Antecedentes de la investigación

TOPCon se ha convertido en una de las tecnologías dominantes en la industria fotovoltaica de silicio cristalino. Sin embargo, una alta eficiencia no significa automáticamente estabilidad a largo plazo. Se han reportado diferencias en la degradación inducida por ultravioleta, o UVID, en varias estructuras de células solares. Las células TOPCon, PERC y HJT pueden verse afectadas, pero las ubicaciones de degradación y los mecanismos dominantes no son exactamente los mismos.

Las discusiones pasadas sobre la degradación UV a menudo se han centrado en la ruptura de enlaces Si-H por fotones de alta energía, seguida de la liberación de hidrógeno y cambios en la pasivación de la interfaz. El espectro ultravioleta que se encuentra en un entorno real de módulo fotovoltaico no se limita a una longitud de onda. La superficie frontal iluminada también contiene varias regiones acopladas, incluyendo SiNx, Al2O3, el emisor de boro y los contactos metálicos. Por lo tanto, los autores argumentan que la degradación UV en células TOPCon no debe estudiarse solo a través del comportamiento del hidrógeno. La migración de oxígeno y las interfaces de contacto también importan.

Un detalle es fácil de pasar por alto. El vidrio del módulo generalmente filtra la mayor parte de la radiación UVB, pero no protege completamente la superficie celular iluminada de la exposición ultravioleta. El espectro discutido en el artículo está dominado por UVA, aunque contiene aproximadamente un 11% de UVB. Los autores utilizaron muestras sin encapsular. Por lo tanto, el experimento no es equivalente al envejecimiento exterior de un módulo completo, pero ayuda a amplificar y separar las regiones sensibles a los UV en la superficie frontal de la célula.

Este artículo se entiende mejor como una investigación de mecanismos de falla que como un estudio de certificación de vida útil de módulos. La pérdida de eficiencia relativa del 6.72% después de UV60 no debe convertirse directamente en una pérdida de potencia esperada en módulos exteriores. El punto más importante es cómo los autores utilizan diferentes métodos de caracterización para conectar el daño de pasivación de la superficie frontal, la oxidación de la interfaz y la degradación del contacto metálico.

Método Experimental

El estudio utilizó células TOPCon comerciales de medio corte que miden 182 mm × 105 mm. Las células estaban hechas de silicio monocristalino Czochralski tipo n con una resistividad de aproximadamente 1.0 Ω·cm y un espesor de oblea de aproximadamente 130 μm. Para comparar la resistencia UV de las estructuras frontal y trasera, los investigadores también prepararon muestras simétricas de superficie frontal y muestras simétricas de superficie trasera.

La estructura frontal consistía en SiNx/Al2O3. La estructura trasera consistía en SiOx/n+ poly-Si/Al2O3/SiNx. Los principales espesores de película reportados en el artículo se enumeran a continuación.

Los investigadores compararon la vida útil de los portadores minoritarios, el voltaje de circuito abierto implícito y J0 antes y después de la exposición para evaluar la estabilidad de la pasivación. Se utilizó espectrometría de masas de iones secundarios por tiempo de vuelo, o ToF-SIMS, para rastrear la distribución de profundidad de hidrógeno y oxígeno. Se aplicó perfilado de profundidad por espectroscopía de fotoelectrones de rayos X, o XPS, para analizar los estados químicos de N 1s, O 1s, Al 2p y Si 2p. Las mediciones de EQE, TLM y I-V luego conectaron los cambios en las películas delgadas con las pérdidas eléctricas a nivel de célula.

La fortaleza de este diseño experimental radica en el uso combinado de celdas completas y estructuras simétricas. Las celdas completas muestran cómo cambian la eficiencia, Voc, Jsc, el factor de llenado y la resistencia de contacto. Las muestras simétricas frontal y posterior reducen la interferencia del resto de la estructura de la celda, facilitando la identificación de qué lado de pasivación es más sensible a la exposición UV.

Figura 1: Esquemas de la celda TOPCon, la estructura simétrica de la superficie frontal y la estructura simétrica de la superficie posterior. Las muestras simétricas permiten comparar por separado la resistencia UV del apilamiento frontal SiNx/Al2O3 y del contacto pasivante posterior de poli-Si.

