Contexto da Pesquisa

TOPCon se tornou uma das tecnologias dominantes na indústria fotovoltaica de silício cristalino. Alta eficiência, no entanto, não significa automaticamente estabilidade de longo prazo. Diferenças na degradação induzida por ultravioleta, ou UVID, foram relatadas em várias estruturas de células solares. Células TOPCon, PERC e HJT podem ser afetadas, mas os locais de degradação e os mecanismos dominantes não são exatamente os mesmos.

Discussões anteriores sobre degradação UV frequentemente focaram em fótons de alta energia quebrando ligações Si-H, seguido pela liberação de hidrogênio e mudanças na passivação da interface. O espectro ultravioleta encontrado em um ambiente real de módulo PV não se limita a um comprimento de onda. A superfície frontal iluminada também contém várias regiões acopladas, incluindo SiNx, Al2O3, o emissor de boro e contatos metálicos. Os autores, portanto, argumentam que a degradação UV em células TOPCon não deve ser estudada apenas através do comportamento do hidrogênio. A migração de oxigênio e as interfaces de contato também são importantes.

Um detalhe é fácil de ignorar. O vidro do módulo geralmente filtra a maior parte da radiação UVB, mas não protege completamente a superfície da célula iluminada da exposição ultravioleta. O espectro discutido no artigo é dominado por UVA, mas ainda contém cerca de 11% de UVB. Os autores usaram amostras não encapsuladas. O experimento, portanto, não é equivalente ao envelhecimento externo de um módulo completo, mas ajuda a amplificar e separar as regiões sensíveis aos UV na superfície frontal da célula.

Este artigo é melhor lido como uma investigação de mecanismo de falha do que como um estudo de certificação de vida útil do módulo. A perda de eficiência relativa de 6,72% após UV60 não deve ser diretamente convertida em uma perda de potência esperada do módulo externo. O ponto mais importante é como os autores usam diferentes métodos de caracterização para conectar danos na passivação da superfície frontal, oxidação da interface e degradação do contato metálico.

Método Experimental

O estudo utilizou células TOPCon comerciais cortadas ao meio medindo 182 mm × 105 mm. As células foram feitas de silício monocristalino Czochralski tipo n com resistividade de cerca de 1,0 Ω·cm e espessura de wafer de aproximadamente 130 μm. Para comparar a resistência UV das estruturas frontal e traseira, os pesquisadores também prepararam amostras simétricas de superfície frontal e amostras simétricas de superfície traseira.

A estrutura frontal consistia em SiNx/Al2O3. A estrutura traseira consistia em SiOx/n+ poly-Si/Al2O3/SiNx. As principais espessuras de filme relatadas no artigo estão listadas abaixo.

Os pesquisadores compararam o tempo de vida dos portadores minoritários, a tensão de circuito aberto implícita e J0 antes e depois da exposição para avaliar a estabilidade da passivação. A espectrometria de massa de íons secundários por tempo de voo, ou ToF-SIMS, foi usada para rastrear a distribuição de profundidade de hidrogênio e oxigênio. A espectroscopia de fotoelétrons de raios X, ou XPS, com perfil de profundidade foi aplicada para analisar os estados químicos de N 1s, O 1s, Al 2p e Si 2p. Medidas de EQE, TLM e I-V então conectaram as mudanças nas camadas finas com as perdas elétricas no nível da célula.

A força deste desenho experimental reside no uso combinado de células completas e estruturas simétricas. As células completas mostram como a eficiência, Voc, Jsc, fator de preenchimento e resistência de contato mudam. As amostras simétricas frontal e traseira reduzem a interferência do restante da estrutura da célula, facilitando a identificação de qual lado de passivação é mais sensível à exposição UV.

Figura 1: Esquemas da célula TOPCon, estrutura simétrica de superfície frontal e estrutura simétrica de superfície traseira. As amostras simétricas permitem comparar separadamente a resistência UV do empilhamento frontal SiNx/Al2O3 e do contato passivante traseiro de poli-Si.

