ภูมิหลังการวิจัย

TOPCon ได้กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีหลักในอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนผลึก ประสิทธิภาพสูงไม่ได้หมายถึงความเสถียรในระยะยาวโดยอัตโนมัติ มีรายงานความแตกต่างของการเสื่อมสภาพที่เกิดจากรังสียูวี (UVID) ในโครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์หลายแบบ เซลล์ TOPCon, PERC และ HJT อาจได้รับผลกระทบทั้งหมด แต่ตำแหน่งการเสื่อมสภาพและกลไกหลักไม่เหมือนกันทุกประการ

การอภิปรายในอดีตเกี่ยวกับการเสื่อมสภาพจากรังสียูวีมักเน้นที่โฟตอนพลังงานสูงที่ทำลายพันธะ Si-H ตามด้วยการปล่อยไฮโดรเจนและการเปลี่ยนแปลงในการพาสซิเวชันที่อินเทอร์เฟซ สเปกตรัมรังสียูวีที่พบในสภาพแวดล้อมจริงของโมดูล PV ไม่ได้จำกัดอยู่ที่ความยาวคลื่นเดียว พื้นผิวด้านหน้าที่ถูกส่องสว่างยังประกอบด้วยบริเวณที่เชื่อมต่อกันหลายส่วน รวมถึง SiNx, Al2O3, อิมิตเตอร์โบรอน และหน้าสัมผัสโลหะ ดังนั้นผู้เขียนจึงโต้แย้งว่าการเสื่อมสภาพจากรังสียูวีในเซลล์ TOPCon ไม่ควรศึกษาเฉพาะพฤติกรรมของไฮโดรเจนเท่านั้น การเคลื่อนที่ของออกซิเจนและอินเทอร์เฟซสัมผัสก็มีความสำคัญเช่นกัน

รายละเอียดหนึ่งที่มองข้ามได้ง่ายคือ แก้วโมดูลมักจะกรองรังสี UVB ส่วนใหญ่ แต่ไม่ได้ป้องกันพื้นผิวเซลล์ที่ถูกส่องสว่างจากการสัมผัสรังสียูวีอย่างสมบูรณ์ สเปกตรัมที่กล่าวถึงในงานวิจัยถูกครอบงำโดย UVA ในขณะที่ยังมี UVB ประมาณ 11% ผู้เขียนใช้ตัวอย่างที่ไม่ได้ห่อหุ้ม การทดลองจึงไม่เทียบเท่ากับการเสื่อมสภาพกลางแจ้งของโมดูลที่สมบูรณ์ แต่ช่วยขยายและแยกบริเวณที่ไวต่อรังสียูวีบนพื้นผิวด้านหน้าของเซลล์

เอกสารนี้ควรอ่านในฐานะการสอบสวนกลไกความล้มเหลวมากกว่าการศึกษาการรับรองอายุการใช้งานของโมดูล การสูญเสียประสิทธิภาพสัมพัทธ์ 6.72% หลังจาก UV60 ไม่ควรแปลงโดยตรงเป็นการสูญเสียกำลังของโมดูลกลางแจ้งที่คาดหวัง ประเด็นที่สำคัญกว่าคือผู้เขียนใช้วิธีการจำแนกลักษณะที่แตกต่างกันอย่างไรเพื่อเชื่อมต่อความเสียหายของการพาสซีฟพื้นผิวด้านหน้า การเกิดออกซิเดชันของอินเทอร์เฟซ และการเสื่อมสภาพของหน้าสัมผัสโลหะ

วิธีการทดลอง

การศึกษานี้ใช้เซลล์ TOPCon แบบ half-cut เชิงพาณิชย์ขนาด 182 มม. × 105 มม. เซลล์ทำจากซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ชนิด n แบบ Czochralski ที่มีความต้านทานประมาณ 1.0 Ω·cm และความหนาของเวเฟอร์ประมาณ 130 μm เพื่อเปรียบเทียบความต้านทาน UV ของโครงสร้างด้านหน้าและด้านหลัง นักวิจัยยังเตรียมตัวอย่างพื้นผิวด้านหน้าแบบสมมาตรและตัวอย่างพื้นผิวด้านหลังแบบสมมาตร

โครงสร้างด้านหน้าประกอบด้วย SiNx/Al2O3 โครงสร้างด้านหลังประกอบด้วย SiOx/n+ poly-Si/Al2O3/SiNx ความหนาของฟิล์มหลักที่รายงานในเอกสารแสดงไว้ด้านล่าง

