Dernières recherches PIP : Évolution chimique et dégradation électrique des cellules solaires TOPCon sous exposition UV
Table des matières
Contexte de la recherche
TOPCon est devenu l'une des technologies dominantes dans l'industrie photovoltaïque au silicium cristallin. Cependant, une efficacité élevée ne signifie pas automatiquement une stabilité à long terme. Des différences dans la dégradation induite par les ultraviolets, ou UVID, ont été rapportées sur plusieurs structures de cellules solaires. Les cellules TOPCon, PERC et HJT peuvent toutes être affectées, mais les emplacements de dégradation et les mécanismes dominants ne sont pas exactement les mêmes.
Les discussions passées sur la dégradation par UV se sont souvent concentrées sur la rupture des liaisons Si-H par les photons à haute énergie, suivie de la libération d'hydrogène et de modifications de la passivation des interfaces. Le spectre ultraviolet présent dans un environnement réel de module PV n'est pas limité à une seule longueur d'onde. La surface avant éclairée contient également plusieurs régions couplées, notamment SiNx, Al2O3, l'émetteur de bore et les contacts métalliques. Les auteurs soutiennent donc que la dégradation par UV dans les cellules TOPCon ne devrait pas être étudiée uniquement à travers le comportement de l'hydrogène. La migration de l'oxygène et les interfaces de contact comptent également.
Un détail est facile à négliger. Le verre du module filtre généralement la plupart des rayonnements UVB, mais il ne protège pas complètement la surface de la cellule éclairée de l'exposition aux ultraviolets. Le spectre discuté dans l'article est dominé par les UVA tout en contenant environ 11 % d'UVB. Les auteurs ont utilisé des échantillons non encapsulés. L'expérience n'est donc pas équivalente au vieillissement extérieur d'un module complet, mais elle aide à amplifier et à séparer les régions sensibles aux UV sur la surface avant de la cellule.
Cet article est mieux lu comme une investigation des mécanismes de défaillance plutôt qu'une étude de certification de durée de vie de module. La perte d'efficacité relative de 6,72 % après UV60 ne devrait pas être directement convertie en une perte de puissance attendue pour un module extérieur. Le point le plus important est la manière dont les auteurs utilisent différentes méthodes de caractérisation pour relier les dommages de passivation de la surface avant, l'oxydation de l'interface et la dégradation des contacts métalliques.
Méthode expérimentale
L'étude a utilisé des cellules TOPCon commerciales à demi-coupure mesurant 182 mm × 105 mm. Les cellules étaient fabriquées à partir de silicium monocristallin de type n obtenu par le procédé Czochralski, avec une résistivité d'environ 1,0 Ω·cm et une épaisseur de plaquette d'environ 130 μm. Pour comparer la résistance aux UV des structures avant et arrière, les chercheurs ont également préparé des échantillons symétriques de surface avant et des échantillons symétriques de surface arrière.
La structure avant était composée de SiNx/Al2O3. La structure arrière était composée de SiOx/n+ poly-Si/Al2O3/SiNx. Les principales épaisseurs de couches rapportées dans l'article sont listées ci-dessous.
| Structure ou matériau | Spécification rapportée |
|---|---|
| Taille de cellule TOPCon commerciale | 182 mm × 105 mm |
| Substrat de silicium | Silicium monocristallin de type n (Cz) |
| Résistivité du substrat | Environ 1,0 Ω·cm |
| Épaisseur de la plaquette | Environ 130 μm |
| Épaisseur de SiOx | Environ 1,5 nm |
| Épaisseur de n+ poly-Si | Environ 120 nm |
| Épaisseur de Al2O3 | Environ 5 nm |
| Épaisseur de SiNx | Environ 80 nm |
Les chercheurs ont comparé la durée de vie des porteurs minoritaires, la tension de circuit ouvert implicite et J0 avant et après exposition pour évaluer la stabilité de la passivation. La spectrométrie de masse des ions secondaires en temps de vol, ou ToF-SIMS, a été utilisée pour suivre la distribution en profondeur de l'hydrogène et de l'oxygène. La spectroscopie photoélectronique à rayons X, ou XPS, avec profilage en profondeur, a été appliquée pour analyser les états chimiques de N 1s, O 1s, Al 2p et Si 2p. Les mesures EQE, TLM et I-V ont ensuite relié les changements des couches minces aux pertes électriques au niveau de la cellule.
