TOPConセルUVID研究：非接触IVテストで不動態化劣化と6.72%の効率損失を追跡
目次
TOPConセルUVIDと非接触IV試験
TOPCon太陽電池は、優れた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地位を獲得しています。しかし、屋外運用では紫外線誘起劣化（UVID）にさらされます。この研究では、変換効率が UV60曝露後に6.72%低下しました.
以前の研究では、UVIDは主に高エネルギーの光子がSi-H結合を切断し、移動性の水素を放出することに関連付けられることが多かったです。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おり、 3.1～4.43 eVであるため、前面材料との相互作用はSi-H結合切断だけでは説明できません。前面のAl₂O₃/SiNₓスタックも、裏面構造よりもはるかに弱いUV耐性を示します。
Millennial Solar非接触IVテスターは、消耗品不要で非破壊試験を提供し、ミリ秒レベルの測定速度を実現します。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回の試験シーケンスで多次元のIV、EQE、PLパラメータを取得できます。
この研究では、飛行時間型二次イオン質量分析法（ToF-SIMS）と深さプロファイルX線光電子分光法（XPS）を使用して、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ました。結果は、N-H結合切断がSi-H結合切断に加えて2番目の水素源として機能することを示しています。UV曝露はまた、非晶質Al₂O₃のAl-O結合を損傷し、多数の酸素空孔を生成します。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向上のためのより明確な基盤を提供します。
実験方法
Millennial Solar
(a) TOPCon太陽電池の模式構造；(b) 対称前面構造サンプル；(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ました。前面構造は SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ。裏面構造にはSiOₓ/n⁺-poly-Si層が含まれていました。UV老化試験は、UV-Aが主体で約11%のUV-Bを含む光源を用いてモジュールレベルで実施しました。試験条件は60°C、相対湿度30%でした。
| 試験項目 | 条件または構成 |
|---|---|
| 前面対称サンプル | SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ |
| 裏面対称サンプル | SiOₓ/n⁺-poly-Si層を含む構造 |
| UV光源 | 主にUV-A、約11%のUV-Bを含む |
| 試験温度 | 60°C |
| 相対湿度 | 30% |
| 報告された最大UV照射量 | 60 kWh·m⁻²、UV60として識別 |
| 主な分析手法 | ToF-SIMSおよび深さ方向XPS |
紫外線光源の分光放射照度。
前面および裏面構造のUV耐性
Millennial Solar
UV曝露中の対称前面・裏面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寿命τeff；(b) 擬似開放電圧iVoc；(c) 片面飽和電流密度J₀。
対称裏面構造は、 60 kWh·m⁻² のUV曝露後もわずかな劣化しか示しませんでした。その120 nmのpoly-Si層は入射UV放射のほぼ全てを吸収し、下層の界面を効果的に保護しました。
対称前面構造ははるかに深刻に劣化しました：
実効キャリア寿命τeffは、 2,895.6 μsから1,552.8 μs.
擬似開放電圧iVocは、 735.5 mVから715.2 mV.
片面J₀は、 18.4 fA·cm⁻²に増加し、初期値の約3倍になりました。
Al₂O₃/SiNₓパッシベーション性能は大幅に低下しました。
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ます。
化学組成の変化
Millennial Solar
UV60曝露前後の研磨対称フロント構造サンプルにおける(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、特にSiNₓ層内部で顕著でした。N 1s XPS信号の深さプロファイル分析により、SiNₓ/Al₂O₃界面におけるN–H結合の割合が 9.64%から5.97%に減少することがわかりました。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確認しています。
放出された水素の一部はSiNₓ表面に向かって拡散し、再びシリコンと結合しました。これにより、表面近傍の局所的なN–H割合が減少し続けるのではなく増加した理由が説明されます。
酸素の挙動も重要でした。Al₂O₃層内部の酸素濃度はわずかに減少し、SiNₓ/Al₂O₃およびAl₂O₃/Si界面の両方で増加しました。この分布は、Al–O結合の切断によって放出された酸素がAl₂O₃膜から外側に拡散したことを示しています。
理想的な結晶中のAl–O結合エネルギーは約 5.3 eVです。非晶質Al₂O₃は異なります。配位数の不足した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結合の切断に必要な活性化エネルギーを約 2.4 eVまで低下させることができます。400 nmの紫外線光子は約 3.1 eVのエネルギーを持ち、このプロセスを開始するのにすでに十分です。
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結合と399.5 eVのN–H結合のフィッティング結果を含みます。
O 1s XPS結果は、格子酸素（OIと同定）から酸素空孔関連成分（OIIと同定）への変換を示しました。Al 2pスペクトルでは、Al₂O₃の割合が 69.99%から60.36%に減少し、Al–OHは 30.01%から39.64%.
に増加しました。Si 2pスペクトルでも、Si²⁺の増加とより高いシリコン酸化状態の減少が見られました。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ました。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ます。
電気的性能の劣化
Millennial Solar
EQE and reflectance curves of the TOPCon solar cell before and after UV60 exposure.
Reflectance remained nearly unchanged after UV60 exposure. EQE showed a moderate decline in the short-wavelength region below 500 nm, which corresponds to stronger recombination at the front surface.
Change in front contact resistivity of the TOPCon solar cell during UV60 exposure.
Front contact resistivity increased almost linearly with UV dose, reaching 4.1 mΩ·cm², about 8.6 times its initial value. The proposed mechanism is linked to mobile hydrogen and oxygen generated inside the passivation layers. These species diffuse toward the electrode interface and participate in oxidation-reduction reactions.
UV radiation can also convert water molecules on the silver surface into hydroxyl radicals. Together, these reactions promote corrosion of the metal electrode and raise contact resistance.
Electrical performance degradation of the TOPCon solar cell during UV60 exposure: (a) Voc; (b) Jsc; (c) FF; and (d) efficiency.
The final electrical losses were distributed across several parameters:
Voc decreased by 3.46%, mainly due to front-surface passivation degradation and the increase in J₀.
FF decreased by 2.82%, mainly because of the sharp rise in front contact resistivity.
Jsc decreased by only 0.64%, as the EQE loss was limited mainly to the short-wavelength region.
Conversion efficiency decreased by 6.72% after UV60 exposure.
The front SiNₓ/Al₂O₃ structure of the TOPCon solar cell therefore has much lower ultraviolet resistance than the rear structure. Under UV exposure, Si–H and N–H bonds break and release mobile hydrogen. Al–O bonds in amorphous Al₂O₃ are also damaged, releasing oxygen and generating a high density of oxygen vacancies. At the same time, Al₂O₃ shifts toward Al–OH and the silicon oxidation-state distribution changes.
The hydrogen- and oxygen-related degradation mechanisms work together to intensify surface recombination. The accompanying increase in front contact resistivity adds a separate electrical loss, leading to the measured 6.72% efficiency degradationこれらの知見は、TOPCon UVIDの理解と、フロント側パッシベーションスタックの長期信頼性向上に有用な参考資料を提供します。
Ooitechの見解
重要な点は、TOPCon UVIDは単純な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ます。特に、長期屋外使用に向けたモジュール製造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ダメージを加えることなく、これらの損失を早期に特定するのに役立ちます。