As condições de exposição UV também precisam ser consideradas por si só. O estudo utilizou uma intensidade ultravioleta de 300 W/m², temperatura de 60°C, umidade relativa de 30% e uma dose acumulada máxima de 60 kWh/m². O espectro estava concentrado principalmente na faixa UVA, com um componente UVB menor. Isso é mais concentrado do que a exposição externa comum e é adequado para acelerar mudanças químicas observáveis na superfície frontal em ambiente laboratorial.

Figura 2: Espectro ultravioleta usado no experimento. O espectro é dominado por UVA e contém um componente UVB menor, permitindo observar o efeito de fótons de maior energia nas camadas de passivação frontal.

Resultados e Discussão

A Estrutura Frontal É Claramente Mais Sensível ao UV do Que a Estrutura Traseira

A Figura 3 fornece a comparação mais direta entre as duas estruturas. A estrutura simétrica traseira mostrou apenas pequenas alterações após UV60. A estrutura simétrica frontal continuou a degradar à medida que a dose UV aumentava. De acordo com o artigo, o tempo de vida médio das amostras frontais diminuiu de 2895,6 μs para 1552,8 μs. A tensão de circuito aberto implícita caiu de 735,5 mV para 715,2 mV. O J0 de um lado aumentou para 18,4 fA/cm², cerca de três vezes seu valor inicial.

Esses resultados indicam que o principal problema sob UV60 não foi a instabilidade do contato passivante de poli-Si tipo TOPCon traseiro. Foi a deterioração da qualidade de passivação na estrutura frontal iluminada de SiNx/Al2O3. Os autores atribuem a relativa estabilidade do lado traseiro à absorção de UV pela camada de poli-Si de 120 nm. Este é um mecanismo razoável baseado na estrutura e suas características de absorção óptica, embora permaneça uma interpretação em nível de mecanismo.

Os três parâmetros suportam a mesma conclusão de diferentes direções. Menor tempo de vida e menor iVoc apontam para maior recombinação superficial. O aumento de J0 fornece evidência mais direta de aumento da corrente de recombinação. Os autores não confiaram em um único indicador. Tempo de vida, tensão e corrente de recombinação mostram deterioração da estrutura frontal, enquanto as curvas verdes representando a estrutura traseira permanecem amplamente estáveis.

Figura 3: Mudanças no tempo de vida, tensão de circuito aberto implícita e J0 para as estruturas frontal e traseira sob exposição UV. As curvas vermelhas da estrutura frontal mostram maior degradação, identificando a pilha de passivação iluminada de SiNx/Al2O3 como o principal ponto fraco.

ToF-SIMS Mostra Redistribuição de Hidrogênio e Oxigênio

Os perfis de profundidade ToF-SIMS mostram que a degradação da superfície frontal não é causada por apenas um elemento. Na Figura 4a, a concentração de hidrogênio aumenta após UV60, especialmente na camada de SiNx. Os autores sugerem que isso pode resultar não apenas da quebra comumente discutida de ligações Si-H, mas também da quebra de ligações N-H dentro do SiNx.

A Figura 4b mostra que a distribuição de oxigênio também muda. A concentração de oxigênio na camada de Al2O3 diminui ligeiramente, enquanto aumenta perto das interfaces SiNx/Al2O3 e Al2O3/Si. Os autores interpretam isso como resultado da quebra de ligações Al-O no Al2O3, seguida pela difusão do oxigênio liberado em direção à camada de SiNx e à superfície de silício.

O ponto chave não é simplesmente que há mais oxigênio. O oxigênio está deixando sua rede original ou ambiente de ligação e mudando o estado químico das interfaces.

A localização de cada mudança de curva é importante. O sinal de hidrogênio mais forte na região de SiNx mostra que o filme de passivação superior está diretamente envolvido na reação. As mudanças de oxigênio perto das interfaces apontam para instabilidade química entre Al2O3 e as camadas adjacentes. Em conjunto, esses resultados ajudam a explicar por que a degradação da superfície frontal afeta tanto a qualidade da passivação quanto a saída elétrica final.

Figura 4: Distribuições de profundidade ToF-SIMS de hidrogênio e oxigênio antes e após UV60. O hidrogênio aumenta na pilha de passivação, enquanto o oxigênio é redistribuído próximo às interfaces, fornecendo pistas para as mudanças nas ligações químicas posteriormente identificadas por XPS.

