Latar Belakang Penelitian

TOPCon telah menjadi salah satu teknologi utama dalam industri fotovoltaik silikon kristalin. Namun, efisiensi tinggi tidak secara otomatis berarti stabilitas jangka panjang. Perbedaan dalam degradasi akibat ultraviolet, atau UVID, telah dilaporkan pada beberapa struktur sel surya. Sel TOPCon, PERC, dan HJT semuanya dapat terpengaruh, tetapi lokasi degradasi dan mekanisme dominannya tidak persis sama.

Diskusi sebelumnya tentang degradasi UV sering berfokus pada foton berenergi tinggi yang memutus ikatan Si-H, diikuti oleh pelepasan hidrogen dan perubahan pasivasi antarmuka. Spektrum ultraviolet yang ditemukan di lingkungan modul PV nyata tidak terbatas pada satu panjang gelombang. Permukaan depan yang diterangi juga mengandung beberapa daerah yang saling terkait, termasuk SiNx, Al2O3, emitor boron, dan kontak logam. Oleh karena itu, penulis berpendapat bahwa degradasi UV pada sel TOPCon tidak boleh dipelajari hanya melalui perilaku hidrogen. Migrasi oksigen dan antarmuka kontak juga penting.

Satu detail mudah terlewatkan. Kaca modul biasanya menyaring sebagian besar radiasi UVB, tetapi tidak sepenuhnya melindungi permukaan sel yang diterangi dari paparan ultraviolet. Spektrum yang dibahas dalam makalah ini didominasi oleh UVA namun masih mengandung sekitar 11% UVB. Penulis menggunakan sampel tanpa enkapsulasi. Oleh karena itu, eksperimen ini tidak setara dengan penuaan luar ruangan dari modul lengkap, tetapi membantu memperkuat dan memisahkan daerah sensitif UV pada permukaan depan sel.

Makalah ini lebih baik dibaca sebagai investigasi mekanisme kegagalan daripada studi sertifikasi masa pakai modul. Kerugian efisiensi relatif sebesar 6,72% setelah UV60 tidak boleh langsung dikonversi menjadi perkiraan kehilangan daya modul di luar ruangan. Poin yang lebih penting adalah bagaimana penulis menggunakan berbagai metode karakterisasi untuk menghubungkan kerusakan pasivasi permukaan depan, oksidasi antarmuka, dan degradasi kontak logam.

Metode Eksperimental

Studi ini menggunakan sel TOPCon setengah potong komersial berukuran 182 mm × 105 mm. Sel-sel tersebut terbuat dari silikon monokristalin Czochralski tipe-n dengan resistivitas sekitar 1,0 Ω·cm dan ketebalan wafer sekitar 130 μm. Untuk membandingkan ketahanan UV dari struktur depan dan belakang, para peneliti juga menyiapkan sampel permukaan depan simetris dan sampel permukaan belakang simetris.

Struktur depan terdiri dari SiNx/Al2O3. Struktur belakang terdiri dari SiOx/n+ poly-Si/Al2O3/SiNx. Ketebalan film utama yang dilaporkan dalam makalah tercantum di bawah ini.

Para peneliti membandingkan masa pakai pembawa minoritas, tegangan rangkaian terbuka implisit, dan J0 sebelum dan sesudah paparan untuk mengevaluasi stabilitas pasivasi. Spektrometri massa ion sekunder waktu terbang, atau ToF-SIMS, digunakan untuk melacak distribusi kedalaman hidrogen dan oksigen. Profiling kedalaman spektroskopi fotoelektron sinar-X, atau XPS, diterapkan untuk menganalisis keadaan kimia N 1s, O 1s, Al 2p, dan Si 2p. Pengukuran EQE, TLM, dan I-V kemudian menghubungkan perubahan film tipis dengan kerugian listrik pada tingkat sel.

Kekuatan desain eksperimental ini terletak pada penggunaan gabungan sel lengkap dan struktur simetris. Sel lengkap menunjukkan bagaimana efisiensi, Voc, Jsc, faktor pengisian, dan resistansi kontak berubah. Sampel depan dan belakang yang simetris mengurangi interferensi dari struktur sel lainnya, sehingga lebih mudah untuk mengidentifikasi sisi pasivasi mana yang lebih sensitif terhadap paparan UV.

