Onderzoeksachtergrond

TOPCon is een van de mainstream technologieën geworden in de kristallijne-silicium fotovoltaïsche industrie. Hoge efficiëntie betekent echter niet automatisch langdurige stabiliteit. Verschillen in ultraviolet-geïnduceerde degradatie, of UVID, zijn gerapporteerd voor verschillende zonnecelstructuren. TOPCon-, PERC- en HJT-cellen kunnen allemaal worden beïnvloed, maar de degradatielocaties en dominante mechanismen zijn niet exact hetzelfde.

Eerdere discussies over UV-degradatie richtten zich vaak op hoogenergetische fotonen die Si-H-bindingen verbreken, gevolgd door waterstofvrijgave en veranderingen in interface-passivering. Het ultraviolette spectrum in een echte PV-moduleomgeving is niet beperkt tot één golflengte. Het verlichte frontoppervlak bevat ook verschillende gekoppelde regio's, waaronder SiNx, Al2O3, de boron-emitter en metaalcontacten. De auteurs stellen daarom dat UV-degradatie in TOPCon-cellen niet alleen via waterstofgedrag moet worden bestudeerd. Zuurstofmigratie en contactinterfaces zijn ook van belang.

Een detail is gemakkelijk over het hoofd te zien. Moduleglas filtert meestal het grootste deel van UVB-straling, maar het beschermt het verlichte celoppervlak niet volledig tegen ultraviolette blootstelling. Het spectrum dat in het artikel wordt besproken, wordt gedomineerd door UVA, maar bevat nog steeds ongeveer 11% UVB. De auteurs gebruikten niet-ingekapselde monsters. Het experiment is daarom niet gelijk aan veroudering van een complete module buitenshuis, maar het helpt om de UV-gevoelige regio's op het frontoppervlak van de cel te versterken en te scheiden.

Dit artikel kan beter worden gelezen als een onderzoek naar faalmechanismen dan als een certificeringsstudie voor modulelevensduur. Het relatieve efficiëntieverlies van 6,72% na UV60 mag niet direct worden omgezet in een verwacht vermogensverlies van de module in het veld. Het belangrijkste punt is hoe de auteurs verschillende karakteriseringsmethoden gebruiken om schade aan de front-surface passivering, grensvlakoxidatie en degradatie van metaalcontacten met elkaar te verbinden.

Experimentele Methode

De studie gebruikte commerciële half-cut TOPCon-cellen van 182 mm × 105 mm. De cellen waren gemaakt van n-type Czochralski-monokristallijn silicium met een soortelijke weerstand van ongeveer 1,0 Ω·cm en een waferdikte van ongeveer 130 μm. Om de UV-bestendigheid van de voor- en achterstructuren te vergelijken, bereidden de onderzoekers ook symmetrische front-surface monsters en symmetrische rear-surface monsters.

De frontstructuur bestond uit SiNx/Al2O3. De achterstructuur bestond uit SiOx/n+ poly-Si/Al2O3/SiNx. De belangrijkste filmlagen die in het artikel worden vermeld, staan hieronder.

De onderzoekers vergeleken de minderheidsdragerlevensduur, de geïmpliceerde openklemspanning en J0 voor en na blootstelling om de passiveringsstabiliteit te evalueren. Time-of-flight secundaire ionenmassaspectrometrie, of ToF-SIMS, werd gebruikt om de diepteverdeling van waterstof en zuurstof te volgen. Röntgenfoto-elektronenspectroscopie, of XPS, diepteprofilering werd toegepast om de chemische toestanden van N 1s, O 1s, Al 2p en Si 2p te analyseren. EQE-, TLM- en I-V-metingen verbonden vervolgens de veranderingen in de dunne film met elektrische verliezen op celniveau.

De kracht van deze experimentele opzet ligt in het gecombineerde gebruik van complete cellen en symmetrische structuren. Complete cellen laten zien hoe efficiëntie, Voc, Jsc, vulfactor en contactweerstand veranderen. De symmetrische voor- en achterzijde monsters verminderen interferentie van de rest van de celstructuur, waardoor het gemakkelijker wordt om te identificeren welke passiveringszijde gevoeliger is voor UV-blootstelling.