Las condiciones de exposición UV también deben considerarse por sí mismas. El estudio utilizó una intensidad ultravioleta de 300 W/m², una temperatura de 60°C, una humedad relativa del 30% y una dosis máxima acumulada de 60 kWh/m². El espectro se concentró principalmente en el rango UVA, con un componente UVB más pequeño. Esto es más concentrado que la exposición exterior ordinaria y es adecuado para acelerar los cambios químicos observables en la superficie frontal en un entorno de laboratorio.

Figura 2: Espectro ultravioleta utilizado en el experimento. El espectro está dominado por UVA y contiene un componente UVB más pequeño, lo que permite observar el efecto de los fotones de mayor energía en las capas de pasivación frontal.

Resultados y Discusión

La Estructura Frontal es Claramente Más Sensible a los UV que la Estructura Posterior

La Figura 3 proporciona la comparación más directa entre las dos estructuras. La estructura simétrica posterior mostró solo cambios menores después de UV60. La estructura simétrica frontal continuó degradándose a medida que aumentaba la dosis UV. Según el artículo, la vida útil promedio de las muestras frontales disminuyó de 2895.6 μs a 1552.8 μs. El voltaje de circuito abierto implícito cayó de 735.5 mV a 715.2 mV. La J0 de un solo lado aumentó a 18.4 fA/cm², aproximadamente tres veces su valor inicial.

Estos resultados indican que el principal problema bajo UV60 no fue la inestabilidad del contacto pasivante posterior de polisilicio tipo TOPCon. Fue el deterioro de la calidad de pasivación en la estructura frontal iluminada de SiNx/Al2O3. Los autores atribuyen la relativa estabilidad de la parte posterior a la absorción de UV por la capa de polisilicio de 120 nm. Este es un mecanismo razonable basado en la estructura y sus características de absorción óptica, aunque sigue siendo una interpretación a nivel de mecanismo.

Los tres parámetros respaldan la misma conclusión desde diferentes direcciones. Una menor vida útil y un menor iVoc apuntan a una mayor recombinación superficial. El aumento de J0 proporciona evidencia más directa de un aumento de la corriente de recombinación. Los autores no se basaron en un solo indicador. La vida útil, el voltaje y la corriente de recombinación muestran deterioro de la estructura frontal, mientras que las curvas verdes que representan la estructura posterior permanecen en gran medida estables.

Figura 3: Cambios en la vida útil, el voltaje de circuito abierto implícito y J0 para las estructuras frontal y posterior bajo exposición UV. Las curvas rojas de la estructura frontal muestran una mayor degradación, identificando la pila de pasivación iluminada de SiNx/Al2O3 como el principal punto débil.

ToF-SIMS Muestra Redistribución Tanto de Hidrógeno como de Oxígeno

Los perfiles de profundidad de ToF-SIMS muestran que la degradación de la superficie frontal no es causada por un solo elemento. En la Figura 4a, la concentración de hidrógeno aumenta después de UV60, especialmente en la capa de SiNx. Los autores sugieren que esto puede resultar no solo de la ruptura de enlaces Si-H comúnmente discutida, sino también de la ruptura de enlaces N-H dentro del SiNx.

La Figura 4b muestra que la distribución de oxígeno también cambia. La concentración de oxígeno en la capa de Al2O3 disminuye ligeramente, mientras que aumenta cerca de las interfaces SiNx/Al2O3 y Al2O3/Si. Los autores interpretan esto como resultado de la ruptura de enlaces Al-O en Al2O3, seguida de la difusión del oxígeno liberado hacia la capa de SiNx y la superficie de silicio.

El punto clave no es simplemente que haya más oxígeno. El oxígeno está dejando su red original o entorno de enlace y cambiando el estado químico de las interfaces.

La ubicación de cada cambio de curva es importante. La señal de hidrógeno más fuerte en la región de SiNx muestra que la película de pasivación superior está directamente involucrada en la reacción. Los cambios de oxígeno cerca de las interfaces apuntan a una inestabilidad química entre Al2O3 y las capas adyacentes. En conjunto, estos resultados ayudan a explicar por qué la degradación de la superficie frontal afecta tanto la calidad de pasivación como la salida eléctrica final.

Figura 4: Distribuciones de profundidad ToF-SIMS de hidrógeno y oxígeno antes y después de UV60. El hidrógeno aumenta en la pila de pasivación, mientras que el oxígeno se redistribuye cerca de las interfaces, proporcionando pistas sobre los cambios de enlace químico identificados posteriormente por XPS.