La force de cette conception expérimentale réside dans l'utilisation combinée de cellules complètes et de structures symétriques. Les cellules complètes montrent comment l'efficacité, la Voc, la Jsc, le facteur de remplissage et la résistance de contact changent. Les échantillons symétriques avant et arrière réduisent les interférences du reste de la structure de la cellule, ce qui facilite l'identification du côté de passivation le plus sensible à l'exposition aux UV.
Figure 1 : Schémas de la cellule TOPCon, de la structure symétrique de surface avant et de la structure symétrique de surface arrière. Les échantillons symétriques permettent de comparer séparément la résistance aux UV de l'empilement avant SiNx/Al2O3 et du contact passivant arrière poly-Si.
Les conditions d'exposition aux UV doivent également être considérées en elles-mêmes. L'étude a utilisé une intensité ultraviolette de 300 W/m², une température de 60°C, une humidité relative de 30 % et une dose accumulée maximale de 60 kWh/m². Le spectre était concentré principalement dans la gamme UVA, avec une composante UVB plus faible. Cela est plus concentré que l'exposition extérieure ordinaire et convient pour accélérer les changements chimiques observables sur la surface avant en laboratoire.
| Paramètre du test UV | Condition de test |
|---|---|
| Intensité UV | 300 W/m² |
| Température | 60°C |
| Humidité relative | 30% |
| Dose UV maximale | 60 kWh/m² |
| Région spectrale principale | UVA |
| Contenu UVB | Environ 11 % |
| Condition de l'échantillon | Non encapsulé |
Figure 2 : Spectre ultraviolet utilisé dans l'expérience. Le spectre est dominé par l'UVA et contient une composante UVB plus faible, permettant d'observer l'effet des photons à plus haute énergie sur les couches de passivation avant.
Résultats et discussion
La structure avant est clairement plus sensible aux UV que la structure arrière
La figure 3 fournit la comparaison la plus directe entre les deux structures. La structure arrière symétrique n'a montré que des changements mineurs après UV60. La structure avant symétrique a continué à se dégrader à mesure que la dose UV augmentait. Selon l'article, la durée de vie moyenne des échantillons avant a diminué de 2895,6 μs à 1552,8 μs. La tension de circuit ouvert implicite est passée de 735,5 mV à 715,2 mV. Le J0 unilatéral a augmenté à 18,4 fA/cm², soit environ trois fois sa valeur initiale.
Ces résultats indiquent que le principal problème sous UV60 n'était pas l'instabilité du contact passivant poly-Si TOPCon arrière. C'était la détérioration de la qualité de passivation dans la structure SiNx/Al2O3 côté avant éclairée. Les auteurs attribuent la stabilité relative du côté arrière à l'absorption UV par la couche de poly-Si de 120 nm. C'est un mécanisme raisonnable basé sur la structure et ses caractéristiques d'absorption optique, bien que cela reste une interprétation au niveau du mécanisme.
Les trois paramètres soutiennent la même conclusion sous différents angles. Une durée de vie plus faible et un iVoc plus faible indiquent une recombinaison de surface plus forte. L'augmentation de J0 fournit une preuve plus directe d'un courant de recombinaison accru. Les auteurs ne se sont pas appuyés sur un seul indicateur. La durée de vie, la tension et le courant de recombinaison montrent tous une détérioration de la structure avant, tandis que les courbes vertes représentant la structure arrière restent largement stables.