นักวิจัยเปรียบเทียบอายุการใช้งานของพาหะส่วนน้อย แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดโดยนัย และ J0 ก่อนและหลังการสัมผัสเพื่อประเมินความเสถียรของการพาสซีฟ ใช้เทคนิค Time-of-flight secondary ion mass spectrometry หรือ ToF-SIMS เพื่อติดตามการกระจายเชิงลึกของไฮโดรเจนและออกซิเจน ใช้เทคนิค X-ray photoelectron spectroscopy หรือ XPS depth profiling เพื่อวิเคราะห์สถานะทางเคมีของ N 1s, O 1s, Al 2p และ Si 2p จากนั้นการวัด EQE, TLM และ I-V เชื่อมต่อการเปลี่ยนแปลงของฟิล์มบางกับการสูญเสียทางไฟฟ้าในระดับเซลล์

จุดแข็งของการออกแบบการทดลองนี้อยู่ที่การใช้เซลล์สมบูรณ์และโครงสร้างสมมาตรร่วมกัน เซลล์สมบูรณ์แสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพ, Voc, Jsc, fill factor และความต้านทานสัมผัสเปลี่ยนแปลงอย่างไร ตัวอย่างด้านหน้าและด้านหลังแบบสมมาตรช่วยลดการรบกวนจากส่วนอื่นของโครงสร้างเซลล์ ทำให้ระบุได้ง่ายขึ้นว่าด้านพาสซิเวชันใดไวต่อการสัมผัสรังสียูวีมากกว่า

รูปที่ 1: แผนผังของเซลล์ TOPCon, โครงสร้างพื้นผิวด้านหน้าแบบสมมาตร และโครงสร้างพื้นผิวด้านหลังแบบสมมาตร ตัวอย่างแบบสมมาตรช่วยให้สามารถเปรียบเทียบความต้านทานรังสียูวีของชั้น SiNx/Al2O3 ด้านหน้าและหน้าสัมผัสพาสซิเวต poly-Si ด้านหลังแยกกันได้

เงื่อนไขการสัมผัสรังสียูวีก็ต้องพิจารณาแยกกันด้วย การศึกษาใช้ความเข้มรังสียูวี 300 W/m², อุณหภูมิ 60°C, ความชื้นสัมพัทธ์ 30% และปริมาณรังสีสะสมสูงสุด 60 kWh/m² สเปกตรัมเน้นในช่วง UVA เป็นหลัก โดยมีส่วนประกอบ UVB เล็กน้อย ซึ่งมีความเข้มข้นมากกว่าการสัมผัสกลางแจ้งทั่วไป และเหมาะสมสำหรับการเร่งการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่สังเกตได้บนพื้นผิวด้านหน้าในห้องปฏิบัติการ

รูปที่ 2: สเปกตรัมรังสียูวีที่ใช้ในการทดลอง สเปกตรัมถูกครอบงำโดย UVA และมีส่วนประกอบ UVB เล็กน้อย ทำให้สามารถสังเกตผลของโฟตอนพลังงานสูงต่อชั้นพาสซิเวชันด้านหน้าได้

ผลลัพธ์และการอภิปราย

โครงสร้างด้านหน้าไวต่อรังสียูวีมากกว่าโครงสร้างด้านหลังอย่างชัดเจน

รูปที่ 3 ให้การเปรียบเทียบโดยตรงที่สุดระหว่างสองโครงสร้าง โครงสร้างด้านหลังแบบสมมาตรแสดงการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยหลังจาก UV60 โครงสร้างด้านหน้าแบบสมมาตรยังคงเสื่อมสภาพเมื่อปริมาณรังสียูวีเพิ่มขึ้น ตามรายงาน อายุเฉลี่ยของตัวอย่างด้านหน้าลดลงจาก 2895.6 μs เป็น 1552.8 μs แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดโดยนัยลดลงจาก 735.5 mV เป็น 715.2 mV J0 ด้านเดียวเพิ่มขึ้นเป็น 18.4 fA/cm² ซึ่งประมาณสามเท่าของค่าเริ่มต้น

ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่าปัญหาหลักภายใต้ UV60 ไม่ใช่ความไม่เสถียรของหน้าสัมผัสพาสซีฟ poly-Si ชนิด TOPCon ด้านหลัง แต่เป็นการเสื่อมสภาพของคุณภาพพาสซีฟในโครงสร้าง SiNx/Al2O3 ด้านหน้าที่ถูกส่องสว่าง ผู้เขียนระบุว่าความเสถียรสัมพัทธ์ของด้านหลังเกิดจากการดูดซับรังสียูวีโดยชั้น poly-Si หนา 120 นาโนเมตร ซึ่งเป็นกลไกที่สมเหตุสมผลตามโครงสร้างและคุณสมบัติการดูดซับแสงของมัน แม้ว่าจะยังคงเป็นการตีความในระดับกลไกก็ตาม

พารามิเตอร์ทั้งสามสนับสนุนข้อสรุปเดียวกันจากทิศทางที่ต่างกัน อายุการใช้งานที่ต่ำกว่าและ iVoc ที่ต่ำกว่าชี้ไปที่การรวมตัวกันที่พื้นผิวที่รุนแรงขึ้น การเพิ่มขึ้นของ J0 ให้หลักฐานโดยตรงมากขึ้นของกระแสการรวมตัวที่เพิ่มขึ้น ผู้เขียนไม่ได้พึ่งพาตัวบ่งชี้เพียงตัวเดียว อายุการใช้งาน แรงดันไฟฟ้า และกระแสการรวมตัวทั้งหมดแสดงการเสื่อมสภาพของโครงสร้างด้านหน้า ในขณะที่เส้นโค้งสีเขียวที่แสดงถึงโครงสร้างด้านหลังยังคงเสถียรเป็นส่วนใหญ่

รูปที่ 3: การเปลี่ยนแปลงของอายุการใช้งาน แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดโดยนัย และ J0 สำหรับโครงสร้างด้านหน้าและด้านหลังภายใต้การสัมผัสรังสียูวี เส้นโค้งสีแดงของโครงสร้างด้านหน้าแสดงการเสื่อมสภาพที่มากกว่า ซึ่งระบุว่าชั้นพาสซีฟ SiNx/Al2O3 ที่ถูกส่องสว่างเป็นจุดอ่อนหลัก

ToF-SIMS แสดงการกระจายตัวใหม่ของทั้งไฮโดรเจนและออกซิเจน

โปรไฟล์ความลึกของ ToF-SIMS แสดงให้เห็นว่าการเสื่อมสภาพของพื้นผิวด้านหน้าไม่ได้เกิดจากธาตุเพียงชนิดเดียว ในรูปที่ 4a ความเข้มข้นของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นหลังจาก UV60 โดยเฉพาะในชั้น SiNx ผู้เขียนเสนอว่าสิ่งนี้อาจเกิดไม่เพียงจากการแตกของพันธะ Si-H ที่มักถูกกล่าวถึง แต่ยังเกิดจากการแตกของพันธะ N-H ภายใน SiNx ด้วย

รูปที่ 4b แสดงให้เห็นว่าการกระจายตัวของออกซิเจนก็เปลี่ยนแปลงเช่นกัน ความเข้มข้นของออกซิเจนในชั้น Al2O3 ลดลงเล็กน้อย ในขณะที่เพิ่มขึ้นใกล้กับส่วนต่อประสาน SiNx/Al2O3 และ Al2O3/Si ผู้เขียนตีความว่าเป็นผลจากการแตกของพันธะ Al-O ใน Al2O3 ตามด้วยการแพร่ของออกซิเจนที่ปลดปล่อยออกไปยังชั้น SiNx และพื้นผิวซิลิคอน

ประเด็นสำคัญไม่ใช่แค่ว่ามีออกซิเจนมากขึ้นเท่านั้น ออกซิเจนกำลังออกจากโครงตาข่ายหรือสภาพแวดล้อมพันธะเดิมและเปลี่ยนสถานะทางเคมีของส่วนต่อประสาน

ตำแหน่งที่แต่ละเส้นโค้งเปลี่ยนแปลงมีความสำคัญ สัญญาณไฮโดรเจนที่แรงกว่าในบริเวณ SiNx แสดงให้เห็นว่าฟิล์มพาสซีฟด้านบนมีส่วนเกี่ยวข้องโดยตรงในปฏิกิริยา การเปลี่ยนแปลงของออกซิเจนใกล้ส่วนต่อประสานชี้ให้เห็นถึงความไม่เสถียรทางเคมีระหว่าง Al2O3 และชั้นที่อยู่ติดกัน เมื่อรวมกันแล้ว ผลลัพธ์เหล่านี้ช่วยอธิบายว่าทำไมการเสื่อมสภาพของพื้นผิวด้านหน้าจึงส่งผลต่อทั้งคุณภาพพาสซีฟและผลผลิตทางไฟฟ้าสุดท้าย