XPS Conecta Quebra de Ligação N-H, Vacâncias de Oxigênio e Aumento de Al-OH

Os espectros XPS de N 1s ajustados mostram que a proporção de ligações N-H na interface SiNx/Al2O3 diminuiu de 9,64% para 5,97%. Isso apoia a conclusão dos autores de que as ligações N-H também participam da liberação de hidrogênio. Ao mesmo tempo, o sinal de N-H aumentou próximo à superfície do SiNx, sugerindo que parte do hidrogênio liberado pode migrar em direção à região do SiNx e formar novas ligações lá.

As mudanças no O 1s são uma das partes mais distintivas do estudo. Os autores separaram o sinal O 1s em oxigênio da rede, componentes relacionados a vacâncias de oxigênio e oxigênio adsorvido na superfície. Após UV60, a proporção de picos relacionados a vacâncias de oxigênio aumentou tanto na interface SiNx/Al2O3 quanto na interface Al2O3/Si. Isso indica danos à qualidade do filme de Al2O3.

As evidências expandem o mecanismo de degradação além da perda de passivação induzida por hidrogênio. A degradação relacionada ao hidrogênio e ao oxigênio parecem trabalhar juntas, aumentando a recombinação na superfície frontal.

ToF-SIMS e XPS fornecem diferentes tipos de informação. ToF-SIMS é mais adequado para mostrar onde os elementos estão distribuídos ao longo da profundidade da pilha de filmes. XPS ajuda a determinar o estado químico desses elementos. O ajuste de N-Si e N-H nos espectros N 1s, juntamente com os componentes de oxigênio da rede e relacionados a vacâncias de oxigênio nos espectros O 1s, leva a análise da localização elementar para mudanças nas ligações químicas.

Os autores apontam que as ligações Al-O têm energia de ligação relativamente alta em Al2O3 cristalino ideal. No entanto, os filmes de passivação de células solares reais são geralmente amorfos. Íons de alumínio subcoordenados e vacâncias de oxigênio podem reduzir a barreira de energia local para quebra de ligação. Por esta razão, mesmo fótons no comprimento de onda mais longo do experimento de 400 nm, correspondendo a cerca de 3,1 eV, podem desencadear mudanças estruturais relacionadas ao Al-O em um ambiente rico em defeitos. Esta interpretação liga diretamente os defeitos do filme fino à sensibilidade UV.

Figura 5: Espectros XPS ajustados de N 1s e O 1s. Mudanças na ligação N-H correspondem à liberação e migração de hidrogênio. O aumento do componente relacionado a vacâncias de oxigênio nos espectros O 1s indica declínio na qualidade da passivação do Al2O3.

Al2O3 Não É um Espectador Completamente Estável

A Figura 7 acompanha ainda Al 2p e Si 2p na interface Al2O3/Si. Após UV60, a proporção atribuída ao componente Al2O3 diminuiu de 69,99% para 60,36%, enquanto Al-OH aumentou de 30,01% para 39,64%. Isso indica uma clara conversão de estruturas relacionadas a Al-O sob exposição ultravioleta.

Os resultados de Si 2p mostram o aparecimento e aumento de Si2+ após UV60, enquanto os componentes associados a Si, Si3+ e Si4+ diminuem. Com base nesses resultados, os autores propõem que o oxigênio livre difundindo em direção à interface Al2O3/Si pode oxidar o silício enquanto vacâncias de oxigênio se formam na camada de Al2O3. Os espectros de XPS apoiam essa interpretação, embora a caracterização in-situ direta ainda seja necessária para confirmar a via de reação exata.

Essa descoberta é importante para a confiabilidade da superfície frontal do TOPCon. O Al2O3 tem a função de fornecer passivação por efeito de campo e estabilidade de interface. Uma vez que estruturas relacionadas a Al-O começam a se converter em Al-OH, acompanhadas por uma maior concentração de vacâncias de oxigênio, o filme não é mais apenas uma camada protetora. Pode se tornar parte da própria reação de degradação. Mudanças nos estados de oxidação do silício também indicam que a química da interface foi alterada.

Figura 6: Mudanças nos espectros de XPS de Al 2p e Si 2p na interface Al2O3/Si. A conversão de estruturas relacionadas a Al2O3 para Al-OH e as mudanças nos estados de oxidação do silício mostram que reações relacionadas ao oxigênio participam da degradação da superfície frontal.