Figure 3 : Changements de la durée de vie, de la tension de circuit ouvert implicite et de J0 pour les structures avant et arrière sous exposition UV. Les courbes rouges de la structure avant montrent une dégradation plus importante, identifiant l'empilement de passivation SiNx/Al2O3 éclairé comme le principal point faible.
ToF-SIMS Montre une Redistribution de l'Hydrogène et de l'Oxygène
Les profils de profondeur ToF-SIMS montrent que la dégradation de la surface avant n'est pas causée par un seul élément. Dans la figure 4a, la concentration d'hydrogène augmente après UV60, en particulier dans la couche SiNx. Les auteurs suggèrent que cela peut résulter non seulement de la rupture des liaisons Si-H couramment discutée, mais aussi de la rupture des liaisons N-H à l'intérieur du SiNx.
La figure 4b montre que la distribution de l'oxygène change également. La concentration d'oxygène dans la couche Al2O3 diminue légèrement, tandis qu'elle augmente près des interfaces SiNx/Al2O3 et Al2O3/Si. Les auteurs interprètent cela comme un résultat de la rupture des liaisons Al-O dans Al2O3, suivie de la diffusion de l'oxygène libéré vers la couche SiNx et la surface du silicium.
Le point clé n'est pas simplement qu'il y a plus d'oxygène. L'oxygène quitte son environnement de réseau ou de liaison d'origine et modifie l'état chimique des interfaces.
L'emplacement de chaque changement de courbe est important. Le signal d'hydrogène plus fort dans la région SiNx montre que le film de passivation supérieur est directement impliqué dans la réaction. Les changements d'oxygène près des interfaces indiquent une instabilité chimique entre Al2O3 et les couches adjacentes. Ensemble, ces résultats aident à expliquer pourquoi la dégradation de la surface avant affecte à la fois la qualité de passivation et la sortie électrique finale.
Figure 4 : Distributions de profondeur ToF-SIMS de l'hydrogène et de l'oxygène avant et après UV60. L'hydrogène augmente dans l'empilement de passivation, tandis que l'oxygène est redistribué près des interfaces, fournissant des indices pour les changements de liaisons chimiques identifiés plus tard par XPS.
XPS Relie la Rupture des Liaisons N-H, les Lacunes d'Oxygène et l'Augmentation de Al-OH
Les spectres XPS N 1s ajustés montrent que la proportion de liaisons N-H à l'interface SiNx/Al2O3 a diminué de 9,64 % à 5,97 %. Cela soutient la conclusion des auteurs selon laquelle les liaisons N-H participent également à la libération d'hydrogène. En même temps, le signal N-H a augmenté près de la surface de SiNx, suggérant qu'une partie de l'hydrogène libéré peut migrer vers la région SiNx et y former de nouvelles liaisons.
Les changements de O 1s sont l'une des parties les plus distinctives de l'étude. Les auteurs ont séparé le signal O 1s en oxygène de réseau, composants liés aux lacunes d'oxygène et oxygène adsorbé en surface. Après UV60, la proportion de pics liés aux lacunes d'oxygène a augmenté à la fois aux interfaces SiNx/Al2O3 et Al2O3/Si. Cela indique une détérioration de la qualité du film Al2O3.
Les preuves élargissent le mécanisme de dégradation au-delà de la perte de passivation induite par l'hydrogène. La dégradation liée à l'hydrogène et celle liée à l'oxygène semblent agir ensemble, augmentant la recombinaison en surface avant.
ToF-SIMS et XPS fournissent différents types d'informations. ToF-SIMS est mieux adapté pour montrer où les éléments sont distribués à travers la profondeur de l'empilement de films. XPS aide à déterminer l'état chimique de ces éléments. L'ajustement N-Si et N-H dans les spectres N 1s, ainsi que les composants liés à l'oxygène de réseau et aux lacunes d'oxygène dans les spectres O 1s, fait passer l'analyse de la localisation élémentaire aux changements dans les liaisons chimiques.