Figuur 1: Schematische weergave van de TOPCon-cel, symmetrische vooroppervlakstructuur en symmetrische achteroppervlakstructuur. De symmetrische monsters maken het mogelijk om de UV-bestendigheid van de front SiNx/Al2O3-stapel en het achterste poly-Si passiverende contact afzonderlijk te vergelijken.

De UV-blootstellingsomstandigheden moeten ook op zichzelf worden beschouwd. De studie gebruikte een ultravioletintensiteit van 300 W/m², een temperatuur van 60°C, relatieve luchtvochtigheid van 30% en een maximale cumulatieve dosis van 60 kWh/m². Het spectrum was voornamelijk geconcentreerd in het UVA-bereik, met een kleinere UVB-component. Dit is geconcentreerder dan normale buitenblootstelling en geschikt voor het versnellen van waarneembare chemische veranderingen op het vooroppervlak in een laboratoriumomgeving.

Figuur 2: Ultraviolet spectrum gebruikt in het experiment. Het spectrum wordt gedomineerd door UVA en bevat een kleinere UVB-component, waardoor het effect van fotonen met hogere energie op de front passiveringslagen kan worden waargenomen.

Resultaten en Discussie

De Frontstructuur is Duidelijk Gevoeliger voor UV dan de Achterstructuur

Figuur 3 biedt de meest directe vergelijking tussen de twee structuren. De symmetrische achterstructuur vertoonde slechts kleine veranderingen na UV60. De symmetrische frontstructuur bleef degraderen naarmate de UV-dosis toenam. Volgens het artikel daalde de gemiddelde levensduur van de frontmonsters van 2895,6 μs naar 1552,8 μs. De geïmpliceerde openklemspanning daalde van 735,5 mV naar 715,2 mV. De enkelzijdige J0 steeg tot 18,4 fA/cm², ongeveer drie keer de initiële waarde.

Deze resultaten geven aan dat het belangrijkste probleem onder UV60 niet de instabiliteit van het achterste TOPCon poly-Si passiverende contact was. Het was de verslechtering van de passiveringskwaliteit in de verlichte front-side SiNx/Al2O3-structuur. De auteurs schrijven de relatieve stabiliteit van de achterkant toe aan UV-absorptie door de 120 nm poly-Si-laag. Dit is een redelijk mechanisme op basis van de structuur en de optische absorptie-eigenschappen, hoewel het een interpretatie op mechanismeniveau blijft.

De drie parameters ondersteunen dezelfde conclusie vanuit verschillende richtingen. Lagere levensduur en lagere iVoc wijzen op sterkere oppervlakterecombinatie. De toename in J0 levert directer bewijs van verhoogde recombinatiestroom. De auteurs vertrouwden niet op één enkele indicator. Levensduur, spanning en recombinatiestroom tonen allemaal verslechtering van de frontstructuur, terwijl de groene curven die de achterstructuur vertegenwoordigen grotendeels stabiel blijven.

Figuur 3: Veranderingen in levensduur, geïmpliceerde openklemspanning en J0 voor de front- en achterstructuren onder UV-blootstelling. De rode frontstructuurcurven vertonen grotere degradatie, wat de verlichte SiNx/Al2O3-passiveringsstapel identificeert als het belangrijkste zwakke punt.

ToF-SIMS Toont Herverdeling van Zowel Waterstof als Zuurstof

De ToF-SIMS-diepteprofielen tonen aan dat frontoppervlakdegradatie niet door slechts één element wordt veroorzaakt. In Figuur 4a neemt de waterstofconcentratie toe na UV60, vooral in de SiNx-laag. De auteurs suggereren dat dit niet alleen het gevolg kan zijn van het vaak besproken verbreken van Si-H-bindingen, maar ook van het verbreken van N-H-bindingen in SiNx.