Perdas Elétricas Aparecem Finalmente em Voc e Fator de Preenchimento

Uma vez que o estado químico da pilha de passivação muda, os efeitos elétricos no nível da célula se tornam claros. Na Figura 8, a EQE permanece amplamente estável nas faixas de comprimento de onda médio e longo, mas diminui abaixo de 500 nm. A refletância permanece quase inalterada. Isso sugere que a perda de resposta em comprimentos de onda curtos é causada principalmente por maior recombinação na superfície frontal, em vez de uma deterioração repentina na texturização, desempenho antirreflexo ou absorção óptica.

Figura 7: Curvas de EQE e refletância antes e após UV60. A refletância permanece quase estável enquanto a EQE de comprimento de onda curto diminui, indicando que a perda de resposta de corrente está principalmente associada ao aumento da recombinação na superfície frontal.

A queda na EQE de comprimento de onda curto está de acordo com o aumento anterior em J0. A luz de comprimento de onda curto é absorvida perto da superfície frontal da célula. Se a passivação da superfície frontal for danificada, os portadores gerados nesta região têm maior probabilidade de recombinar antes da coleta. A perda aparece primeiro na faixa de EQE de comprimento de onda curto. A luz de comprimento de onda médio e longo penetra mais profundamente no volume ou em direção ao lado traseiro, portanto, as mudanças correspondentes na resposta são menores.

Medidas de TLM mostram que a resistividade de contato frontal aumentou quase linearmente com a dose de UV. Após UV60, atingiu 4,1 mΩ·cm², aproximadamente 8,6 vezes seu valor inicial. Os autores sugerem que hidrogênio livre, oxigênio livre e radicais reativos produzidos durante a exposição UV podem participar de reações na interface do eletrodo metálico, aumentando a resistência de contato. Esta explicação é consistente com as medidas de resistência, embora os produtos exatos da reação na interface do eletrodo ainda exijam mais evidências químicas diretas.

Figura 8: A resistividade de contato frontal aumenta com a dose de exposição UV. Após UV60, a resistividade de contato é aproximadamente 8,6 vezes seu valor inicial, tornando-se um importante contribuinte para a perda de fator de preenchimento.

A degradação relativa final dos parâmetros da célula foi relatada como segue.

A conclusão elétrica central é clara. Sob UV60, as principais perdas do TOPCon não vêm da redução de corrente. Elas vêm da perda de Voc causada pela degradação da passivação da superfície frontal e da perda de fator de preenchimento associada ao aumento da resistência de contato frontal.

Isso também explica por que olhar apenas para Jsc pode subestimar o risco de degradação UV. A EQE de comprimento de onda curto muda, mas o Jsc total diminui apenas 0,64%. Problemas de recombinação e contato criam a maior perda de eficiência. Em células TOPCon de alta eficiência, Voc e fator de preenchimento são altamente sensíveis à qualidade da interface, condição de passivação e desempenho do contato metálico. Esses parâmetros podem expor fraquezas de confiabilidade mais cedo do que Jsc.

Figura 9: Degradação relativa de Voc, Jsc, fator de preenchimento e eficiência sob UV60. A eficiência diminui 6,72%, impulsionada principalmente por perdas de Voc e fator de preenchimento, enquanto a mudança em Jsc permanece relativamente pequena.

Mecanismo e Avaliação de Aplicação

O mecanismo proposto pode ser resumido da seguinte forma: a exposição UV altera os estados de ligação na estrutura frontal de SiNx/Al2O3. As ligações Si-H e N-H se quebram e liberam hidrogênio. Estruturas relacionadas ao Al-O são transformadas e vacâncias de oxigênio se formam. O oxigênio livre migra em direção às interfaces, a recombinação na superfície frontal aumenta, e reações eletroquímicas ao redor da região de contato podem aumentar a resistência de contato frontal.