Les auteurs soulignent que les liaisons Al-O ont une énergie de liaison relativement élevée dans l'Al2O3 cristallin idéal. Cependant, les films de passivation réels des cellules solaires sont généralement amorphes. Les ions aluminium sous-coordonnés et les lacunes d'oxygène peuvent abaisser la barrière d'énergie locale pour la rupture des liaisons. Pour cette raison, même les photons à la longueur d'onde la plus longue de l'expérience de 400 nm, correspondant à environ 3,1 eV, peuvent déclencher des changements structurels liés à Al-O dans un environnement riche en défauts. Cette interprétation relie directement les défauts des films minces à la sensibilité aux UV.
Figure 5 : Spectres XPS N 1s et O 1s ajustés. Les changements dans les liaisons N-H correspondent à la libération et à la migration de l'hydrogène. Le composant accru lié aux lacunes d'oxygène dans les spectres O 1s indique une qualité de passivation Al2O3 en déclin.
Al2O3 n'est pas un spectateur complètement stable
La figure 7 suit également Al 2p et Si 2p à l'interface Al2O3/Si. Après UV60, la proportion attribuée au composant Al2O3 a diminué de 69,99 % à 60,36 %, tandis que Al-OH a augmenté de 30,01 % à 39,64 %. Cela indique une conversion claire des structures liées à Al-O sous exposition aux ultraviolets.
Les résultats Si 2p montrent l'apparition et l'augmentation de Si2+ après UV60, tandis que les composants associés à Si, Si3+ et Si4+ diminuent. Sur la base de ces résultats, les auteurs proposent que l'oxygène libre diffusant vers l'interface Al2O3/Si puisse oxyder le silicium tandis que des lacunes d'oxygène se forment dans la couche d'Al2O3. Les spectres XPS soutiennent cette interprétation, bien qu'une caractérisation in-situ directe serait encore nécessaire pour confirmer le chemin réactionnel exact.
Cette découverte est importante pour la fiabilité de la surface avant des cellules TOPCon. L'Al2O3 est destiné à fournir une passivation par effet de champ et une stabilité de l'interface. Une fois que les structures liées à Al-O commencent à se convertir en Al-OH, accompagnées d'une concentration plus élevée de lacunes d'oxygène, le film n'est plus simplement une couche protectrice. Il peut devenir partie intégrante de la réaction de dégradation elle-même. Les changements dans les états d'oxydation du silicium indiquent également que la chimie de l'interface a été modifiée.
Figure 6 : Changements dans les spectres XPS Al 2p et Si 2p à l'interface Al2O3/Si. La conversion des structures liées à Al2O3 vers Al-OH et les changements dans les états d'oxydation du silicium montrent que des réactions liées à l'oxygène participent à la dégradation de la surface avant.
Les pertes électriques apparaissent finalement dans la Voc et le facteur de remplissage
Une fois que l'état chimique de l'empilement de passivation change, les effets électriques au niveau de la cellule deviennent clairs. Dans la figure 8, l'EQE reste largement stable dans les gammes de longueurs d'onde moyennes et longues mais diminue en dessous de 500 nm. La réflectance reste presque inchangée. Cela suggère que la perte de réponse aux courtes longueurs d'onde est causée principalement par une recombinaison plus forte en surface avant plutôt que par une détérioration soudaine de la texturation, des performances antireflet ou de l'absorption optique.
Figure 7 : Courbes d'EQE et de réflectance avant et après UV60. La réflectance reste presque stable tandis que l'EQE aux courtes longueurs d'onde diminue, indiquant que la perte de réponse en courant est principalement associée à une recombinaison accrue en surface avant.
Le déclin de l'EQE aux courtes longueurs d'onde concorde avec l'augmentation antérieure de J0. La lumière à courte longueur d'onde est absorbée près de la surface avant de la cellule. Si la passivation de la surface avant est endommagée, les porteurs générés dans cette région sont plus susceptibles de se recombiner avant la collecte. La perte apparaît donc d'abord dans la gamme d'EQE aux courtes longueurs d'onde. La lumière à longueurs d'onde moyennes et longues pénètre plus profondément dans le volume ou vers la face arrière, donc les changements de réponse correspondants sont plus faibles.
