TOPCon 电池紫外（UV）降解退化分析与Al₂O₃、SiNₓ钝化层参数优化

紫外（UV）辐照是评估光伏电池长期可靠性的关键测试之一。采用美能复合紫外老化试验箱可精准模拟组件户外服役环境。随着隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）电池成为主流量产技术，其抗UV降解能力直接影响双面发电效率与组件寿命。已有研究表明，PERC电池在UV辐照下因硅氢键（Si-H）断裂导致钝化失效，但TOP Con 电池的UV降解研究尚不充分。本文通过对比量产TOPCon电池的测试数据，发现其前/后侧均发生明显降解，且背面敏感性更高。通过优化钝化层参数（如Al₂O₃厚度、SiNₓ折射率），提出缓解UV降解的工艺改进方案。

TOPCon 电池 UV 退化的实验表征

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TOPCon电池生产工艺流程

 

样品制备：采用晶硅电池TOPCon量产工艺，设置三组前侧AlOx钝化层参数：基准组（28 ALD循环）、对照组1（30循环）、对照组2（32循环）。UV测试：依据UV15标准（280–400 nm，总辐照量≥15 kWh/m²），测试前后分别进行电流-电压（IV）与量子效率（QE）表征。分析方法：对比前/后侧效率、开路电压（VOC）、短路电流（JSC）、填充因子（FF）及串联电阻（RS）变化，结合QE光谱定位降解波段。

前/后侧UV降解对比

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UV测试前后电池效率对比

 

电性能数据显示：正面效率从 26.295% 降至 25.994%（退化 0.301%），背面效率从 21.640% 降至 20.861%（退化 0.779%），背面退化程度约为正面的 2.6 倍。

正面量子效率对比

 背面量子效率对比

 

进一步分析 IV 参数发现，背面开路电压（VOC）降低 6.5 mV、短路电流（JSC）降低 153 mA，均显著高于正面退化幅度，表明背面钝化层对 UV 辐射更为敏感。量子效率（QE）测试显示，正面退化集中在300-500 nm紫外 - 可见光区，而背面在 450-1050 nm 可见 - 红外区退化更为显著，这与短路电流的下降趋势一致。

AlOx钝化层优化效果

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不同ALD循环次数电池效率对比

 

通过调整原子层沉积（ALD）氧化铝（AlOₓ）的循环次数（28/30/32 次），研究钝化层厚度对抗 UV 能力的影响。32 次循环的 AlOₓ层（厚度约 4 nm）可使电池在 UV 测试后的效率保持率升 0.13% - 0.16%，其正面效率达 26.131%，超过 28 次循环组（25.994%）和 30 次循环组（26.099%）。这是由于较厚的 AlOₓ层能提供更稳定的氢钝化环境，减少 UV 诱导的氢溢出。此外，背面 SiN 层的折射率和厚度优化实验显示，形成致密 SiN 钝化层可降低氢键断裂概率，进一步验证了钝化层结构对抗 UV 性能的决定性作用。

机制与优化建议

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降解机制：UV光子破坏Si-H键，引发前侧AlOx/SiNₓ复合钝化失效，后侧隧道氧化层（SiOx）氢溢出加剧钝化失效。优化方向：前侧：增加ALD循环数并优化气体流速/温度，提升AlOx均匀性；调控SiNₓ沉积温度以降低应力差异。后侧：优化SiNₓ层厚度与折射率，抑制氢键断裂；加强多晶硅表面致密钝化层。本研究证实TOPCon电池的UV退化同时发生在正面与背面，且背面更为敏感，其本质是 UV 诱导的 Si-H 键破坏导致钝化失效。通过优化 AlOₓ和 SiN 钝化层的厚度、折射率及均匀性，可显著提升电池的抗 UV 能力 ——32 次 ALD 循环的 AlOₓ层可使 UV 退化率降低约 20%。这些发现为 TOPCon 电池的可靠性提升提供了明确的技术路径，对推动光伏组件的长寿命化具有重要意义。

美能复合紫外老化试验箱

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美能复合紫外老化试验箱进行加速老化测试，该试验箱能够提供280至400nm范围内的紫外光谱，模拟太阳光中的紫外部分，同时保持150至250W/㎡的辐照强度，以加速老化过程。

• 辐照强度：150-250W/㎡（可定制500-1000W/㎡超级紫外）

 

• UVB含量：3%-9%

 

• 光谱范围：280-400nm

本研究基于美能复合紫外老化试验箱的精准测试，证实TOPCon电池的UV退化同时发生在正面与背面，且背面更为敏感。为开发高可靠性 TOPCon 电池提供更深入的理论支撑。

原文参考：UV degradation analysis of TOPCon cells

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