Figuur 4b laat zien dat de zuurstofverdeling ook verandert. De zuurstofconcentratie in de Al2O3-laag neemt licht af, terwijl deze toeneemt nabij de SiNx/Al2O3- en Al2O3/Si-grensvlakken. De auteurs interpreteren dit als een gevolg van het verbreken van Al-O-bindingen in Al2O3, gevolgd door diffusie van vrijgekomen zuurstof naar de SiNx-laag en het siliciumoppervlak.

Het belangrijkste punt is niet simpelweg dat er meer zuurstof is. Zuurstof verlaat zijn oorspronkelijke rooster- of bindingsomgeving en verandert de chemische toestand van de grensvlakken.

De locatie van elke curveverandering is van belang. Het sterkere waterstofsignaal in de SiNx-regio toont aan dat de bovenste passiveringsfilm direct betrokken is bij de reactie. De zuurstofveranderingen nabij de grensvlakken wijzen op chemische instabiliteit tussen Al2O3 en de aangrenzende lagen. Samen helpen deze resultaten verklaren waarom frontoppervlakdegradatie zowel de passiveringskwaliteit als de uiteindelijke elektrische output beïnvloedt.

Figuur 4: ToF-SIMS diepteverdelingen van waterstof en zuurstof voor en na UV60. Waterstof neemt toe in de passiveringsstapel, terwijl zuurstof wordt herverdeeld nabij de interfaces, wat aanwijzingen geeft voor de chemische-bindingveranderingen die later door XPS zijn geïdentificeerd.

XPS verbindt N-H-bindingbreuk, zuurstofvacatures en toegenomen Al-OH

De gefitte N 1s XPS-spectra tonen aan dat het aandeel N-H-bindingen aan het SiNx/Al2O3-grensvlak daalde van 9,64% naar 5,97%. Dit ondersteunt de conclusie van de auteurs dat N-H-bindingen ook deelnemen aan waterstofvrijgave. Tegelijkertijd nam het N-H-signaal nabij het SiNx-oppervlak toe, wat suggereert dat een deel van de vrijgekomen waterstof naar het SiNx-gebied kan migreren en daar nieuwe bindingen kan vormen.

De O 1s-veranderingen zijn een van de meest onderscheidende delen van de studie. De auteurs splitsten het O 1s-signaal op in roosterzuurstof, zuurstofvacature-gerelateerde componenten en oppervlaktegeadsorbeerde zuurstof. Na UV60 nam het aandeel zuurstofvacature-gerelateerde pieken toe aan zowel het SiNx/Al2O3- als het Al2O3/Si-grensvlak. Dit wijst op schade aan de kwaliteit van de Al2O3-film.

Het bewijs breidt het degradatiemechanisme uit voorbij waterstof-geïnduceerd passiveringsverlies. Waterstof-gerelateerde en zuurstof-gerelateerde degradatie lijken samen te werken, waardoor de recombinatie aan het vooroppervlak toeneemt.

ToF-SIMS en XPS bieden verschillende soorten informatie. ToF-SIMS is beter geschikt om te laten zien waar elementen zijn verdeeld over de diepte van de filmstapel. XPS helpt bij het bepalen van de chemische toestand van die elementen. De N-Si- en N-H-fitting in de N 1s-spectra, samen met de roosterzuurstof- en zuurstofvacature-gerelateerde componenten in de O 1s-spectra, brengt de analyse van elementaire locatie naar veranderingen in chemische binding.

De auteurs wijzen erop dat Al-O-bindingen relatief hoge bindingsenergie hebben in ideaal kristallijn Al2O3. Echte zonnecelpassiveringsfilms zijn echter meestal amorf. Ondergecoördineerde aluminiumionen en zuurstofvacatures kunnen de lokale energiebarrière voor bindingbreuk verlagen. Om deze reden kunnen zelfs fotonen bij de langste golflengte van het experiment van 400 nm, overeenkomend met ongeveer 3,1 eV, Al-O-gerelateerde structuurveranderingen veroorzaken in een defectrijke omgeving. Deze interpretatie koppelt dunnefilmdefecten direct aan UV-gevoeligheid.