Les mesures TLM montrent que la résistivité de contact avant augmente presque linéairement avec la dose UV. Après UV60, elle atteint 4,1 mΩ·cm², soit environ 8,6 fois sa valeur initiale. Les auteurs suggèrent que l'hydrogène libre, l'oxygène libre et les radicaux réactifs produits pendant l'exposition UV peuvent participer à des réactions à l'interface de l'électrode métallique, augmentant la résistance de contact. Cette explication est cohérente avec les mesures de résistance, bien que les produits de réaction exacts à l'interface de l'électrode nécessitent encore des preuves chimiques plus directes.
Figure 8 : La résistivité de contact avant augmente avec la dose d'exposition UV. Après UV60, la résistivité de contact est environ 8,6 fois sa valeur initiale, ce qui en fait un contributeur important à la perte de facteur de remplissage.
La dégradation relative finale des paramètres de la cellule a été rapportée comme suit.
| Paramètre de la cellule | Dégradation relative après UV60 |
|---|---|
| Voc | 3.46% |
| Jsc | 0.64% |
| Facteur de remplissage | 2.82% |
| Efficacité | 6.72% |
| Résistivité de contact avant | 4,1 mΩ·cm², environ 8,6 fois la valeur initiale |
La conclusion électrique centrale est claire. Sous UV60, les principales pertes TOPCon ne proviennent pas de la réduction du courant. Elles proviennent de la perte de Voc causée par la dégradation de la passivation de surface avant et de la perte de facteur de remplissage associée à l'augmentation de la résistance de contact avant.
Cela explique également pourquoi ne regarder que le Jsc peut sous-estimer le risque de dégradation UV. L'EQE à courte longueur d'onde change, mais le Jsc total ne diminue que de 0,64 %. Les problèmes de recombinaison et de contact créent la perte d'efficacité la plus importante. Dans les cellules TOPCon à haute efficacité, le Voc et le facteur de remplissage sont très sensibles à la qualité de l'interface, à l'état de passivation et aux performances du contact métallique. Ces paramètres peuvent révéler des faiblesses de fiabilité plus tôt que le Jsc.
Figure 9 : Dégradation relative du Voc, du Jsc, du facteur de remplissage et de l'efficacité sous UV60. L'efficacité diminue de 6,72 %, principalement due aux pertes de Voc et de facteur de remplissage, tandis que la variation du Jsc reste relativement faible.
Évaluation du mécanisme et des applications
Le mécanisme proposé peut être résumé comme suit : l'exposition UV modifie les états de liaison dans la structure avant SiNx/Al2O3. Les liaisons Si-H et N-H se rompent et libèrent de l'hydrogène. Les structures liées à Al-O sont transformées et des lacunes d'oxygène se forment. L'oxygène libre migre vers les interfaces, la recombinaison de surface avant augmente, et des réactions électrochimiques autour de la région de contact peuvent augmenter la résistance de contact avant.
Les résultats de durée de vie, iVoc, J0, EQE, TLM et I-V apportent un soutien direct à la dégradation électrique. ToF-SIMS et XPS soutiennent la migration de l'hydrogène et de l'oxygène ainsi que les changements associés dans les liaisons chimiques. L'interprétation de l'interface de l'électrode métallique nécessite plus de prudence. L'article déduit principalement ce mécanisme à partir d'une résistance de contact plus élevée et de résultats d'études antérieures. Une distribution élémentaire, des mesures d'état chimique ou une analyse en coupe transversale de l'interface de l'électrode seraient nécessaires pour une confirmation plus solide.