XPS conecta la ruptura de enlaces N-H, las vacantes de oxígeno y el aumento de Al-OH

Los espectros XPS de N 1s ajustados muestran que la proporción de enlaces N-H en la interfaz SiNx/Al2O3 disminuyó del 9.64% al 5.97%. Esto respalda la conclusión de los autores de que los enlaces N-H también participan en la liberación de hidrógeno. Al mismo tiempo, la señal de N-H aumentó cerca de la superficie de SiNx, lo que sugiere que parte del hidrógeno liberado puede migrar hacia la región de SiNx y formar nuevos enlaces allí.

Los cambios en O 1s son una de las partes más distintivas del estudio. Los autores separaron la señal de O 1s en oxígeno de red, componentes relacionados con vacantes de oxígeno y oxígeno adsorbido en superficie. Después de UV60, la proporción de picos relacionados con vacantes de oxígeno aumentó tanto en las interfaces SiNx/Al2O3 como Al2O3/Si. Esto indica un daño en la calidad de la película de Al2O3.

La evidencia amplía el mecanismo de degradación más allá de la pérdida de pasivación inducida por hidrógeno. La degradación relacionada con hidrógeno y oxígeno parece actuar conjuntamente, aumentando la recombinación en la superficie frontal.

ToF-SIMS y XPS proporcionan diferentes tipos de información. ToF-SIMS es más adecuado para mostrar dónde se distribuyen los elementos a través de la profundidad de la pila de películas. XPS ayuda a determinar el estado químico de esos elementos. El ajuste de N-Si y N-H en los espectros N 1s, junto con los componentes de oxígeno de red y relacionados con vacantes de oxígeno en los espectros O 1s, lleva el análisis desde la ubicación elemental hasta los cambios en los enlaces químicos.

Los autores señalan que los enlaces Al-O tienen una energía de enlace relativamente alta en Al2O3 cristalino ideal. Sin embargo, las películas de pasivación reales de células solares suelen ser amorfas. Los iones de aluminio subcoordinados y las vacantes de oxígeno pueden reducir la barrera de energía local para la ruptura de enlaces. Por esta razón, incluso los fotones a la longitud de onda más larga del experimento de 400 nm, correspondiente a aproximadamente 3.1 eV, pueden desencadenar cambios estructurales relacionados con Al-O en un entorno rico en defectos. Esta interpretación vincula directamente los defectos de las películas delgadas con la sensibilidad UV.

Figura 5: Espectros XPS ajustados de N 1s y O 1s. Los cambios en los enlaces N-H corresponden a la liberación y migración de hidrógeno. El aumento del componente relacionado con vacantes de oxígeno en los espectros O 1s indica una disminución en la calidad de pasivación de Al2O3.

Al2O3 no es un espectador completamente estable

La Figura 7 rastrea adicionalmente Al 2p y Si 2p en la interfaz Al2O3/Si. Después de UV60, la proporción asignada al componente Al2O3 disminuyó del 69.99% al 60.36%, mientras que Al-OH aumentó del 30.01% al 39.64%. Esto indica una clara conversión de las estructuras relacionadas con Al-O bajo exposición ultravioleta.

Los resultados de Si 2p muestran la aparición y el aumento de Si2+ después de UV60, mientras que los componentes asociados con Si, Si3+ y Si4+ disminuyen. Basándose en estos resultados, los autores proponen que el oxígeno libre que se difunde hacia la interfaz Al2O3/Si puede oxidar el silicio mientras se forman vacantes de oxígeno en la capa de Al2O3. Los espectros XPS respaldan esta interpretación, aunque aún se necesitaría caracterización in-situ directa para confirmar la vía de reacción exacta.

Este hallazgo es importante para la confiabilidad de la superficie frontal de TOPCon. Se espera que Al2O3 proporcione pasivación por efecto de campo y estabilidad de la interfaz. Una vez que las estructuras relacionadas con Al-O comienzan a convertirse en Al-OH, acompañadas de una mayor concentración de vacantes de oxígeno, la película ya no es solo una capa protectora. Puede convertirse en parte de la reacción de degradación en sí misma. Los cambios en los estados de oxidación del silicio también indican que la química de la interfaz se ha alterado.

Figura 6: Cambios en los espectros XPS de Al 2p y Si 2p en la interfaz Al2O3/Si. La conversión de las estructuras relacionadas con Al2O3 hacia Al-OH y los cambios en los estados de oxidación del silicio muestran que las reacciones relacionadas con el oxígeno participan en la degradación de la superficie frontal.