Figuur 5: Gefitte N 1s- en O 1s XPS-spectra. Veranderingen in N-H-binding corresponderen met waterstofvrijgave en -migratie. De toegenomen zuurstofvacature-gerelateerde component in de O 1s-spectra duidt op afnemende Al2O3-passiveringskwaliteit.

Al2O3 is geen volledig stabiele omstander

Figuur 7 volgt verder Al 2p en Si 2p op het Al2O3/Si grensvlak. Na UV60 daalde het aandeel dat aan de Al2O3-component wordt toegewezen van 69,99% naar 60,36%, terwijl Al-OH toenam van 30,01% naar 39,64%. Dit duidt op een duidelijke omzetting van Al-O-gerelateerde structuren onder ultraviolette belichting.

De Si 2p-resultaten tonen het verschijnen en toenemen van Si2+ na UV60, terwijl de componenten die verband houden met Si, Si3+ en Si4+ afnemen. Op basis van deze resultaten stellen de auteurs voor dat vrije zuurstof die naar het Al2O3/Si grensvlak diffundeert, silicium kan oxideren terwijl zuurstofvacatures in de Al2O3-laag worden gevormd. De XPS-spectra ondersteunen deze interpretatie, hoewel directe in-situ karakterisering nog nodig zou zijn om de exacte reactieroute te bevestigen.

Deze bevinding is belangrijk voor de betrouwbaarheid van het TOPCon-frontoppervlak. Al2O3 is bedoeld om veldeffectpassivering en grensvlakstabiliteit te bieden. Zodra Al-O-gerelateerde structuren beginnen om te zetten in Al-OH, vergezeld van een hogere zuurstofvacatureconcentratie, is de film niet langer alleen een beschermende laag. Het kan zelf onderdeel worden van de degradatiereactie. Veranderingen in de oxidatietoestanden van silicium geven ook aan dat de grensvlakchemie is veranderd.

Figuur 6: Veranderingen in de Al 2p- en Si 2p-XPS-spectra op het Al2O3/Si grensvlak. De omzetting van Al2O3-gerelateerde structuren naar Al-OH en de veranderingen in de oxidatietoestanden van silicium tonen aan dat zuurstofgerelateerde reacties deelnemen aan de degradatie van het frontoppervlak.

Elektrische verliezen verschijnen uiteindelijk in Voc en vulfactor

Zodra de chemische toestand van de passiveringsstapel verandert, worden de elektrische effecten op celniveau duidelijk. In Figuur 8 blijft de EQE grotendeels stabiel in het midden- en langegolfgebied, maar neemt af onder 500 nm. De reflectiviteit blijft vrijwel onveranderd. Dit suggereert dat het verlies in kortegolfrespons voornamelijk wordt veroorzaakt door sterkere recombinatie aan het frontoppervlak, in plaats van een plotselinge verslechtering van texturering, antireflectieprestaties of optische absorptie.

Figuur 7: EQE- en reflectiecurven voor en na UV60. De reflectiviteit blijft vrijwel stabiel terwijl de kortegolf-EQE afneemt, wat aangeeft dat het stroomresponsverlies voornamelijk verband houdt met verhoogde recombinatie aan het frontoppervlak.

De afname van de EQE bij korte golflengten komt overeen met de eerdere toename in J0. Licht met een korte golflengte wordt dicht bij het vooroppervlak van de cel geabsorbeerd. Als de passivering van het vooroppervlak beschadigd is, zullen de in dit gebied gegenereerde ladingsdragers waarschijnlijker recombineren voordat ze worden verzameld. Het verlies verschijnt daarom eerst in het EQE-bereik van korte golflengten. Licht met middellange en lange golflengten dringt dieper door in de bulk of naar de achterzijde, dus de overeenkomstige responsveranderingen zijn kleiner.