รูปที่ 4: การกระจายเชิงลึกของไฮโดรเจนและออกซิเจนด้วย ToF-SIMS ก่อนและหลัง UV60 ไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นในชั้นพาสซิเวชัน ในขณะที่ออกซิเจนถูกกระจายใหม่ใกล้กับส่วนเชื่อมต่อ ซึ่งให้เบาะแสสำหรับการเปลี่ยนแปลงพันธะเคมีที่ระบุในภายหลังด้วย XPS

XPS เชื่อมโยงการแตกของพันธะ N-H, ช่องว่างออกซิเจน และการเพิ่มขึ้นของ Al-OH

สเปกตรัม XPS ของ N 1s ที่ผ่านการฟิตแสดงให้เห็นว่าสัดส่วนของพันธะ N-H ที่ส่วนเชื่อมต่อ SiNx/Al2O3 ลดลงจาก 9.64% เป็น 5.97% ซึ่งสนับสนุนข้อสรุปของผู้เขียนว่าพันธะ N-H มีส่วนร่วมในการปลดปล่อยไฮโดรเจนเช่นกัน ในเวลาเดียวกัน สัญญาณ N-H เพิ่มขึ้นใกล้กับพื้นผิว SiNx แสดงให้เห็นว่าไฮโดรเจนที่ปลดปล่อยออกมาบางส่วนอาจเคลื่อนที่ไปยังบริเวณ SiNx และสร้างพันธะใหม่ที่นั่น

การเปลี่ยนแปลงของ O 1s เป็นส่วนที่โดดเด่นที่สุดส่วนหนึ่งของการศึกษา ผู้เขียนแยกสัญญาณ O 1s ออกเป็นออกซิเจนในโครงตาข่าย องค์ประกอบที่เกี่ยวข้องกับช่องว่างออกซิเจน และออกซิเจนที่ถูกดูดซับบนพื้นผิว หลังจาก UV60 สัดส่วนของพีคที่เกี่ยวข้องกับช่องว่างออกซิเจนเพิ่มขึ้นทั้งที่ส่วนเชื่อมต่อ SiNx/Al2O3 และ Al2O3/Si ซึ่งบ่งชี้ถึงความเสียหายต่อคุณภาพของฟิล์ม Al2O3

หลักฐานขยายกลไกการเสื่อมสภาพไปไกลกว่าการสูญเสียพาสซิเวชันที่เกิดจากไฮโดรเจน การเสื่อมสภาพที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนและออกซิเจนดูเหมือนจะทำงานร่วมกัน เพิ่มการรวมตัวกันใหม่ที่พื้นผิวด้านหน้า

ToF-SIMS และ XPS ให้ข้อมูลประเภทต่างกัน ToF-SIMS เหมาะกว่าในการแสดงว่าธาตุต่างๆ กระจายตัวอย่างไรในเชิงลึกของชั้นฟิล์ม XPS ช่วยกำหนดสถานะทางเคมีของธาตุเหล่านั้น การฟิต N-Si และ N-H ในสเปกตรัม N 1s ร่วมกับองค์ประกอบที่เกี่ยวข้องกับออกซิเจนในโครงตาข่ายและช่องว่างออกซิเจนในสเปกตรัม O 1s ทำให้การวิเคราะห์เปลี่ยนจากตำแหน่งของธาตุไปสู่การเปลี่ยนแปลงในพันธะเคมี

ผู้เขียนชี้ให้เห็นว่าพันธะ Al-O มีพลังงานพันธะค่อนข้างสูงใน Al2O3 ผลึกในอุดมคติ อย่างไรก็ตาม ฟิล์มพาสซิเวชันของเซลล์แสงอาทิตย์จริงมักเป็นอสัณฐาน ไอออนอะลูมิเนียมที่มีการประสานงานต่ำกว่าและช่องว่างออกซิเจนสามารถลดอุปสรรคพลังงานในท้องถิ่นสำหรับการแตกพันธะ ด้วยเหตุนี้ แม้แต่โฟตอนที่ความยาวคลื่นยาวที่สุดในการทดลองที่ 400 นาโนเมตร ซึ่งสอดคล้องกับประมาณ 3.1 eV ก็อาจกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่เกี่ยวข้องกับ Al-O ในสภาพแวดล้อมที่มีข้อบกพร่องสูง การตีความนี้เชื่อมโยงข้อบกพร่องของฟิล์มบางเข้ากับความไวต่อรังสียูวีโดยตรง

