新南威尔士大学最新研究揭示TOPCon电池降解规律：波长依赖性与氢再分布的作用

原创于 2025-08-25 11:45:00 发布 · 928 阅读

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隧道氧化层钝化接触（TOPCon）太阳能电池凭借其高效率和低成本主导了全球光伏市场。TOPCon 太阳能电池和组件在紫外（UV）辐射下会发生紫外诱导降解（UVID），本研究通过 UV-A（315–400 nm）和 UV-B（280–315 nm）暴露实验，探究紫外对 TOPCon 前驱体和寿命结构的影响，通过美能复合紫外老化试验箱可控的紫外光源、温湿度调节等功能，为实验提供了关键的技术支持。结果表明，UV-B 和 UV-A 暴露导致的降解程度相同，但 UV-B 下的降解过程明显更快，这意味着 UV-B 可用于加速紫外降解测试。

TOPCon电池制备与实验设计

(a)对称寿命结构; (b) TOPCon 前驱体

样品制备：使用工业线制造的n型CZ硅片（182×182 mm²，厚度140±10 μm）制备对称寿命结构和TOPCon前驱体。寿命结构两侧为硼扩散发射极，钝化层为5 nm AlOₓ（原子层沉积），覆盖75 nm PECVD SiNₓ:H减反射层。TOPCon前驱体前侧结构相同，背面为~1.5 nm隧穿SiOₓ、150 nm磷掺杂多晶硅层和75 nm SiNₓ:H层。部分样品经过峰值温度850°C的烧结处理。

AM0 和 AM1.5G 标准光谱以及 UV-A 和 UV-B 灯光谱辐照度

紫外辐照与实验设计：使用自主研发的紫外灯系统，在60°C下进行辐照。UV-A灯在315–420 nm范围内的辐照度为102 W/m²，UV-B灯在250–385 nm范围内为114 W/m²。总剂量分别为UV-A 49 kWh/m²、UV-B 61.1 kWh/m²。样品分为三组：A组：60°C暗退火（DA），作为热影响的对照；B组：接受UV-B辐照；C组：接受UV-A辐照。每组包含烧结与未烧结样品，并分别对前后表面进行测试。

紫外对 TOPCon 前驱体和寿命结构影响的实验流程示意图

表征与模拟：通过准稳态光电导（QSS-PC）测量有效少子寿命和发射极饱和电流密度（J₀ₑ），并计算归一化缺陷密度（NDD）。采用飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）分析元素深度分布，并结合光学模拟软件SunSolve分析背面结构对紫外的吸收特性。

热稳定性与LeTID行为

(a)A 组所有样品在 60 °C 暗退火过程中的有效寿命变化；(b)根据有效寿命提取的饱和电流密度随暗退火时间的变化

A组样品在暗退火过程中，未烧结样品有效寿命稳定，而烧结样品出现先衰减后恢复的趋势，且J₀ₑ保持不变，说明表面钝化稳定，体缺陷主导变化，符合光热诱导衰减（LeTID）特征。

UV-B辐射实验

B 组样品在 60 °C 高温下随 UV-B 辐射曝光时间变化的饱和电流密度：(a) 寿命样品，(b) 前驱体样品（紫外分别照射前侧和后侧）

TOPCon 结构背面的模拟反射率（红色）以及 50 nm、100 nm 和 150 nm多晶硅厚度的吸收率模拟

光学模拟显示，多晶硅层对<370 nm紫外光有强吸收反射。150 nm多晶硅层可有效保护隧穿氧化层，厚度降低至50或100 nm时，UVID风险上升。

UV-A辐射实验

60℃高温下，C 组样品的饱和电流密度随 UV-A 暴露时间的变化:(a)前驱体:(b)寿命结构

A、B、C 组样品测试前后的饱和电流密度

UV-B和UV-A均导致前侧J₀ₑ上升，表面复合增加。UV-B衰减速度更快，但最终衰减程度与UV-A相当。背面辐照下J₀ₑ变化微弱，表明多晶硅层具有紫外屏蔽作用。

氢动力学与体缺陷行为

60℃下的NDD下(a)A组样品在随退火时间的变化;(b)C组样品UV-A 暴露时间的变化

归一化缺陷密度（NDD）分析表明，暗退火下烧结样品出现NDD先升后降的LeTID特征，而紫外辐射样品NDD变化微小，说明紫外抑制了体缺陷形成，但加剧了表面复合

ToF-SIMS深度分布:已烧结前驱体 (a)A2在暗退火前后 (b)C3在UV-A 辐射前后

ToF-SIMS显示紫外辐照后AlOₓ/p⁺/Si界面氢浓度升高，表明Si-H键断裂导致氢重新分布。紫外辐照下未出现LeTID，说明紫外抑制了体缺陷的形成。

本文系统揭示了TOPCon太阳能电池在紫外辐射下的降解行为与机制。UV-A和UV-B可引起相同类型的表面降解，但UV-B降解速率更快，适用于加速太阳能电池紫外诱导衰减UVID测试。电池前表面表现出对UVID的显著敏感性，而背表面因多晶硅层对紫外光的高吸收作用，显示出优异的抗降解稳定性。紫外辐射可破坏Si–H键，引发氢的重新分布，并抑制光热诱导衰减（LeTID）的发生，这些发现为TOPCon电池的抗紫外设计与可靠性提升提供了重要依据。