TLM-metingen tonen aan dat de contactweerstand van het voorcontact bijna lineair toenam met de UV-dosis. Na UV60 bereikte deze 4,1 mΩ·cm², ongeveer 8,6 keer de initiële waarde. De auteurs suggereren dat vrije waterstof, vrije zuurstof en reactieve radicalen die tijdens UV-blootstelling worden geproduceerd, kunnen deelnemen aan reacties op het grensvlak van de metaalelektrode, waardoor de contactweerstand toeneemt. Deze verklaring is consistent met de weerstandsmetingen, hoewel de exacte reactieproducten op het elektrode-grensvlak nog meer direct chemisch bewijs vereisen.

Figuur 8: De contactweerstand van het voorcontact neemt toe met de UV-blootstellingsdosis. Na UV60 is de contactweerstand ongeveer 8,6 keer de initiële waarde, wat een belangrijke bijdrage levert aan het verlies van de vulfactor.

De uiteindelijke relatieve degradatie van de celparameters werd als volgt gerapporteerd.

De centrale elektrische conclusie is duidelijk. Onder UV60 komen de belangrijkste TOPCon-verliezen niet van stroomvermindering. Ze komen van Voc-verlies veroorzaakt door degradatie van de vooroppervlakpassivering en vulfactorverlies geassocieerd met verhoogde contactweerstand van het voorcontact.

Dit verklaart ook waarom alleen naar Jsc kijken het UV-degradatierisico kan onderschatten. De EQE bij korte golflengten verandert, maar de totale Jsc neemt slechts met 0,64% af. Recombinatie- en contactproblemen veroorzaken het grotere efficiëntieverlies. In hoogrendement TOPCon-cellen zijn Voc en vulfactor zeer gevoelig voor interfacekwaliteit, passiveringstoestand en metaalcontactprestaties. Deze parameters kunnen eerder betrouwbaarheidszwaktes blootleggen dan Jsc.

Figuur 9: Relatieve degradatie van Voc, Jsc, vulfactor en efficiëntie onder UV60. De efficiëntie neemt af met 6,72%, voornamelijk gedreven door Voc- en vulfactorverliezen, terwijl de Jsc-verandering relatief klein blijft.

Mechanisme en toepassingsbeoordeling

Het voorgestelde mechanisme kan als volgt worden samengevat: UV-blootstelling verandert de bindingsstoestanden in de voorste SiNx/Al2O3-structuur. Si-H- en N-H-bindingen breken en geven waterstof vrij. Al-O-gerelateerde structuren worden getransformeerd en er ontstaan zuurstofvacatures. Vrije zuurstof migreert naar de grensvlakken, de recombinatie aan het vooroppervlak neemt toe en elektrochemische reacties rond het contactgebied kunnen de contactweerstand aan de voorzijde verhogen.

De levensduur, iVoc, J0, EQE, TLM en I-V-resultaten leveren direct bewijs voor de elektrische degradatie. ToF-SIMS en XPS ondersteunen de migratie van waterstof en zuurstof, evenals de gerelateerde veranderingen in chemische binding. De interpretatie van het metaalelektrode-grensvlak vereist meer voorzichtigheid. Het artikel leidt dit mechanisme voornamelijk af uit een hogere contactweerstand en bevindingen uit eerdere studies. Elementaire verdeling, chemische toestandmetingen of dwarsdoorsnede-analyse van het elektrode-grensvlak zouden nodig zijn voor sterkere bevestiging.

Voor industriële productie is het artikel een herinnering dat de UV-betrouwbaarheid van TOPCon niet alleen kan worden geëvalueerd via initieel celrendement. Verschillende factoren kunnen de energieprestaties op lange termijn beïnvloeden:

• De materiaalkwaliteit van de voorste SiNx/Al2O3-passiveringsstapel

• Waterstofconcentratie en de stabiliteit van Si-H- en N-H-bindingen

• Zuurstofvacatureconcentratie in de Al2O3-laag

• Stabiliteit van het metaalcontact-grensvlak

• UVA- en UVB-filtering door moduleglas en encapsulanten

• Interacties tussen ultraviolette straling, vocht, warmte, mechanische spanning en elektrische velden

Wanneer dit onderzoek op moduleniveau wordt beschouwd, zal het werkelijke spectrum dat de cel bereikt opnieuw worden gefilterd door het glas en de encapsulatiefilm. Vocht, thermische spanning en elektrische velden zullen ook deelnemen aan veroudering. De in het artikel gerapporteerde mechanismen zijn daarom nuttiger als richtingen voor materiaal- en procesoptimalisatie dan als vervanging voor IEC-testen of langetermijnveldgegevens buitenshuis.