รูปที่ 5: สเปกตรัม XPS ของ N 1s และ O 1s ที่ผ่านการฟิต การเปลี่ยนแปลงในพันธะ N-H สอดคล้องกับการปลดปล่อยและการเคลื่อนที่ของไฮโดรเจน องค์ประกอบที่เกี่ยวข้องกับช่องว่างออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นในสเปกตรัม O 1s บ่งชี้ถึงคุณภาพพาสซิเวชันของ Al2O3 ที่ลดลง

Al2O3 ไม่ใช่ผู้สังเกตการณ์ที่เสถียรโดยสมบูรณ์

รูปที่ 7 ติดตาม Al 2p และ Si 2p ที่ส่วนต่อประสาน Al2O3/Si หลังจาก UV60 สัดส่วนที่กำหนดให้กับองค์ประกอบ Al2O3 ลดลงจาก 69.99% เป็น 60.36% ในขณะที่ Al-OH เพิ่มขึ้นจาก 30.01% เป็น 39.64% ซึ่งบ่งชี้ถึงการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจนของโครงสร้างที่เกี่ยวข้องกับ Al-O ภายใต้การได้รับรังสีอัลตราไวโอเลต

ผลลัพธ์ Si 2p แสดงการปรากฏและการเพิ่มขึ้นของ Si2+ หลังจาก UV60 ในขณะที่องค์ประกอบที่เกี่ยวข้องกับ Si, Si3+ และ Si4+ ลดลง จากผลลัพธ์เหล่านี้ ผู้เขียนเสนอว่าออกซิเจนอิสระที่แพร่ไปยังส่วนต่อประสาน Al2O3/Si อาจออกซิไดซ์ซิลิคอนในขณะที่ตำแหน่งว่างของออกซิเจนก่อตัวขึ้นในชั้น Al2O3 สเปกตรัม XPS สนับสนุนการตีความนี้ แม้ว่าจะยังจำเป็นต้องมีการตรวจสอบลักษณะเฉพาะในแหล่งโดยตรงเพื่อยืนยันเส้นทางปฏิกิริยาที่แน่นอน

การค้นพบนี้มีความสำคัญต่อความน่าเชื่อถือของพื้นผิวด้านหน้าของ TOPCon Al2O3 มีวัตถุประสงค์เพื่อให้การพาสซีฟแบบสนามไฟฟ้าและความเสถียรของส่วนต่อประสาน เมื่อโครงสร้างที่เกี่ยวข้องกับ Al-O เริ่มเปลี่ยนเป็น Al-OH พร้อมกับความเข้มข้นของตำแหน่งว่างออกซิเจนที่สูงขึ้น ฟิล์มจะไม่เป็นเพียงชั้นป้องกันอีกต่อไป แต่อาจกลายเป็นส่วนหนึ่งของปฏิกิริยาการเสื่อมสภาพเอง การเปลี่ยนแปลงในสถานะออกซิเดชันของซิลิคอนยังบ่งชี้ว่าเคมีของส่วนต่อประสานถูกเปลี่ยนแปลง

รูปที่ 6: การเปลี่ยนแปลงในสเปกตรัม XPS ของ Al 2p และ Si 2p ที่ส่วนต่อประสาน Al2O3/Si การแปลงโครงสร้างที่เกี่ยวข้องกับ Al2O3 เป็น Al-OH และการเปลี่ยนแปลงในสถานะออกซิเดชันของซิลิคอนแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับออกซิเจนมีส่วนร่วมในการเสื่อมสภาพของพื้นผิวด้านหน้า

การสูญเสียทางไฟฟ้าปรากฏใน Voc และ Fill Factor ในที่สุด

เมื่อสถานะทางเคมีของชั้นพาสซีฟเปลี่ยนไป ผลกระทบทางไฟฟ้าในระดับเซลล์จะชัดเจน ในรูปที่ 8 EQE ยังคงเสถียรเป็นส่วนใหญ่ในช่วงความยาวคลื่นกลางและยาว แต่ลดลงต่ำกว่า 500 nm การสะท้อนแสงยังคงแทบไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งชี้ให้เห็นว่าการสูญเสียการตอบสนองต่อความยาวคลื่นสั้นเกิดจากการรวมตัวกันที่พื้นผิวด้านหน้าที่มากขึ้น ไม่ใช่การเสื่อมสภาพอย่างกะทันหันของเท็กซ์เจอริง ประสิทธิภาพการลดการสะท้อน หรือการดูดกลืนแสง