Pour la production industrielle, l'article rappelle que la fiabilité UV des TOPCon ne peut pas être évaluée uniquement par le rendement initial des cellules. Plusieurs facteurs peuvent influencer les performances énergétiques à long terme :
La qualité du matériau de l'empilement de passivation avant SiNx/Al2O3
La concentration en hydrogène et la stabilité des liaisons Si-H et N-H
La concentration en lacunes d'oxygène dans la couche d'Al2O3
La stabilité de l'interface de contact métallique
Le filtrage UVA et UVB par le verre du module et les encapsulants
Les interactions entre l'exposition aux ultraviolets, l'humidité, la chaleur, les contraintes mécaniques et les champs électriques
Lorsque cette recherche est considérée au niveau du module, le spectre réel atteignant la cellule sera à nouveau filtré par le verre et le film d'encapsulation. L'humidité, les contraintes thermiques et les champs électriques participeront également au vieillissement. Les mécanismes rapportés dans l'article sont donc plus utiles comme orientations pour l'optimisation des matériaux et des procédés que comme remplacement des tests IEC ou des données de terrain à long terme en extérieur.
Une prochaine étape précieuse serait d'évaluer les cellules non encapsulées, les mini-modules encapsulés et les modules exposés à l'extérieur dans le même cadre de validation. Cela faciliterait la détermination des changements chimiques qui restent importants après un filtrage spectral réaliste et un couplage environnemental.
Les orientations possibles d'optimisation des procédés comprennent :
Réduire les sources d'hydrogène instables dans l'empilement avant SiNx/Al2O3
Améliorer le réseau d'Al2O3 amorphe et contrôler les lacunes d'oxygène
Optimiser les conditions de cuisson et de métallisation pour une meilleure stabilité de l'interface de contact
Améliorer la résistance aux réactions liées à l'oxydation autour du contact métallique avant
Sélectionner des matériaux d'encapsulation qui réduisent l'impact direct des UV à haute énergie sur la surface de la cellule
L'article ne fournit pas de solution complète. Il définit plus clairement les limites du problème et montre que la passivation de surface avant et l'ingénierie des contacts doivent être considérées ensemble.
Conclusion de la recherche : ce qui doit être résolu ensuite
Grâce aux tests d'exposition UV60, les auteurs montrent que la structure avant SiNx/Al2O3 des cellules TOPCon est plus vulnérable à la dégradation induite par les ultraviolets que le contact passivant poly-Si arrière. La dégradation n'est pas causée par un seul facteur isolé. Les processus liés à l'hydrogène, les processus liés à l'oxygène et l'augmentation de la résistance de contact avant contribuent tous.
L'importance de ce travail réside dans le fait de dépasser l'explication de la dégradation UV des TOPCon basée uniquement sur la rupture des liaisons Si-H. Il présente un cadre plus large de l'évolution chimique de la surface avant. La réduction du risque d'UVID nécessitera probablement une optimisation coordonnée de l'empilement de passivation avant, des lacunes d'oxygène à l'interface, de la gestion de l'hydrogène, des contacts de métallisation et du filtrage UV par l'encapsulation du module. Ajuster un seul paramètre de film pourrait ne pas suffire.
Les limites doivent rester claires. Les échantillons n'étaient pas encapsulés dans les conditions UV rapportées, et une partie du mécanisme proposé de dégradation des contacts métalliques reste encore inférentielle. L'interprétation la plus prudente est que l'article démontre une relation claire entre l'évolution de la composition chimique et la dégradation électrique sur la surface avant des TOPCon sous exposition UV. Il fournit également des cibles spécifiques pour de futures études sur la fiabilité à long terme après encapsulation.
Référence
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.
Point de vue d'Ooitech
Le message pratique est simple : la passivation avant et la métallisation doivent être traitées comme un seul système de fiabilité, et non comme des étapes de processus séparées. Un Voc initial stable ne suffit pas si l'exposition UV peut modifier la chimie de l'Al2O3 et augmenter régulièrement la résistance de contact avant. La validation future devrait relier les tests UV au niveau des cellules avec des tests de mini-modules encapsulés sous des spectres réalistes de verre et d'encapsulant.