Gambar 1: Skema sel TOPCon, struktur permukaan depan simetris, dan struktur permukaan belakang simetris. Sampel simetris memungkinkan ketahanan UV dari tumpukan SiNx/Al2O3 depan dan kontak pasivasi poli-Si belakang dibandingkan secara terpisah.

Kondisi paparan UV juga perlu dipertimbangkan secara tersendiri. Studi ini menggunakan intensitas ultraviolet 300 W/m², suhu 60°C, kelembaban relatif 30%, dan dosis kumulatif maksimum 60 kWh/m². Spektrum terkonsentrasi terutama pada rentang UVA, dengan komponen UVB yang lebih kecil. Ini lebih terkonsentrasi daripada paparan luar ruangan biasa dan cocok untuk mempercepat perubahan kimia yang dapat diamati pada permukaan depan di lingkungan laboratorium.

Gambar 2: Spektrum ultraviolet yang digunakan dalam eksperimen. Spektrum didominasi oleh UVA dan mengandung komponen UVB yang lebih kecil, memungkinkan efek foton berenergi lebih tinggi pada lapisan pasivasi depan diamati.

Hasil dan Diskusi

Struktur Depan Jelas Lebih Sensitif terhadap UV Dibandingkan Struktur Belakang

Gambar 3 memberikan perbandingan paling langsung antara kedua struktur. Struktur belakang simetris hanya menunjukkan perubahan kecil setelah UV60. Struktur depan simetris terus menurun seiring bertambahnya dosis UV. Menurut makalah, rata-rata masa pakai sampel depan menurun dari 2895,6 μs menjadi 1552,8 μs. Tegangan sirkuit terbuka tersirat turun dari 735,5 mV menjadi 715,2 mV. J0 sisi tunggal meningkat menjadi 18,4 fA/cm², sekitar tiga kali lipat dari nilai awalnya.

Hasil ini menunjukkan bahwa masalah utama di bawah UV60 bukanlah ketidakstabilan kontak pasivasi poly-Si TOPCon belakang. Melainkan penurunan kualitas pasivasi pada struktur SiNx/Al2O3 sisi depan yang diterangi. Penulis mengaitkan stabilitas relatif sisi belakang dengan penyerapan UV oleh lapisan poly-Si setebal 120 nm. Ini adalah mekanisme yang masuk akal berdasarkan struktur dan karakteristik penyerapan optiknya, meskipun tetap merupakan interpretasi tingkat mekanisme.

Ketiga parameter mendukung kesimpulan yang sama dari arah yang berbeda. Lifetime yang lebih rendah dan iVoc yang lebih rendah menunjukkan rekombinasi permukaan yang lebih kuat. Peningkatan J0 memberikan bukti yang lebih langsung tentang peningkatan arus rekombinasi. Penulis tidak hanya mengandalkan satu indikator. Lifetime, tegangan, dan arus rekombinasi semuanya menunjukkan penurunan struktur depan, sementara kurva hijau yang mewakili struktur belakang sebagian besar tetap stabil.

Gambar 3: Perubahan lifetime, implied open-circuit voltage, dan J0 untuk struktur depan dan belakang di bawah paparan UV. Kurva merah struktur depan menunjukkan degradasi yang lebih besar, mengidentifikasi tumpukan pasivasi SiNx/Al2O3 yang diterangi sebagai titik lemah utama.

ToF-SIMS Menunjukkan Redistribusi Hidrogen dan Oksigen

Profil kedalaman ToF-SIMS menunjukkan bahwa degradasi permukaan depan tidak disebabkan oleh satu elemen saja. Pada Gambar 4a, konsentrasi hidrogen meningkat setelah UV60, terutama di lapisan SiNx. Penulis menyarankan bahwa hal ini mungkin tidak hanya disebabkan oleh pemutusan ikatan Si-H yang sering dibahas, tetapi juga oleh pemutusan ikatan N-H di dalam SiNx.