Las pérdidas eléctricas finalmente aparecen en Voc y Factor de Llenado

Una vez que el estado químico del stack de pasivación cambia, los efectos eléctricos a nivel de celda se vuelven claros. En la Figura 8, la EQE permanece en gran medida estable en los rangos de longitud de onda media y larga, pero disminuye por debajo de 500 nm. La reflectancia permanece casi sin cambios. Esto sugiere que la pérdida de respuesta en longitud de onda corta es causada principalmente por una mayor recombinación en la superficie frontal, en lugar de un deterioro repentino en el texturizado, el rendimiento antirreflectante o la absorción óptica.

Figura 7: Curvas de EQE y reflectancia antes y después de UV60. La reflectancia permanece casi estable mientras que la EQE de longitud de onda corta disminuye, indicando que la pérdida de respuesta de corriente está principalmente asociada con una mayor recombinación en la superficie frontal.

La disminución del EQE de longitud de onda corta concuerda con el aumento previo en J0. La luz de longitud de onda corta se absorbe cerca de la superficie frontal de la célula. Si la pasivación de la superficie frontal está dañada, los portadores generados en esta región tienen más probabilidades de recombinarse antes de la recolección. Por lo tanto, la pérdida aparece primero en el rango de EQE de longitud de onda corta. La luz de longitud de onda media y larga penetra más profundamente en el volumen o hacia la parte trasera, por lo que los cambios de respuesta correspondientes son menores.

Las mediciones TLM muestran que la resistividad del contacto frontal aumentó casi linealmente con la dosis de UV. Después de UV60, alcanzó 4.1 mΩ·cm², aproximadamente 8.6 veces su valor inicial. Los autores sugieren que el hidrógeno libre, el oxígeno libre y los radicales reactivos producidos durante la exposición a UV pueden participar en reacciones en la interfaz del electrodo metálico, aumentando la resistencia de contacto. Esta explicación es consistente con las mediciones de resistencia, aunque los productos de reacción exactos en la interfaz del electrodo aún requieren evidencia química más directa.

Figura 8: La resistividad del contacto frontal aumenta con la dosis de exposición a UV. Después de UV60, la resistividad de contacto es aproximadamente 8.6 veces su valor inicial, lo que la convierte en un contribuyente importante a la pérdida de factor de llenado.

La degradación relativa final de los parámetros de la célula se informó de la siguiente manera.

La conclusión eléctrica central es clara. Bajo UV60, las principales pérdidas de TOPCon no provienen de la reducción de corriente. Provienen de la pérdida de Voc causada por la degradación de la pasivación de la superficie frontal y la pérdida de factor de llenado asociada con el aumento de la resistencia de contacto frontal.

Esto también explica por qué mirar solo Jsc puede subestimar el riesgo de degradación por UV. El EQE de longitud de onda corta cambia, pero el Jsc total disminuye solo un 0.64%. Los problemas de recombinación y contacto crean la mayor pérdida de eficiencia. En células TOPCon de alta eficiencia, Voc y el factor de llenado son altamente sensibles a la calidad de la interfaz, la condición de pasivación y el rendimiento del contacto metálico. Estos parámetros pueden exponer debilidades de confiabilidad antes que Jsc.

Figura 9: Degradación relativa de Voc, Jsc, factor de llenado y eficiencia bajo UV60. La eficiencia disminuye un 6.72%, impulsada principalmente por las pérdidas de Voc y factor de llenado, mientras que el cambio en Jsc permanece relativamente pequeño.

Evaluación del Mecanismo y Aplicación

El mecanismo propuesto se puede resumir de la siguiente manera: la exposición a UV cambia los estados de enlace en la estructura frontal de SiNx/Al2O3. Los enlaces Si-H y N-H se rompen y liberan hidrógeno. Las estructuras relacionadas con Al-O se transforman y se forman vacantes de oxígeno. El oxígeno libre migra hacia las interfaces, la recombinación en la superficie frontal aumenta y las reacciones electroquímicas alrededor de la región de contacto pueden aumentar la resistencia de contacto frontal.

Los resultados de vida útil, iVoc, J0, EQE, TLM e I-V proporcionan soporte directo para la degradación eléctrica. ToF-SIMS y XPS respaldan la migración de hidrógeno y oxígeno, así como los cambios relacionados en los enlaces químicos. La interpretación de la interfaz del electrodo metálico requiere más precaución. El artículo infiere principalmente este mecanismo a partir de una mayor resistencia de contacto y hallazgos en estudios anteriores. Se necesitarían mediciones de distribución elemental, estados químicos o análisis transversal de la interfaz del electrodo para una confirmación más sólida.

