TOPCon太陽電池におけるUVID：非接触IV測定

簡単な回答： TOPConセルのUVID研究では、非接触IV測定が用いられます。これは、劣化が曝露時間とともに進行し、測定自体が測定対象を変化させてはならないためです。セルにプローブを当ててIV測定を行うと、メタライゼーションがわずかに損傷し、これが繰り返し測定で累積して劣化曲線が読み取れなくなります。非接触法はセルを光学的に読み取るため、同じサンプルをUV曝露シーケンスを通して追跡できます。本研究のストレス条件では、60 °CでのUV曝露を120 nm、400 nm、500 nmのスペクトル範囲で行い、サンプルはUV60と指定されています。TOPConが従来のアーキテクチャより優れている点は、その表面パッシベーションとキャリア選択性にあり、UVIDはまさにこれらの特性を攻撃するメカニズムであるため、ダンプヒート性能とは別に追跡されます。

PV モジュール製造 · Jerry、Ooitech 著

はじめに

TOPCon 太陽電池は現在、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のおかげでPV市場を支配しています。しかし、屋外での運用は実際の弱点を露呈します。それはUV誘起劣化、すなわちUVIDです。UV60照射後、効率は最大6.72%低下します。

これまでの研究の多くは、UVIDを高エネルギー光子がSi–H結合を切断し自由水素を放出することに起因すると考えてきた。それは物語の一部にすぎない。太陽UVスペクトルは3.1–4.43 eVという広いエネルギー範囲に及ぶため、前面層との相互作用は単一のSi–H切断経路をはるかに超える。そして前面のAl₂O₃ / SiNₓスタックは、裏面側よりもUVに対してはるかに弱い。

非接触IVテスターはここで大いに役立つ。非破壊で、消耗品を一切使用せず、ミリ秒速度で動作し、BCおよびバスバーレス設計に対応し、IV、EQE、PLパラメータを一度に取得できる。

本研究では、ToF-SIMSと深さプロファイリングXPSを用いて、UV60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する。その知見：N–H結合の切断は、Si–Hに並ぶ第二の水素源である。アモルファスAl₂O₃中のAl–O結合はUVによって切断され、多数の酸素空孔を生成する。水素と酸素のメカニズムが重なり合い、表面再結合を悪化させ、パッシベーション信頼性を改善するための明確な方向性を与える。

実験方法

(a) TOPCon太陽電池構造の模式図 (b) 対称前面構造サンプル (c) 対称裏面構造サンプル

対称前面構造サンプル（SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ）および対称裏面構造サンプル（SiOₓ/n⁺-poly-Si層付き）を作製した。UVエージングはモジュールレベルで実施した。光源は主にUV-Aで、約11%のUV-Bを含み、60°C、湿度30%の条件下であった。

UV光源の分光放射照度

前面構造と裏面構造：UV耐性の比較

UV曝露中の対称前面および裏面構造サンプルにおける (a) 注入キャリア濃度1×10¹⁵ cm⁻³でのτeff、(b) iVoc、(c) 片面J₀の変化

対称な裏面構造は、60 kWh·m⁻²のUV曝露後もほとんど劣化しなかった。その120 nm厚のpoly-Si層はほぼすべてのUV光を吸収し、効果的な遮蔽を提供する。

表面構造は異なる結果を示した。τeffは2895.6 μsから1552.8 μsに低下した。iVocは735.5 mVから715.2 mVに低下した。片面J₀は18.4 fA·cm⁻²まで急上昇し、初期値の約3倍となった。Al₂O₃ / SiNₓパッシベーションは大きく劣化した。

化学組成の変化

UV60前後の研磨対称表面構造サンプルにおける(a)水素および(b)酸素の強度深さプロファイル（ToF-SIMS測定）

ToF-SIMSは、UV曝露後に水素濃度が明確に上昇することを示しており、特にSiNₓ層内部で顕著である。N 1s XPS深さプロファイリングは、SiNₓ / Al₂O₃界面においてN–H結合の割合が9.64%から5.97%に低下したことを示している。したがって、N–H結合の切断はSi–Hに次ぐ第二の水素源である。遊離した水素はSiNₓ表面領域に向かって拡散し、そこでシリコンと再結合する。これが、その表面付近でN–H割合が実際に上昇する理由である。