Gambar 4b menunjukkan bahwa distribusi oksigen juga berubah. Konsentrasi oksigen di lapisan Al2O3 sedikit menurun, sementara meningkat di dekat antarmuka SiNx/Al2O3 dan Al2O3/Si. Penulis menginterpretasikan ini sebagai hasil dari pemutusan ikatan Al-O di Al2O3, diikuti oleh difusi oksigen yang dilepaskan menuju lapisan SiNx dan permukaan silikon.

Poin kuncinya bukan hanya bahwa ada lebih banyak oksigen. Oksigen meninggalkan kisi atau lingkungan ikatan aslinya dan mengubah keadaan kimia antarmuka.

Lokasi setiap perubahan kurva itu penting. Sinyal hidrogen yang lebih kuat di wilayah SiNx menunjukkan bahwa film pasivasi atas terlibat langsung dalam reaksi. Perubahan oksigen di dekat antarmuka menunjukkan ketidakstabilan kimia antara Al2O3 dan lapisan di sekitarnya. Secara keseluruhan, hasil ini membantu menjelaskan mengapa degradasi permukaan depan mempengaruhi kualitas pasivasi dan keluaran listrik akhir.

Gambar 4: Distribusi kedalaman hidrogen dan oksigen dari ToF-SIMS sebelum dan sesudah UV60. Hidrogen meningkat di tumpukan pasivasi, sementara oksigen terdistribusi ulang di dekat antarmuka, memberikan petunjuk untuk perubahan ikatan kimia yang kemudian diidentifikasi oleh XPS.

XPS Menghubungkan Pemutusan Ikatan N-H, Kekosongan Oksigen, dan Peningkatan Al-OH

Spektrum XPS N 1s yang terfitting menunjukkan bahwa proporsi ikatan N-H pada antarmuka SiNx/Al2O3 menurun dari 9,64% menjadi 5,97%. Ini mendukung kesimpulan penulis bahwa ikatan N-H juga berpartisipasi dalam pelepasan hidrogen. Pada saat yang sama, sinyal N-H meningkat di dekat permukaan SiNx, menunjukkan bahwa sebagian hidrogen yang dilepaskan mungkin bermigrasi ke wilayah SiNx dan membentuk ikatan baru di sana.

Perubahan O 1s adalah salah satu bagian yang lebih khas dari studi ini. Penulis memisahkan sinyal O 1s menjadi oksigen kisi, komponen terkait kekosongan oksigen, dan oksigen teradsorpsi permukaan. Setelah UV60, proporsi puncak terkait kekosongan oksigen meningkat di kedua antarmuka SiNx/Al2O3 dan Al2O3/Si. Ini menunjukkan kerusakan pada kualitas film Al2O3.

Bukti ini memperluas mekanisme degradasi di luar kehilangan pasivasi yang diinduksi hidrogen. Degradasi terkait hidrogen dan oksigen tampaknya bekerja bersama, meningkatkan rekombinasi permukaan depan.

ToF-SIMS dan XPS memberikan jenis informasi yang berbeda. ToF-SIMS lebih cocok untuk menunjukkan di mana elemen didistribusikan melalui kedalaman tumpukan film. XPS membantu menentukan keadaan kimia dari elemen-elemen tersebut. Fitting N-Si dan N-H dalam spektrum N 1s, bersama dengan komponen oksigen kisi dan terkait kekosongan oksigen dalam spektrum O 1s, membawa analisis dari lokasi elemen ke perubahan ikatan kimia.

Penulis menunjukkan bahwa ikatan Al-O memiliki energi ikat yang relatif tinggi dalam Al2O3 kristal ideal. Namun, film pasivasi sel surya aktual biasanya amorf. Ion aluminium yang tidak terkoordinasi dan kekosongan oksigen dapat menurunkan penghalang energi lokal untuk pemutusan ikatan. Untuk alasan ini, bahkan foton pada panjang gelombang terpanjang percobaan 400 nm, yang sesuai dengan sekitar 3,1 eV, dapat memicu perubahan struktural terkait Al-O di lingkungan yang kaya cacat. Interpretasi ini menghubungkan cacat film tipis langsung dengan sensitivitas UV.