Os resultados de tempo de vida, iVoc, J0, EQE, TLM e I-V fornecem suporte direto para a degradação elétrica. ToF-SIMS e XPS apoiam a migração de hidrogênio e oxigênio, bem como as mudanças relacionadas nas ligações químicas. A interpretação da interface do eletrodo metálico requer mais cautela. O artigo infere principalmente esse mecanismo a partir do aumento da resistência de contato e de descobertas em estudos anteriores. Seriam necessárias medições de distribuição elementar, estados químicos ou análise transversal da interface do eletrodo para uma confirmação mais robusta.

Para a produção industrial, o artigo é um lembrete de que a confiabilidade UV do TOPCon não pode ser avaliada apenas pela eficiência inicial da célula. Vários fatores podem influenciar o desempenho energético de longo prazo:

• A qualidade do material da pilha de passivação frontal de SiNx/Al2O3

• A concentração de hidrogênio e a estabilidade das ligações Si-H e N-H

• A concentração de vacâncias de oxigênio na camada de Al2O3

• A estabilidade da interface de contato metálico

• Filtragem de UVA e UVB pelo vidro do módulo e encapsulantes

• Interações entre exposição ultravioleta, umidade, calor, estresse mecânico e campos elétricos

Quando esta pesquisa é considerada em nível de módulo, o espectro real que atinge a célula será filtrado novamente pelo vidro e filme de encapsulamento. Umidade, estresse térmico e campos elétricos também participarão do envelhecimento. Os mecanismos relatados no artigo são, portanto, mais úteis como direções para otimização de materiais e processos do que como substitutos para testes IEC ou dados de campo externo de longo prazo.

Um próximo passo valioso seria avaliar células não encapsuladas, mini-módulos encapsulados e módulos expostos ao ar livre dentro da mesma estrutura de validação. Isso facilitaria determinar quais mudanças químicas permanecem importantes após filtragem espectral realista e acoplamento ambiental.

Possíveis direções de otimização de processo incluem:

• Reduzir fontes instáveis de hidrogênio na pilha frontal de SiNx/Al2O3

• Melhorar a rede amorfa de Al2O3 e controlar vacâncias de oxigênio

• Otimizando condições de queima e metalização para melhor estabilidade da interface de contato

• Melhorando a resistência a reações relacionadas à oxidação ao redor do contato metálico frontal

• Selecionando materiais de encapsulamento que reduzam o impacto direto da UV de alta energia na superfície da célula

O artigo não fornece uma solução completa. Ele define os limites do problema de forma mais clara e mostra que a passivação da superfície frontal e a engenharia de contato precisam ser consideradas juntas.

Conclusão da Pesquisa: O que Precisa Ser Resolvido a Seguir

Através de testes de exposição UV60, os autores mostram que a estrutura frontal SiNx/Al2O3 das células TOPCon é mais vulnerável à degradação induzida por ultravioleta do que o contato passivador de poli-Si traseiro. A degradação não é causada por um fator isolado. Processos relacionados ao hidrogênio, processos relacionados ao oxigênio e o aumento da resistência de contato frontal contribuem.

A importância deste trabalho reside em ir além da explicação da degradação UV do TOPCon apenas pela quebra da ligação Si-H. Ele apresenta um quadro mais amplo de evolução química da superfície frontal. Reduzir o risco de UVID provavelmente exigirá otimização coordenada da pilha de passivação frontal, vacâncias de oxigênio na interface, gerenciamento de hidrogênio, contatos de metalização e filtragem UV pelo encapsulamento do módulo. Ajustar apenas um parâmetro de filme pode não ser suficiente.

As limitações devem permanecer claras. As amostras não foram encapsuladas sob as condições UV relatadas, e parte do mecanismo de degradação do contato metálico proposto ainda é inferencial. A interpretação mais cuidadosa é que o artigo demonstra uma relação clara entre a evolução da composição química e a degradação elétrica na superfície frontal do TOPCon sob exposição UV. Ele também fornece alvos específicos para estudos futuros de confiabilidade de longo prazo após encapsulamento.

Referência

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.

Visão da Ooitech

A mensagem prática é simples: passivação frontal e metalização devem ser tratadas como um sistema de confiabilidade, não como etapas de processo separadas. Um Voc inicial estável não é suficiente se a exposição UV puder alterar a química do Al2O3 e aumentar constantemente a resistência de contato frontal. A validação futura deve conectar testes de células com testes de mini-módulos encapsulados sob espectros realistas de vidro e encapsulante.