TOPConセルUVID研究：非接触IV測定が追跡

簡単な回答： UVID（紫外線誘起劣化）は、TOPConセルにおける信頼性メカニズムであり、標準的な電力測定では捉えられません。これは、即座の損失として現れるのではなく、光照射下で徐々に進行するためです。非接触IV測定はこれを追跡するために用いられます。すなわち、金属化にプローブせずにセルを測定するため、接触による損傷を導入して結果を混乱させることなく、加速曝露を通じて同じセルを繰り返し再測定できます。本研究のストレス条件は、60 °CでのUV曝露を含み、120 nm、400 nm、500 nm付近のスペクトル範囲にわたる測定を、UV60とラベル付けされたサンプルセットを用いて行います。非接触測定の価値は、UVIDを破壊的な試験終了時の観察から、監視可能な曲線へと変える点にあり、これによりプロセス変更を単に受け入れるか拒否するかだけでなく、評価することが可能になります。

PV モジュール製造 · Jerry、Ooitech 著

TOPCon セルUVIDおよび非接触IVテスト

TOPCon太陽電池は、強力な表面パッシベーションとキャリア選択性コンタクトにより、太陽光発電市場で主導的な地位を獲得している。しかし、屋外運用では紫外線誘起劣化（UVID）にさらされる。本研究では、変換効率が低下した。 UV60曝露後6.72%.

従来の研究では、UVIDは主に高エネルギー光子がSi–H結合を切断し、移動性水素を放出することに起因するとされてきた。太陽紫外線スペクトルは、はるかに広い光子エネルギー範囲をカバーしている。 3.1–4.43 eVそのため、フロント表面材料との相互作用はSi–H結合の切断だけでは説明できない。フロントのAl₂O₃/SiNₓスタックも、裏面構造よりもはるかに弱いUV耐性を示す。

Millennial Solarの非接触IVテスターは、消耗品不要でミリ秒レベルの測定速度を備えた非破壊検査を提供する。バックコンタクトおよびバスバーレスセル設計に対応し、1回のテストシーケンスで多次元のIV、EQE、PLパラメータを取得できる。

本研究では、飛行時間型二次イオン質量分析法（ToF-SIMS）と深さ方向X線光電子分光法（XPS）を用いて、UV60曝露前後のAl₂O₃/SiNₓ層における元素分布と化学結合の変化を追跡した。結果は、N–H結合の切断がSi–H結合の切断に加えて第二の水素源として働くことを示している。UV曝露はまた、アモルファスAl₂O₃のAl–O結合を損傷し、多数の酸素空孔を生成する。水素と酸素の複合メカニズムは表面再結合を増加させ、パッシベーション層の信頼性を改善するためのより明確な根拠を提供する。

実験方法

Millennial Solar

(a) TOPCon太陽電池の概略構造；(b) 対称フロント構造サンプル；(c) 対称裏面構造サンプル。

2つの対称サンプル構造を準備した。フロント構造は SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ裏面構造はSiOₓ/n⁺-poly-Si層を含んでいた。UV劣化はモジュールレベルで、UV-Aが主体で約11%のUV-Bを含む光源を用いて実施した。試験条件は60°C、相対湿度30%であった。

紫外光源の分光放射照度。

前面および裏面構造の耐UV性

Millennial Solar

UV曝露中の前面および裏面対称構造サンプルの変化：(a) 注入キャリア濃度1 × 10¹⁵ cm⁻³における実効キャリアライフタイムτeff、(b) 示唆開放電圧iVoc、(c) 片面飽和電流密度J₀。

裏面対称構造は、 60 kWh·m⁻² のUV曝露後もわずかな劣化しか示さなかった。その120 nmのpoly-Si層は入射UV放射のほぼすべてを吸収し、下地界面を効果的に保護した。

前面対称構造ははるかに深刻に劣化した：

• 実効キャリアライフタイムτeffは 2,895.6 μsから1,552.8 μs.

• に低下し、示唆開放電圧iVocは 735.5 mVから715.2 mV.

• に減少し、片面J₀は 18.4 fA·cm⁻²に増加し、初期値の約3倍となった。

• Al₂O₃/SiNₓパッシベーション性能は大幅に劣化した。

これらの結果は、前面SiNₓ/Al₂O₃スタックが裏面SiOₓ/poly-Si構造よりも紫外線曝露に対してかなり脆弱であることを確認している。

化学組成の変化

Millennial Solar

研磨された対称フロント構造サンプルにおける、UV60曝露前後の(a)水素および(b)酸素強度のToF-SIMS深さプロファイル。

ToF-SIMSは、紫外線曝露後に水素濃度が明確に上昇することを示した。特にSiNₓ層内部で顕著であった。N 1s XPS信号の深さプロファイル解析により、SiNₓ/Al₂O₃界面におけるN–H結合の割合が 9.64%から5.97%に減少したことが判明した。これは、N–H結合の切断がSi–H結合の解離と並ぶもう一つの重要な水素源であることを裏付けている。