รูปที่ 7: เส้นโค้ง EQE และการสะท้อนแสงก่อนและหลัง UV60 การสะท้อนแสงยังคงเกือบคงที่ในขณะที่ EQE ที่ความยาวคลื่นสั้นลดลง แสดงให้เห็นว่าการสูญเสียการตอบสนองกระแสส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการรวมตัวกันที่พื้นผิวด้านหน้าที่เพิ่มขึ้น

การลดลงของ EQE ที่ความยาวคลื่นสั้นสอดคล้องกับการเพิ่มขึ้นของ J0 ก่อนหน้านี้ แสงความยาวคลื่นสั้นจะถูกดูดซับใกล้พื้นผิวด้านหน้าของเซลล์ หากการพาสซีฟพื้นผิวด้านหน้าเสียหาย พาหะที่สร้างขึ้นในบริเวณนี้มีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันอีกครั้งก่อนการเก็บเกี่ยว การสูญเสียจึงปรากฏขึ้นครั้งแรกในช่วง EQE ความยาวคลื่นสั้น แสงความยาวคลื่นปานกลางและยาวจะทะลุเข้าไปในเนื้อวัสดุหรือไปทางด้านหลังมากขึ้น ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงการตอบสนองที่สอดคล้องกันจึงน้อยกว่า

การวัด TLM แสดงให้เห็นว่าความต้านทานการสัมผัสด้านหน้าเพิ่มขึ้นเกือบเป็นเส้นตรงตามปริมาณรังสียูวี หลังจาก UV60 มีค่าถึง 4.1 mΩ·cm² ซึ่งประมาณ 8.6 เท่าของค่าเริ่มต้น ผู้เขียนเสนอว่าไฮโดรเจนอิสระ ออกซิเจนอิสระ และอนุมูลที่เกิดปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างการสัมผัสรังสียูวีอาจมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่ส่วนต่อประสานของขั้วไฟฟ้าโลหะ ทำให้ความต้านทานการสัมผัสเพิ่มขึ้น คำอธิบายนี้สอดคล้องกับการวัดความต้านทาน แม้ว่าผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่แน่นอนที่ส่วนต่อประสานของขั้วไฟฟ้ายังคงต้องการหลักฐานทางเคมีโดยตรงเพิ่มเติม

รูปที่ 8: ความต้านทานการสัมผัสด้านหน้าเพิ่มขึ้นตามปริมาณรังสียูวีที่ได้รับ หลังจาก UV60 ความต้านทานการสัมผัสมีค่าประมาณ 8.6 เท่าของค่าเริ่มต้น ทำให้เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดการสูญเสียฟิลแฟกเตอร์

การเสื่อมสภาพสัมพัทธ์สุดท้ายของพารามิเตอร์เซลล์ถูกรายงานดังนี้

ข้อสรุปทางไฟฟ้าส่วนกลางชัดเจน ภายใต้ UV60 การสูญเสียหลักของ TOPCon ไม่ได้มาจากการลดลงของกระแส แต่มาจากการสูญเสีย Voc ที่เกิดจากการเสื่อมสภาพของการพาสซีฟพื้นผิวด้านหน้า และการสูญเสียฟิลแฟกเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับความต้านทานการสัมผัสด้านหน้าที่เพิ่มขึ้น

สิ่งนี้ยังอธิบายว่าทำไมการดูเฉพาะ Jsc จึงอาจประเมินความเสี่ยงจากการเสื่อมสภาพของรังสียูวีต่ำเกินไป EQE ความยาวคลื่นสั้นเปลี่ยนแปลง แต่ Jsc ทั้งหมดลดลงเพียง 0.64% ปัญหาการรวมตัวกันใหม่และการสัมผัสทำให้เกิดการสูญเสียประสิทธิภาพที่มากขึ้น ในเซลล์ TOPCon ที่มีประสิทธิภาพสูง Voc และฟิลแฟกเตอร์มีความไวสูงต่อคุณภาพของส่วนต่อประสาน สภาพการพาสซีฟ และประสิทธิภาพการสัมผัสโลหะ พารามิเตอร์เหล่านี้อาจเปิดเผยจุดอ่อนด้านความน่าเชื่อถือได้เร็วกว่า Jsc

รูปที่ 9: การเสื่อมสภาพสัมพัทธ์ของ Voc, Jsc, ฟิลแฟกเตอร์ และประสิทธิภาพภายใต้ UV60 ประสิทธิภาพลดลง 6.72% โดยหลักแล้วเกิดจากการสูญเสีย Voc และฟิลแฟกเตอร์ ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงของ Jsc ยังคงค่อนข้างน้อย