Een waardevolle volgende stap zou zijn om niet-geëncapsuleerde cellen, geëncapsuleerde mini-modules en buiten blootgestelde modules binnen hetzelfde validatiekader te evalueren. Dat zou het gemakkelijker maken om te bepalen welke chemische veranderingen belangrijk blijven na realistische spectrale filtering en omgevingskoppeling.

Mogelijke richtingen voor procesoptimalisatie zijn onder meer:

• Verminderen van onstabiele waterstofbronnen in de voorste SiNx/Al2O3-stapel

• Verbeteren van het amorfe Al2O3-netwerk en beheersen van zuurstofvacatures

• Optimaliseren van vuur- en metallisatieomstandigheden voor een betere stabiliteit van het contact-interface

• Verbeteren van de weerstand tegen oxidatiegerelateerde reacties rond het frontmetaalcontact

• Selecteren van encapsulatiematerialen die de directe impact van hoogenergetisch UV op het celoppervlak verminderen

Het artikel biedt geen volledige oplossing. Het definieert de grenzen van het probleem duidelijker en toont aan dat frontoppervlakpassivering en contactengineering samen moeten worden overwogen.

Onderzoeksconclusie: Wat moet er nu worden opgelost

Door UV60-blootstellingstests tonen de auteurs aan dat de front SiNx/Al2O3-structuur van TOPCon-cellen kwetsbaarder is voor ultraviolet-geïnduceerde degradatie dan de achterste poly-Si passiverende contact. De degradatie wordt niet veroorzaakt door één geïsoleerde factor. Waterstofgerelateerde processen, zuurstofgerelateerde processen en verhoogde frontcontactweerstand dragen allemaal bij.

Het belang van dit werk ligt in het uitbreiden van de verklaring van TOPCon UV-degradatie voorbij alleen Si-H-bindingbreuk. Het presenteert een breder kader van chemische evolutie van het frontoppervlak. Het verminderen van UVID-risico zal waarschijnlijk een gecoördineerde optimalisatie vereisen van de frontpassiveringsstapel, interface-zuurstofvacatures, waterstofbeheer, metallisatiecontacten en UV-filtering door moduleverpakking. Het aanpassen van slechts één filmparameter is mogelijk niet voldoende.

De beperkingen moeten duidelijk blijven. De monsters waren niet ingekapseld onder de gerapporteerde UV-omstandigheden, en een deel van het voorgestelde metaalcontact-degradatiemechanisme is nog steeds inferentieel. De meest zorgvuldige interpretatie is dat het artikel een duidelijke relatie aantoont tussen chemische samenstellingsevolutie en elektrische degradatie op het TOPCon-frontoppervlak onder UV-blootstelling. Het biedt ook specifieke doelen voor toekomstige studies van langetermijnbetrouwbaarheid na inkapseling.

Referentie

Lou, X., Yang, N., Fu, Z., Chen, D., Chen, Y., & Verlinden, P. J. (2026). Chemical composition evolution and electrical performance degradation of TOPCon solar cells under UV exposure. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 1–9.

Ooitech's Visie

De praktische boodschap is eenvoudig: frontpassivering en metallisatie moeten worden behandeld als één betrouwbaarheidssysteem, niet als afzonderlijke processtappen. Een stabiele initiële Voc is niet voldoende als UV-blootstelling de Al2O3-chemie kan veranderen en de frontcontactweerstand gestaag kan verhogen. Toekomstige validatie moet cel-niveau UV-testen verbinden met ingekapselde mini-module testen onder realistische glas- en encapsulantspectra.