TOPCon太陽電池のUVID：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
はじめに
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、現在PV市場を支配しています。しかし、屋外運用ではUV誘起劣化（UVID）という実際の弱点が露呈します。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の原因を高エネルギーフォトンがSi-H結合を切断し、遊離水素を放出することにあるとしていました。しかし、それは話の一部に過ぎません。太陽UVスペクトルは3.1〜4.43 eVの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ます。また、前面のAl₂O₃ / SiNₓスタックは、裏面よりもUVに対してはるかに弱いのです。
非接触IVテスターはここで大いに役立ちます。非破壊で、消耗品ゼロ、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ます。
この研究では、ToF-SIMSと深さ方向プロファイリングXPSを使用して、UV60前後のAl₂O₃ / SiNₓ層の元素分布と化学結合の変化を追跡します。発見：N-H結合切断はSi-Hに加えて2番目の水素源です。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します。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向上の明確な方向性を示します。
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）と対称裏面構造サンプル（SiOₓ/n⁺-poly-Si層を含む）を準備しました。UVエージングはモジュールレベルで実施しました。光源は主にUV-Aで約11%のUV-Bを含み、60°C、30%湿度の条件下でした。
UV光源の分光放射照度
前面と裏面の構造：UV耐性の比較
UV曝露中の対称前面・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ませんでした。厚さ120 nmのポリSi層がUV光をほぼ全て吸収し、効果的な遮蔽を提供します。
表面構造は異なる結果を示しました。τeff は2895.6 μsから1552.8 μsに低下しました。iVoc は735.5 mVから715.2 mVに低下しました。片面のJ₀ は初期値の約3倍にあたる18.4 fA·cm⁻² に急増しました。Al₂O₃ / SiNₓ パッシベーションは大きく劣化しました。
化学組成の変化
UV60前後の研磨された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による測定）
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 層内で顕著です。N 1s XPS深さプロファイリングにより、SiNₓ / Al₂O₃ 界面でのN–H結合の割合が9.64%から5.97%に低下しました。つまり、N–H結合の切断がSi–Hに加えて2番目の水素源となります。放出された水素は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ため、その表面付近ではN–Hの割合が実際に上昇します。
酸素も同様に重要な役割を果たします。Al₂O₃ 層内の酸素はわずかに減少しましたが、SiNₓ/Al₂O₃ およびAl₂O₃/Si界面の酸素は増加しました。これはAl–O結合が切断され、遊離酸素が外側に移動する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。しかし、非晶質Al₂O₃ では、配位数の低いアルミニウムイオンと酸素空孔が電子を捕獲して負に帯電し、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まで低下させます。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す。
UV60前後のAl₂O₃/SiNₓ 層の異なる界面におけるN 1s深さプロファイル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ます。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スペクトルでは、Si²⁺ が増加し、高原子価のシリコンが減少しました。酸素空孔の形成時に放出された電子が、高酸化状態のシリコンを還元します。これらを総合すると、酸素、アルミニウム、シリコンの結合状態の変化は、Al₂O₃ 膜の品質がすでに損なわれていることを示しています。
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太陽電池の前面コンタクト抵抗率の変化
UV60後、反射率は基本的に変化しませんでした。EQEは500 nm以下の短波長領域で中程度の低下を示し、より強い前面表面再結合と一致しました。前面コンタクト抵抗率はUV線量とほぼ線形に上昇し、4.1 mΩ·cm²に達し、約8.6倍高くなりました。原因：パッシベーション層で生成された遊離水素と酸素が電極界面に拡散し、酸化還元反応に関与します。UVはまた、銀表面の水分子をヒドロキシルラジカルに変換し、これらが一緒になって金属電極を腐食させます。
UV60曝露中の電気性能劣化率：(a) Voc (b) Jsc (c) FF (d) Eff
Vocは相対的に3.46%低下し、前面表面パッシベーションの劣化とJ₀の上昇が原因です。FFは2.82%低下し、前面コンタクト抵抗率の上昇が原因です。Jscは短波長EQE損失が限定的だったため、わずか0.64%の低下にとどまりました。最終的な光電変換効率損失は6.72%に達しました。
結論
TOPConセルの前面SiNₓ/Al₂O₃構造は、UVに対して後面構造よりもはるかに弱いです。UV下では、Si–HおよびN–H結合が順に切断され、遊離水素が放出されます。非晶質Al₂O₃中のAl–O結合はUV下で切断され、遊離酸素を放出し、多数の酸素空孔を生成します。Al₂O₃はAl–OHへと変換され、シリコンの価数がシフトします。これら水素と酸素の2つの劣化メカニズムが重なり、表面再結合を悪化させます。前面コンタクト抵抗率の急激な上昇が加わり、結果として6.72%の効率損失が生じます。この研究は、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情報を提供します。
Ooitechの見解
UVIDは、前面スタックが信頼性が実際に試される場所であることを証明し続けています。そのため、モジュールラインでのSiNₓ/Al₂O₃成膜と封止の構築と制御方法は、セルレシピと同じくらい重要です。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側で同じ教訓が見られます。小さなプロセス選択が、パネルが屋外で何年も持つかどうかを決定します。工場現場からのより実践的な視点が必要な場合は、Ooitech YouTubeチャンネルをご覧ください： www.youtube.com/ooitech をフォローする価値があります。