การประเมินกลไกและการประยุกต์ใช้

กลไกที่เสนอนี้สามารถสรุปได้ดังนี้: การได้รับรังสียูวีจะเปลี่ยนสถานะพันธะในโครงสร้าง SiNx/Al2O3 ด้านหน้า พันธะ Si-H และ N-H จะแตกและปล่อยไฮโดรเจน โครงสร้างที่เกี่ยวข้องกับ Al-O จะถูกเปลี่ยนรูปและเกิดช่องว่างออกซิเจน ออกซิเจนอิสระจะเคลื่อนที่ไปยังส่วนต่อประสาน การรวมตัวกันใหม่ที่พื้นผิวด้านหน้าเพิ่มขึ้น และปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้ารอบบริเวณสัมผัสอาจเพิ่มความต้านทานการสัมผัสด้านหน้า

ผลลัพธ์ของอายุการใช้งาน, iVoc, J0, EQE, TLM และ I-V ให้การสนับสนุนโดยตรงต่อการเสื่อมสภาพทางไฟฟ้า ToF-SIMS และ XPS สนับสนุนการเคลื่อนที่ของไฮโดรเจนและออกซิเจน รวมถึงการเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้องในพันธะเคมี การตีความส่วนต่อประสานของขั้วไฟฟ้าโลหะต้องใช้ความระมัดระวังมากขึ้น บทความส่วนใหญ่สรุปกลไกนี้จากความต้านทานการสัมผัสที่สูงขึ้นและผลการวิจัยในการศึกษาก่อนหน้านี้ จำเป็นต้องมีการวัดการกระจายธาตุ สถานะทางเคมี หรือการวิเคราะห์ภาคตัดขวางของส่วนต่อประสานขั้วไฟฟ้าเพื่อยืนยันที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น

สำหรับการผลิตในอุตสาหกรรม บทความนี้เป็นเครื่องเตือนใจว่าความน่าเชื่อถือของ TOPCon ต่อรังสียูวีไม่สามารถประเมินได้จากประสิทธิภาพเซลล์เริ่มต้นเท่านั้น ปัจจัยหลายประการอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพพลังงานในระยะยาว:

• คุณภาพของวัสดุของชั้นเคลือบ SiNx/Al2O3 ด้านหน้า

• ความเข้มข้นของไฮโดรเจนและความเสถียรของพันธะ Si-H และ N-H

• ความเข้มข้นของช่องว่างออกซิเจนในชั้น Al2O3

• ความเสถียรของส่วนต่อประสานสัมผัสโลหะ

• การกรองรังสี UVA และ UVB โดยกระจกโมดูลและวัสดุห่อหุ้ม

• ปฏิสัมพันธ์ระหว่างการได้รับรังสียูวี ความชื้น ความร้อน ความเค้นเชิงกล และสนามไฟฟ้า

เมื่อพิจารณางานวิจัยนี้ในระดับโมดูล สเปกตรัมจริงที่ไปถึงเซลล์จะถูกกรองอีกครั้งโดยกระจกและฟิล์มห่อหุ้ม ความชื้น ความเครียดจากความร้อน และสนามไฟฟ้าจะมีส่วนร่วมในการเสื่อมสภาพด้วย ดังนั้นกลไกที่รายงานในบทความจึงมีประโยชน์มากขึ้นในฐานะแนวทางสำหรับการปรับปรุงวัสดุและกระบวนการ มากกว่าที่จะใช้แทนการทดสอบ IEC หรือข้อมูลภาคสนามระยะยาว

ขั้นตอนต่อไปที่มีค่าคือการประเมินเซลล์ที่ไม่ได้ห่อหุ้ม มินิโมดูลที่ห่อหุ้ม และโมดูลที่สัมผัสกลางแจ้งภายในกรอบการตรวจสอบเดียวกัน ซึ่งจะทำให้ง่ายต่อการระบุว่าการเปลี่ยนแปลงทางเคมีใดยังคงมีความสำคัญหลังจากการกรองสเปกตรัมตามจริงและการมีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อม

ทิศทางที่เป็นไปได้สำหรับการปรับปรุงกระบวนการ ได้แก่:

• ลดแหล่งไฮโดรเจนที่ไม่เสถียรในชั้น SiNx/Al2O3 ด้านหน้า

• ปรับปรุงเครือข่าย Al2O3 อสัณฐานและควบคุมช่องว่างออกซิเจน

• การปรับสภาวะการยิงและการทำเมทัลไลเซชันเพื่อความเสถียรของอินเทอร์เฟซหน้าสัมผัสที่ดีขึ้น

• การปรับปรุงความต้านทานต่อปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการเกิดออกซิเดชันรอบๆ หน้าสัมผัสโลหะด้านหน้า

• การเลือกวัสดุห่อหุ้มที่ลดผลกระทบโดยตรงของรังสี UV พลังงานสูงบนพื้นผิวเซลล์

บทความนี้ไม่ได้ให้วิธีแก้ปัญหาที่สมบูรณ์ แต่ได้กำหนดขอบเขตของปัญหาให้ชัดเจนยิ่งขึ้น และแสดงให้เห็นว่าการพาสซิเวชันพื้นผิวด้านหน้าและการวิศวกรรมหน้าสัมผัสต้องได้รับการพิจารณาร่วมกัน

ข้อสรุปงานวิจัย: สิ่งที่ต้องแก้ไขต่อไป

จากการทดสอบการรับแสง UV60 ผู้เขียนแสดงให้เห็นว่าโครงสร้าง SiNx/Al2O3 ด้านหน้าของเซลล์ TOPCon มีความเสี่ยงต่อการเสื่อมสภาพจากรังสีอัลตราไวโอเลตมากกว่าหน้าสัมผัสพาสซิเวต poly-Si ด้านหลัง การเสื่อมสภาพไม่ได้เกิดจากปัจจัยเดียว กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจน กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับออกซิเจน และความต้านทานหน้าสัมผัสด้านหน้าที่เพิ่มขึ้น ล้วนมีส่วนร่วม

ความสำคัญของงานนี้อยู่ที่การขยายคำอธิบายการเสื่อมสภาพจาก UV ของ TOPCon ไปไกลกว่าการแตกพันธะ Si-H เพียงอย่างเดียว โดยนำเสนอกรอบแนวคิดที่กว้างขึ้นเกี่ยวกับวิวัฒนาการทางเคมีของพื้นผิวด้านหน้า การลดความเสี่ยง UVID อาจต้องอาศัยการปรับให้เหมาะสมร่วมกันของชั้นพาสซิเวชันด้านหน้า ช่องว่างออกซิเจนที่อินเทอร์เฟซ การจัดการไฮโดรเจน หน้าสัมผัสเมทัลไลเซชัน และการกรอง UV โดยการห่อหุ้มโมดูล การปรับพารามิเตอร์ฟิล์มเพียงอย่างเดียวอาจไม่เพียงพอ

ข้อจำกัดควรชัดเจน ตัวอย่างที่ใช้เป็นเซลล์ที่ไม่มีการห่อหุ้มภายใต้สภาวะ UV ที่รายงาน และส่วนหนึ่งของกลไกการเสื่อมสภาพของหน้าสัมผัสโลหะที่เสนอยังคงเป็นการอนุมาน การตีความที่ระมัดระวังที่สุดคือ บทความนี้แสดงให้เห็นความสัมพันธ์ที่ชัดเจนระหว่างวิวัฒนาการขององค์ประกอบทางเคมีและการเสื่อมสภาพทางไฟฟ้าบนพื้นผิวด้านหน้าของ TOPCon ภายใต้การรับแสง UV และยังให้เป้าหมายเฉพาะสำหรับการศึกษาในอนาคตเกี่ยวกับความน่าเชื่อถือระยะยาวหลังการห่อหุ้ม

เอกสารอ้างอิง

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.

มุมมองของ Ooitech

ข้อความเชิงปฏิบัติคือ: การพาสซิเวชันด้านหน้าและการทำเมทัลไลเซชันควรได้รับการปฏิบัติเป็นระบบความน่าเชื่อถือเดียว ไม่ใช่เป็นขั้นตอนกระบวนการแยกกัน ค่า Voc เริ่มต้นที่เสถียรนั้นไม่เพียงพอหากการรับแสง UV สามารถเปลี่ยนเคมีของ Al2O3 และเพิ่มความต้านทานหน้าสัมผัสด้านหน้าอย่างต่อเนื่อง การตรวจสอบในอนาคตควรเชื่อมโยงการทดสอบ UV ระดับเซลล์กับการทดสอบมินิโมดูลที่ห่อหุ้มภายใต้สเปกตรัมกระจกและวัสดุห่อหุ้มที่สมจริง