Gambar 5: Spektrum XPS N 1s dan O 1s yang terfitting. Perubahan ikatan N-H sesuai dengan pelepasan dan migrasi hidrogen. Komponen terkait kekosongan oksigen yang meningkat dalam spektrum O 1s menunjukkan penurunan kualitas pasivasi Al2O3.

Al2O3 Bukanlah Pengamat yang Sepenuhnya Stabil

Gambar 7 selanjutnya melacak Al 2p dan Si 2p pada antarmuka Al2O3/Si. Setelah UV60, proporsi yang ditetapkan pada komponen Al2O3 menurun dari 69,99% menjadi 60,36%, sementara Al-OH meningkat dari 30,01% menjadi 39,64%. Ini menunjukkan konversi yang jelas dari struktur terkait Al-O di bawah paparan ultraviolet.

Hasil Si 2p menunjukkan kemunculan dan peningkatan Si2+ setelah UV60, sementara komponen yang terkait dengan Si, Si3+, dan Si4+ menurun. Berdasarkan hasil ini, penulis mengusulkan bahwa oksigen bebas yang berdifusi menuju antarmuka Al2O3/Si dapat mengoksidasi silikon sementara kekosongan oksigen terbentuk di lapisan Al2O3. Spektrum XPS mendukung interpretasi ini, meskipun karakterisasi in-situ langsung masih diperlukan untuk mengkonfirmasi jalur reaksi yang tepat.

Temuan ini penting untuk keandalan permukaan depan TOPCon. Al2O3 dimaksudkan untuk memberikan pasivasi efek medan dan stabilitas antarmuka. Setelah struktur terkait Al-O mulai berubah menjadi Al-OH, disertai dengan konsentrasi kekosongan oksigen yang lebih tinggi, film tersebut tidak lagi hanya sebagai lapisan pelindung. Ini dapat menjadi bagian dari reaksi degradasi itu sendiri. Perubahan dalam keadaan oksidasi silikon juga menunjukkan bahwa kimia antarmuka telah berubah.

Gambar 6: Perubahan spektrum XPS Al 2p dan Si 2p pada antarmuka Al2O3/Si. Konversi struktur terkait Al2O3 menjadi Al-OH dan perubahan keadaan oksidasi silikon menunjukkan bahwa reaksi terkait oksigen berpartisipasi dalam degradasi permukaan depan.

Kerugian Listrik Akhirnya Muncul pada Voc dan Fill Factor

Setelah keadaan kimia dari tumpukan pasivasi berubah, efek listrik pada tingkat sel menjadi jelas. Pada Gambar 8, EQE tetap sebagian besar stabil pada rentang panjang gelombang menengah dan panjang tetapi menurun di bawah 500 nm. Reflektansi hampir tidak berubah. Ini menunjukkan bahwa hilangnya respons panjang gelombang pendek disebabkan terutama oleh rekombinasi permukaan depan yang lebih kuat daripada penurunan mendadak dalam tekstur, kinerja antirefleksi, atau penyerapan optik.

Gambar 7: Kurva EQE dan reflektansi sebelum dan sesudah UV60. Reflektansi hampir stabil sementara EQE panjang gelombang pendek menurun, menunjukkan bahwa hilangnya respons arus terutama terkait dengan peningkatan rekombinasi permukaan depan.

Penurunan EQE panjang gelombang pendek sesuai dengan peningkatan J0 sebelumnya. Cahaya panjang gelombang pendek diserap dekat permukaan depan sel. Jika pasivasi permukaan depan rusak, pembawa yang dihasilkan di daerah ini lebih mungkin untuk bergabung kembali sebelum dikumpulkan. Oleh karena itu, kerugian pertama kali muncul pada rentang EQE panjang gelombang pendek. Cahaya panjang gelombang menengah dan panjang menembus lebih jauh ke dalam bulk atau menuju sisi belakang, sehingga perubahan respons yang sesuai lebih kecil.

