高温高湿下のTOPConセル：その理由

簡単な回答： TOPConは高効率結晶シリコン市場の大部分を占めており、もはや疑問は効率ではなく、湿熱下で長年フィールドに置かれた後にセルがどのように振る舞うかである。標準的な加速試験は85 °C、相対湿度85% — DH85 — で行われ、これはフィールド条件よりも速く水分を封止材とセルスタックに浸透させるように設計されている。ここでは層構造が重要である。ドープされたポリシリコン層の下にある約10 nmのトンネル酸化膜は、界面化学がバルク材料ではなく信頼性を決定するほど薄い。150 °C付近のラミネーション温度と封止材自体の透湿性は、どちらも同じ故障経路に寄与する。QL200クラスの評価ツールは、電力が低下したかどうかだけでなく、湿熱暴露がパッシベーションに何をもたらすかを追跡するために使用される。

PV モジュール製造 · Jerry、Ooitech 著

はじめに

TOPCon は高効率c-Si市場の大部分を占めるようになったが、長期的なフィールド信頼性は依然として流動的な目標である。湿熱試験で繰り返し現れる弱点が一つある。裏面パッシベーションスタックである。最近の研究（Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188）は、ナトリウム塩がセル表面に付着し、85°C/85% RH下に置かれたときに実際に何が問題となるかを突き止めた。要約すると、裏面SiNₓ層が弱点であり、薄いALD AlOₓ膜がそのほとんどを解決する。

主要な知見を先に

• 裏面SiNₓ層が湿熱の弱点です。酢酸ナトリウム（CH₃COONa）は裏面開放電圧（Voc）を5.8%低下させ、直列抵抗（Rₛ）を450%上昇させました。

• ナトリウム塩は表面酸化と窒素損失を加速します。XPSは裏面のSi/N原子比が1.3から23へ、O/Nが1.6から53へ跳ね上がることを示しました。

• 10nmのALD Al₂O₃バリアは大きな違いを生みました — CH₃COONa汚染下でのPCE損失は16%からわずか0.4%に低下しました。

• 前面パッシベーションははるかに強靭です。AlOₓ/SiOᵧNᵣ多層膜がナトリウム拡散を阻止するため、そこの汚染によるPCE損失はわずか0.87%でした。

• 2つの汚染物質は異なる作用をします。酢酸ナトリウムは金属コンタクトを攻撃し、塩化ナトリウム（NaCl）は主にパッシベーション層を酸化します。

背景

核心的な問いは、述べるのは簡単ですが答えるのは難しいものです。ナトリウム塩が存在するとき、なぜTOPConセルは湿熱下で性能を失うのか、そしてなぜ裏面パッシベーションがよりひどい打撃を受けるのか（Kyranaki et al., 2022）。

ギャップはどこにあるのか

これまでの研究のほとんどは金属コンタクト腐食に焦点を当てていましたが（Iqbal et al., 2023）、パッシベーション層自体の化学的分解を体系的に調べた人はいませんでした。前面と裏面のスタックは異なる構造で作られており — 前面はAlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ、裏面はドープされたpoly-Si上のSiNₓ — その耐食性が直接比較されたことはありませんでした（Feldmann et al., 2014）。さらに、2つの一般的な汚染物質（CH₃COONa対NaCl）は同じように振る舞うと考えられていましたが、実際はそうではありません（Li et al., 2021）。

これを正しく理解することは実際の資金に関わります。PVプラントは25年の寿命保証で販売されており（Peters et al., 2021）、湿気下で現れる裏面の故障モードはまさにその寿命を蝕むものです。

アプローチ

ワークフローは実際の生産フローに近づけて進められました：産業用TOPConセル → 表面または裏面へのナトリウム塩の局所スプレー → 加速ダンプヒート（85°C/85% RH） → 電気的および化学的特性評価 → ALD AlOₓバリアのテスト → 保護メカニズムの解明。

ここが新しい

理論面では、裏面SiNₓ層の窒素損失がVoc低下の主因であることを指摘した初の研究です。実用面では、10nmのAlOₓ層は標準的な産業用ALD装置で成膜でき、絶対効率の損失はわずか約0.01%です。また方法論的には、チームは20時間が屋外での数年の経年劣化に相当するセルレベルのDH試験を構築しました（Sen et al., 2023）。