Para la producción industrial, el artículo es un recordatorio de que la confiabilidad UV de TOPCon no puede evaluarse solo a través de la eficiencia inicial de la celda. Varios factores pueden influir en el rendimiento energético a largo plazo:

• La calidad del material de la pila de pasivación frontal SiNx/Al2O3

• La concentración de hidrógeno y la estabilidad de los enlaces Si-H y N-H

• La concentración de vacantes de oxígeno en la capa de Al2O3

• La estabilidad de la interfaz del contacto metálico

• El filtrado de UVA y UVB por el vidrio del módulo y los encapsulantes

• Las interacciones entre la exposición ultravioleta, la humedad, el calor, el estrés mecánico y los campos eléctricos

Cuando esta investigación se considera a nivel de módulo, el espectro real que llega a la celda será filtrado nuevamente por el vidrio y la película de encapsulación. La humedad, el estrés térmico y los campos eléctricos también participarán en el envejecimiento. Por lo tanto, los mecanismos reportados en el artículo son más útiles como direcciones para la optimización de materiales y procesos que como un reemplazo de las pruebas IEC o los datos de campo a largo plazo.

Un próximo paso valioso sería evaluar celdas sin encapsular, mini-módulos encapsulados y módulos expuestos al exterior dentro del mismo marco de validación. Eso facilitaría determinar qué cambios químicos siguen siendo importantes después del filtrado espectral realista y el acoplamiento ambiental.

Las posibles direcciones de optimización del proceso incluyen:

• Reducir las fuentes inestables de hidrógeno en la pila frontal de SiNx/Al2O3

• Mejorar la red amorfa de Al2O3 y controlar las vacantes de oxígeno

• Optimización de las condiciones de cocción y metalización para una mejor estabilidad de la interfaz de contacto

• Mejora de la resistencia a las reacciones relacionadas con la oxidación alrededor del contacto metálico frontal

• Selección de materiales de encapsulación que reduzcan el impacto directo de los UV de alta energía en la superficie de la célula

El artículo no proporciona una solución completa. Define los límites del problema con mayor claridad y muestra que la pasivación de la superficie frontal y la ingeniería de contactos deben considerarse juntas.

Conclusión de la investigación: qué se debe resolver a continuación

Mediante pruebas de exposición UV60, los autores muestran que la estructura frontal SiNx/Al2O3 de las células TOPCon es más vulnerable a la degradación inducida por ultravioleta que el contacto pasivante trasero de poli-Si. La degradación no es causada por un factor aislado. Los procesos relacionados con el hidrógeno, los procesos relacionados con el oxígeno y el aumento de la resistencia de contacto frontal contribuyen.

La importancia de este trabajo radica en ir más allá de la explicación de la degradación UV de TOPCon basada únicamente en la ruptura del enlace Si-H. Presenta un marco más amplio de evolución química de la superficie frontal. Reducir el riesgo de UVID probablemente requerirá una optimización coordinada de la pila de pasivación frontal, las vacantes de oxígeno en la interfaz, la gestión del hidrógeno, los contactos de metalización y el filtrado UV mediante el encapsulado del módulo. Ajustar solo un parámetro de la película puede no ser suficiente.

Las limitaciones deben mantenerse claras. Las muestras no estaban encapsuladas bajo las condiciones UV reportadas, y parte del mecanismo propuesto de degradación del contacto metálico sigue siendo inferencial. La interpretación más cuidadosa es que el artículo demuestra una relación clara entre la evolución de la composición química y la degradación eléctrica en la superficie frontal de TOPCon bajo exposición UV. También proporciona objetivos específicos para futuros estudios de fiabilidad a largo plazo después del encapsulado.

Referencia

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.

Opinión de Ooitech

El mensaje práctico es simple: la pasivación frontal y la metalización deben tratarse como un sistema de fiabilidad, no como pasos de proceso separados. Un Voc inicial estable no es suficiente si la exposición UV puede cambiar la química del Al2O3 y aumentar constantemente la resistencia de contacto frontal. La validación futura debe conectar las pruebas UV a nivel de célula con pruebas de mini-módulos encapsulados bajo espectros realistas de vidrio y encapsulante.