放出された水素の一部はSiNₓ表面へ拡散し、再びシリコンと結合した。これは、表面近傍の局所的なN–H割合が低下し続けるのではなく増加した理由を説明している。

酸素の挙動も重要であった。Al₂O₃層内部の酸素濃度はわずかに減少した一方、SiNₓ/Al₂O₃界面とAl₂O₃/Si界面の両方で増加した。この分布は、Al–O結合の切断により放出された酸素がAl₂O₃膜から外方へ拡散したことを示している。

理想結晶におけるAl–O結合エネルギーは約 5.3 eVである。アモルファスAl₂O₃は異なる。配位が不十分なアルミニウムイオンと負に帯電した酸素空孔は、隣接するAl–O結合を切断するための活性化エネルギーを約 2.4 eVまで低下させ得る。400 nmの紫外線光子は約 3.1 eVのエネルギーを運び、これはこのプロセスを引き起こすのにすでに十分である。

UV60曝露前後の異なるAl₂O₃/SiNₓ界面におけるN 1s深さプロファイルXPSスペクトル。397.5 eVのN–Si結合および399.5 eVのN–H結合のフィッティングを含む。

O 1s XPS結果は、OIとして同定される格子酸素から、OIIとして同定される酸素空孔関連成分への変換を示した。Al 2pスペクトルでは、Al₂O₃の割合が 69.99%から60.36%に低下し、一方Al–OHは 30.01%から39.64%.

に増加した。Si 2pスペクトルもまた、Si²⁺の増加とより高いシリコン酸化状態の減少を示した。酸素空孔形成中に放出された電子が、より高い酸化状態のシリコンを還元した。酸素、アルミニウム、シリコンの結合におけるこれらの協調的な変化は、単一の孤立した結合切断反応ではなく、Al₂O₃膜への広範な損傷を示している。

電気的性能の劣化

Millennial Solar

UV60曝露前後のTOPCon太陽電池のEQEおよび反射率曲線。

UV60曝露後も反射率はほぼ変化しなかった。EQEは500 nm以下の短波長領域で中程度の低下を示し、これは前面表面でのより強い再結合に対応する。

UV60曝露中のTOPCon太陽電池の前面コンタクト抵抗率の変化。

前面コンタクト抵抗率はUV線量とともにほぼ直線的に増加し、 4.1 mΩ·cm²、約 8.6倍 の初期値に達した。提案されたメカニズムは、パッシベーション層内部で生成される移動性水素および酸素に関連している。これらの種は電極界面に向かって拡散し、酸化還元反応に関与する。

UV放射はまた、銀表面上の水分子をヒドロキシルラジカルに変換し得る。これらの反応が相まって金属電極の腐食を促進し、コンタクト抵抗を上昇させる。

UV60曝露中のTOPCon太陽電池の電気的性能劣化：(a) Voc、(b) Jsc、(c) FF、および(d) 効率。

最終的な電気的損失はいくつかのパラメータに分散した：

• Vocは3.46%低下し、主に前面表面パッシベーションの劣化とJ₀の増加による。

• FFは2.82%低下し、主に前面コンタクト抵抗率の急激な上昇による。

• Jscはわずか0.64%の低下で、EQE損失は主に短波長領域に限定されていた。

• 変換効率は6.72%低下し 、UV60曝露後であった。

したがって、TOPCon太陽電池の前面SiNₓ/Al₂O₃構造は、背面構造よりもはるかに低い耐紫外線性を有する。UV曝露下では、Si–HおよびN–H結合が切断され、移動性水素が放出される。アモルファスAl₂O₃中のAl–O結合も損傷を受け、酸素を放出し、高密度の酸素空孔を生成する。同時に、Al₂O₃はAl–OHへと移行し、シリコンの酸化状態分布が変化する。

水素および酸素に関連する劣化メカニズムが相まって表面再結合を激化させる。それに伴う前面コンタクト抵抗率の増加が別の電気的損失を加え、測定された 6.72%の効率劣化これらの知見は、TOPCon UVIDを理解し、フロント側パッシベーションスタックの長期信頼性を向上させるための有用な参考情報を提供します。

Ooitechの見解

重要な点は、TOPCon UVIDを単純なSi–H結合の問題として扱うことはできないということです。パッシベーション化学、酸素空孔制御、メタライゼーションの安定性を総合的に評価する必要があり、特に長期屋外使用に向けたモジュール生産プロセスの認定時には重要です。非接触IV、EQE、PLトラッキングは、ますます繊細になるセル設計に機械的接触による損傷を加えることなく、これらの損失をより早く特定するのに役立ちます。

関連: TOPCon UVIDとr-UVID / ir-UVIDの分割 光ソークが戻す損失と残留する損失を分離します。

参考文献と背景データ

このトピックに関する公開参考資料で、業界の技術ロードマップと市場データを維持する組織によって発行されています：

• Fraunhofer ISE — 太陽光発電レポート
• 米国エネルギー省 — 太陽光発電
• VDMA — 太陽光発電国際技術ロードマップ（ITRPV）