Strati di ossido di alluminio più spessi possono ridurre la degradazione indotta dai raggi ultravioletti nelle celle solari TOPCon
Thicker alumunium oxide layers can reduce ultraviolet-induced degradation in TOPCon solar cells
From:PV Magazine
UNSW researchers developed an experimentally validated model linking UV-induced degradation in TOPCon solar cells to hydrogen transport, charge trapping, and permanent structural changes in the passivation stack. They show that thicker aluminum oxide layers significantly improve UV resilience by limiting hydrogen migration, offering clear guidance for more robust TOPCon designs.
A solar cell fabricated at UNSW in Australia
Image: University of New South Wales
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Researchers from the University of New South Wales (UNSW) have investigated ultraviolet-induced degradation (UVID) in TOPCon solar cells and have found that thicker aluminum oxide (AlOx) layer can reduce this kind of
“Our new work provides a comprehensive, experimentally validated model for UV-degradation in TOPCon devices, linking electrical degradation directly to hydrogen dynamics and permanent structural changes in the passivation stack and was first presented in a plenary talk at the recent European PVSEC meeting in Bilbao, Spain,” the research's lead author, Bram Hoex, told pv magazine. “It builds directly on our earlier work on wavelength-dependent UVID and hydrogen dynamics, and we think it closes an important gap in understanding long-term TOPCon reliability.”
The tests were conducted on TOPCon cells based on n-type Czochralski (Cz) wafers fabricated on an industrial manufacturing line. The primary passivation stack consisted of an AlOx layer grown by atomic layer deposition (ALD) and a 75 nm silicon nitride (SiNx) capping layer deposited by plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD).
The AlOx thickness was varied between 4 and 7 nm, reflecting the industrial TOPCon front-side passivation window. The 4 nm layer (SP1, SP3) represents a cost-efficient minimum, while the 7 nm layer (SP2, SP4) remains thin enough to avoid significant optical impact. “This comparison allows assessment of the trade-off between manufacturing throughput and UVID resilience,” the researchers explained.
Schematic of the symmetrical test structures used in the study
Image: UNSW, Solar Energy Materials and Solar Cells, CC BY 4.0
Corona-Oxide Characterisation of Semiconductors (COCOS) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) were used to analyze changes in interface defect density (Dit) and negative fixed charge (Qf) under controlled UV exposure, dark storage, and thermal annealing conditions.
The measurements revealed a complex interaction between chemical degradation and a temporary, charge-trapping-induced enhancement in field-effect passivation, followed by a metastable decay during dark storage.
"Abbiamo scoperto che i fotoni UV ad alta energia rompono i legami silicio-idrogeno (Si-H) nello strato di rivestimento SiNx, rilasciando idrogeno mobile che si accumula all'interfaccia AlOx/Si e aumenta Dit, degradando così la passivazione chimica", ha affermato Hoex. "Allo stesso tempo, l'esposizione ai raggi UV migliora temporaneamente la passivazione per effetto di campo attraverso l'intrappolamento di carica in AlOx, grazie a un aumento di Qf."
Durante la successiva conservazione al buio, il Qf si de-intrappola, causando ulteriori perdite di prestazioni nonostante il danno chimico non sia cambiato. "La ricottura al buio a bassa temperatura ridistribuisce l'idrogeno interfacciale nel bulk di silicio, ripristinando la passivazione chimica attraverso il recupero di Dit, ma la FTIR rivela un riarrangiamento strutturale permanente dello stack dielettrico", ha aggiunto Hoex. "Strati di AlOx da 7 nm più spessi migliorano significativamente la resilienza UVID agendo come una barriera più efficace al trasporto di idrogeno, piuttosto che attraverso differenze nella passivazione per effetto di campo".
"Questo lavoro stabilisce un modello fisico unificato che collega UVID, trasporto di idrogeno, intrappolamento di carica e modifica strutturale", ha concluso Hoex. "Spiega perché una parte del degrado è elettricamente reversibile ma strutturalmente irreversibile, e fornisce chiare linee guida per la progettazione di stack di passivazione TOPCon più resistenti ai raggi UV, nonché protocolli di test UV accelerati migliorati".
Il lavoro di ricerca è stato presentato in “Charge trapping, accumulo di idrogeno e riarrangiamento strutturale: un modello completo per la degradazione indotta da ultravioletti nei dispositivi TOPCon”, pubblicato in Materiali per l'energia solare e celle solari.
A giugno, i ricercatori dell'Università di Oxford nel Regno Unito e la società cinese Changzhou Fusion New Materials, specializzata in paste metallizzanti, hanno individuato una nuova modalità di guasto nei moduli solari TOPCon basati su LECO.
Altre ricerche condotte dall'UNSW hanno mostrato l'impatto del flusso di saldatura sulle prestazioni delle celle solari TOPCon, sui meccanismi di degradazione delle celle solari TOPCon industrialisolaremoduli incapsulati con etilene vinil acetato (EVA) in condizioni accelerate di calore e umidità, nonché la vulnerabilità delle celle solari TOPCon alla corrosione da contatto e tre tipi di guasti dei moduli solari TOPCon che non sono mai stati rilevati nei pannelli PERC.
Inoltre, gli scienziati dell'UNSW hanno studiato la degradazione indotta dal sodio delle celle solari TOPCon sottoposte a esposizione a calore umido, il ruolo dei "contaminanti nascosti" nella degradazione sia dei dispositivi TOPCon che di quelli a eterogiunzione e l'impatto dell'irradiazione elettronica su PERC e sulle prestazioni delle celle solari TOPCon.