilangan Voc yang disebabkan oleh degradasi pasif permukaan hadapan dan kehilangan faktor isian yang berkaitan dengan peningkatan rintangan sentuhan hadapan.

Ini juga menjelaskan mengapa melihat hanya Jsc boleh memandang rendah risiko degradasi UV. EQE gelombang pendek berubah, tetapi jumlah Jsc menurun hanya 0.64%. Masalah penggabungan semula dan sentuhan mencipta kehilangan kecekapan yang lebih besar. Dalam sel TOPCon berkecekapan tinggi, Voc dan faktor isian sangat sensitif terhadap kualiti antara muka, keadaan pasif, dan prestasi sentuhan logam. Parameter ini mungkin mendedahkan kelemahan kebolehpercayaan lebih awal daripada Jsc.

Rajah 9: Degradasi relatif Voc, Jsc, faktor isian, dan kecekapan di bawah UV60. Kecekapan menurun sebanyak 6.72%, didorong terutamanya oleh kehilangan Voc dan faktor isian, manakala perubahan Jsc kekal agak kecil.

Mekanisme dan Penilaian Aplikasi

Mekanisme yang dicadangkan boleh diringkaskan seperti berikut: Pendedahan UV mengubah keadaan ikatan dalam struktur SiNx/Al2O3 hadapan. Ikatan Si-H dan N-H terputus dan membebaskan hidrogen. Struktur berkaitan Al-O berubah dan kekosongan oksigen terbentuk. Oksigen bebas berhijrah ke arah antara muka, penggabungan semula permukaan hadapan meningkat, dan tindak balas elektrokimia di sekitar kawasan sentuhan boleh meningkatkan rintangan sentuhan hadapan.

Keputusan jangka hayat, iVoc, J0, EQE, TLM, dan I-V memberikan sokongan langsung untuk degradasi elektrik. ToF-SIMS dan XPS menyokong penghijrahan hidrogen dan oksigen serta perubahan berkaitan dalam ikatan kimia. Tafsiran antara muka elektrod logam memerlukan lebih berhati-hati. Kertas kerja ini terutamanya menyimpulkan mekanisme ini daripada rintangan sentuhan yang lebih tinggi dan penemuan dalam kajian terdahulu. Taburan unsur, ukuran keadaan kimia, atau analisis keratan rentas antara muka elektrod diperlukan untuk pengesahan yang lebih kukuh.

Untuk pengeluaran industri, kertas kerja ini adalah peringatan bahawa kebolehpercayaan UV TOPCon tidak boleh dinilai hanya melalui kecekapan sel awal. Beberapa faktor boleh mempengaruhi prestasi tenaga jangka panjang:

• Kualiti bahan timbunan pasif SiNx/Al2O3 hadapan

• Kepekatan hidrogen dan kestabilan ikatan Si-H dan N-H

• Kepekatan kekosongan oksigen dalam lapisan Al2O3

• Kestabilan antara muka sentuhan logam

• Penapisan UVA dan UVB oleh kaca modul dan enkapsulan

• Interaksi antara pendedahan ultraviolet, kelembapan, haba, tekanan mekanikal, dan medan elektrik

Apabila penyelidikan ini dipertimbangkan pada tahap modul, spektrum sebenar yang mencapai sel akan ditapis semula oleh kaca dan filem enkapsulasi. Kelembapan, tekanan terma, dan medan elektrik juga akan mengambil bahagian dalam penuaan. Oleh itu, mekanisme yang dilaporkan dalam kertas kerja ini lebih berguna sebagai hala tuju untuk pengoptimuman bahan dan proses daripada sebagai pengganti ujian IEC atau data lapangan luar jangka panjang.

Langkah seterusnya yang bernilai adalah untuk menilai sel tidak terenkapsulasi, mini-modul terenkapsulasi, dan modul terdedah luar dalam rangka kerja pengesahan yang sama. Ini akan memudahkan untuk menentukan perubahan kimia mana yang masih penting selepas penapisan spektrum realistik dan gandingan persekitaran.

Arah pengoptimuman proses yang mungkin termasuk:

• Mengurangkan sumber hidrogen tidak stabil dalam timbunan SiNx/Al2O3 hadapan

• Memperbaiki rangkaian Al2O3 amorfus dan mengawal kekosongan oksigen

• Mengoptimumkan keadaan pembakaran dan metalisasi untuk kestabilan antara muka sentuhan yang lebih baik

• Meningkatkan ketahanan terhadap tindak balas berkaitan pengoksidaan di sekitar sentuhan logam hadapan

• Memilih bahan enkapsulasi yang mengurangkan kesan langsung UV bertenaga tinggi pada permukaan sel

Kertas kerja ini tidak memberikan penyelesaian yang lengkap. Ia mentakrifkan sempadan masalah dengan lebih jelas dan menunjukkan bahawa pasif permukaan hadapan dan kejuruteraan sentuhan perlu dipertimbangkan bersama.

Kesimpulan Penyelidikan: Apa yang Perlu Diselesaikan Seterusnya

Melalui ujian pendedahan UV60, penulis menunjukkan bahawa struktur SiNx/Al2O3 hadapan sel TOPCon lebih terdedah kepada degradasi akibat ultraviolet berbanding sentuhan pasif poli-Si belakang. Degradasi ini tidak disebabkan oleh satu faktor terpencil. Proses berkaitan hidrogen, proses berkaitan oksigen, dan peningkatan rintangan sentuhan hadapan semuanya menyumbang.

Kepentingan kerja ini terletak pada memperluas penjelasan degradasi UV TOPCon melampaui pemecahan ikatan Si-H sahaja. Ia membentangkan rangka kerja yang lebih luas mengenai evolusi kimia permukaan hadapan. Mengurangkan risiko UVID kemungkinan memerlukan pengoptimuman terkoordinasi bagi timbunan pasif hadapan, kekosongan oksigen antara muka, pengurusan hidrogen, sentuhan metalisasi, dan penapisan UV oleh pembungkusan modul. Melaraskan hanya satu parameter filem mungkin tidak mencukupi.

Batasan harus tetap jelas. Sampel tidak dienkapsulasi di bawah keadaan UV yang dilaporkan, dan sebahagian daripada mekanisme degradasi sentuhan logam yang dicadangkan masih bersifat inferensi. Tafsiran yang paling teliti ialah kertas kerja ini menunjukkan hubungan yang jelas antara evolusi komposisi kimia dan degradasi elektrik pada permukaan hadapan TOPCon di bawah pendedahan UV. Ia juga menyediakan sasaran khusus untuk kajian masa depan mengenai kebolehpercayaan jangka panjang selepas enkapsulasi.

Rujukan

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.

Pandangan Ooitech

Mesej praktikal adalah mudah: pasif permukaan hadapan dan metalisasi harus dianggap sebagai satu sistem kebolehpercayaan, bukan sebagai langkah proses yang berasingan. Voc awal yang stabil tidak mencukupi jika pendedahan UV boleh mengubah kimia Al2O3 dan secara berterusan meningkatkan rintangan sentuhan hadapan. Pengesahan masa depan harus menghubungkan ujian UV peringkat sel dengan ujian modul mini yang dienkapsulasi di bawah spektrum kaca dan enkapsulan yang realistik.