酸素も同様に重要な結果を示している。Al₂O₃層の酸素はわずかに減少し、SiNₓ/Al₂O₃およびAl₂O₃/Si界面の酸素は増加した。これはAl–O結合の切断と遊離酸素の外方への移動を示唆している。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。しかしアモルファスAl₂O₃では、配位不足のアルミニウムイオンと酸素空孔が電子をトラップして負に帯電し、隣接するAl–O結合の切断の活性化エネルギーを約2.4 eVまで低下させる。つまり400 nmのUV光（3.1 eV）でそれらを切断するのに十分である。

UV60前後のAl₂O₃/SiNₓ層の異なる界面におけるN 1s深さプロファイリングXPSスペクトル（N–Si（397.5 eV）およびN–H（399.5 eV）結合のフィッティング曲線付き）

O 1s XPSは、格子酸素（OI）が酸素空孔（OII）に変換されることを示している。Al 2pスペクトルでは、Al₂O₃の割合が69.99%から60.36%に低下し、Al–OHが30.01%から39.64%に上昇した。Si 2pスペクトルでは、Si²⁺が増加し、高原子価のシリコンが減少した。酸素空孔の形成時に放出される電子は、高酸化状態のシリコンを還元する。総合すると、酸素、アルミニウム、シリコンの結合におけるこれらの変化は、Al₂O₃膜の品質がすでに損なわれていることを示している。

電気的性能の劣化

UV60前後のTOPCon太陽電池のEQEおよび反射率曲線

UV60曝露中のTOPCon太陽電池の表面コンタクト抵抗率の変化

UV60後、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、表面再結合の増加と一致した。フロントコンタクト抵抗率はUV線量とともにほぼ直線的に上昇し、4.1 mΩ·cm²に達し、約8.6倍となった。原因は、パッシベーション層内で生成された自由水素と酸素が電極界面に拡散し、酸化還元反応に関与することである。UV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、これらが協働して金属電極を腐食する。

UV60曝露中の電気的性能劣化率：(a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff

Vocは相対的に3.46%低下し、表面パッシベーションの劣化とJ₀の上昇に起因した。FFは2.82%低下し、フロントコンタクト抵抗率の上昇に起因した。Jscはわずか0.64%の低下にとどまり、短波長EQE損失が限定的であったためである。最終的な光電変換効率の損失は6.72%に達した。

結論

TOPConセルのフロントSiNₓ/Al₂O₃構造は、リア構造に比べてUVに対してはるかに弱い。UV下では、Si–H結合とN–H結合が順に切断され、自由水素が放出される。アモルファスAl₂O₃中のAl–O結合はUV下で切断され、自由酸素が放出され、多数の酸素空孔が生成される。Al₂O₃はAl–OHへと変化し、ケイ素の価数がシフトする。これら二つの劣化メカニズム、水素と酸素が重なり合い、表面再結合を悪化させる。さらにフロントコンタクト抵抗率の急上昇が加わり、結果として6.72%の効率損失となる。本研究は、TOPCon UVIDの理解とパッシベーション層の長期信頼性向上に有用な参考資料を提供する。

Ooitechの見解

UVIDは、フロントスタックこそが信頼性の真の試練の場であることを証明し続けており、モジュールラインにおけるSiNₓ/Al₂O₃の成膜と封止の構築・制御方法は、セルレシピと同様に重要である。当社のターンキーTOPConおよびPERCモジュールラインでは、レイアップ、ラミネーション、ELの側面で同じ教訓が現実のものとなっており、小さなプロセス選択がパネルが屋外で何年も持ちこたえられるかを決定する。工場現場からのより実践的な見解をお求めなら、Ooitech YouTubeチャンネルはこちら： www.youtube.com/ooitech はフォローする価値があります。

関連: TOPCon UVIDとr-UVID / ir-UVIDの分割 同じモジュールでも測定時期によって読み取り値が異なる理由を説明します。

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）