論理の連鎖は追いやすいものです：裏面汚染が急激なVoc低下を引き起こし、それが直接パッシベーション故障を指し示します。次にXPSがSiNₓの酸化反応と、それが開くナトリウム拡散経路を確認します。AlOₓ層を追加してナトリウムをブロックすると、PLイメージングが欠陥が抑制されたことを確認します。

方法

サンプル作製

測定方法

• I-Vパラメータ（Pmax、Voc、FF、Jsc）はLOANAシステム（pv-tools）による。

• 実効少数キャリアライフタイム（τ_eff）によるパッシベーション品質。

• XPSおよびSEM-EDSによる表面化学。

結果と考察

電気的劣化

裏面側は明らかに敏感な側である。裏面へのCH₃COONaはVocを5.8%低下させ、Rₛを450%上昇させ（表1）、PL強度を37.3%減少させた（図3a）。同じ処理を表面に施した場合のPCE損失はわずか0.87%であった。同じ塩でありながら、どちらの面に作用するかで結果は大きく異なる。

パッシベーションの化学的分解

裏面のXPS測定では、Si-O結合の割合が急増し（図5b）、O/N原子比はコントロールの1.6からCH₃COONa群では53に上昇した。メカニズムは窒素の損失である — 湿熱がSiNₓを加水分解し、表面パッシベーションを破壊する。

AlOₓバリアの役割

10nmのALD AlOₓを配置した場合、裏面のCH₃COONa汚染下でのPCE損失は16%から0.4%に低下し、Vocは維持された（図6a）。SEM-EDSではAlOₓサンプルのナトリウム含有量が86%減少し（図6c）、PLでは欠陥の活性化は見られなかった（図6b）。このバリアはまさに期待通りの働きをしており、ナトリウムを遮断している。

結論

主な要点

裏面のSiNₓ層は湿熱とナトリウム塩の作用下で加水分解および酸化し、Vocを低下させRₛを上昇させる（XPS/EDSにより裏付け、図4-5）。10nmのAlOₓ層はナトリウムの拡散を遮断し、DH85でのPCE損失を1%未満に抑える（図6a）。また、表面のAlOₓ/SiOᵧNᵣ多層膜は本質的に耐腐食性があるため、そこでの汚染はほとんど影響しない。

有用性

AlOₓバリアは、Leadmicro QL200のような装置を用いたTOPConの量産に直接導入可能である。さらに将来的には、AlOₓとSiNₓを組み合わせた両面ガラスモジュール封止により、湿潤地域でのプラント寿命を延ばせる可能性がある。

背景

• TOPCon構造：トンネル酸化膜（SiO₂）とドープされたポリSiパッシベーティングコンタクトの組み合わせで、金属部での再結合を低減する（Feldmann et al., 2014）。

• ALD：層ごとのナノ薄膜成長により、均一なナノメートルスケールのAlOₓ被覆を実現する。

• DH試験：85°C/85% RHの加速劣化試験で、湿潤気候におけるモジュール劣化を模擬する。

• SiNₓパッシベーション：水素化窒化ケイ素で、反射防止と表面パッシベーションに優れるが、ダングリングボンドを持ち加水分解しやすい。

参考文献

• Tong H. et al., Mitigating contaminant-induced degradation in TOPCon solar cells via ALD AlOₓ barrier, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188

• Feldmann F. et al., Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.

• Li X. ら、NaCl を用いた TOPCon セルの加速耐湿熱試験、Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554。

• Peters I.M. ら、太陽光発電における安定性の価値、Joule 5 (2021) 3137–3153。

Ooitechの見解

ここで際立っているのは、信頼性の話のどれだけ多くがセル設計の見出しではなく、裏面パッシベーションスタックにあるかということです。実際のラインでは、追加の 10nm ALD AlOₓ ステップは湿潤気候プロジェクトにとって安価な保険であり、大した手間なく標準的なモジュール生産に組み込めます。当社はターンキーモジュールラインを端から端まで構築しているため、このような知見を注意深く見ています — 上流の小さなプロセス調整が、プラントが 25 年間持ちこたえるかどうかをしばしば左右します。工場現場からのさらなる情報をご希望なら、Ooitech YouTube チャンネル（www.youtube.com/ooitech）をフォローする価値があります。