Pengukuran TLM menunjukkan bahwa resistivitas kontak depan meningkat hampir secara linear dengan dosis UV. Setelah UV60, mencapai 4,1 mΩ·cm², sekitar 8,6 kali nilai awalnya. Penulis menyarankan bahwa hidrogen bebas, oksigen bebas, dan radikal reaktif yang dihasilkan selama paparan UV dapat berpartisipasi dalam reaksi pada antarmuka elektroda logam, meningkatkan resistansi kontak. Penjelasan ini konsisten dengan pengukuran resistansi, meskipun produk reaksi yang tepat pada antarmuka elektroda masih memerlukan bukti kimia yang lebih langsung.

Gambar 8: Resistivitas kontak depan meningkat dengan dosis paparan UV. Setelah UV60, resistivitas kontak sekitar 8,6 kali nilai awalnya, menjadikannya kontributor penting terhadap kerugian faktor pengisian.

Degradasi relatif akhir dari parameter sel dilaporkan sebagai berikut.

Kesimpulan listrik pusat jelas. Di bawah UV60, kerugian utama TOPCon tidak berasal dari pengurangan arus. Mereka berasal dari kerugian Voc yang disebabkan oleh degradasi pasivasi permukaan depan dan kerugian faktor pengisian yang terkait dengan peningkatan resistansi kontak depan.

Ini juga menjelaskan mengapa hanya melihat Jsc dapat meremehkan risiko degradasi UV. EQE panjang gelombang pendek berubah, tetapi total Jsc hanya menurun sebesar 0,64%. Masalah rekombinasi dan kontak menciptakan kerugian efisiensi yang lebih besar. Dalam sel TOPCon efisiensi tinggi, Voc dan faktor pengisian sangat sensitif terhadap kualitas antarmuka, kondisi pasivasi, dan kinerja kontak logam. Parameter ini dapat mengungkapkan kelemahan keandalan lebih awal daripada Jsc.

Gambar 9: Degradasi relatif Voc, Jsc, faktor pengisian, dan efisiensi di bawah UV60. Efisiensi menurun sebesar 6,72%, didorong terutama oleh kerugian Voc dan faktor pengisian, sementara perubahan Jsc tetap relatif kecil.

Mekanisme dan Penilaian Aplikasi

Mekanisme yang diusulkan dapat diringkas sebagai berikut: Paparan UV mengubah keadaan ikatan pada struktur SiNx/Al2O3 depan. Ikatan Si-H dan N-H putus dan melepaskan hidrogen. Struktur terkait Al-O berubah dan terbentuk kekosongan oksigen. Oksigen bebas bermigrasi menuju antarmuka, rekombinasi permukaan depan meningkat, dan reaksi elektrokimia di sekitar daerah kontak dapat meningkatkan resistansi kontak depan.

Hasil lifetime, iVoc, J0, EQE, TLM, dan I-V memberikan dukungan langsung terhadap degradasi listrik. ToF-SIMS dan XPS mendukung migrasi hidrogen dan oksigen serta perubahan terkait dalam ikatan kimia. Interpretasi antarmuka elektroda logam memerlukan lebih banyak kehati-hatian. Makalah ini terutama menyimpulkan mekanisme ini dari resistansi kontak yang lebih tinggi dan temuan dari studi sebelumnya. Pengukuran distribusi unsur, keadaan kimia, atau analisis penampang antarmuka elektroda akan diperlukan untuk konfirmasi yang lebih kuat.

Untuk produksi industri, makalah ini mengingatkan bahwa keandalan UV TOPCon tidak dapat dievaluasi hanya melalui efisiensi sel awal. Beberapa faktor dapat mempengaruhi kinerja energi jangka panjang:

• Kualitas material dari tumpukan pasivasi SiNx/Al2O3 depan

• Konsentrasi hidrogen dan stabilitas ikatan Si-H dan N-H

• Konsentrasi kekosongan oksigen di lapisan Al2O3

• Stabilitas antarmuka kontak logam

• Penyaringan UVA dan UVB oleh kaca modul dan enkapsulan

• Interaksi antara paparan ultraviolet, kelembaban, panas, tekanan mekanis, dan medan listrik

Ketika penelitian ini dipertimbangkan pada tingkat modul, spektrum nyata yang mencapai sel akan disaring lagi oleh kaca dan film enkapsulasi. Kelembaban, tekanan termal, dan medan listrik juga akan berpartisipasi dalam penuaan. Oleh karena itu, mekanisme yang dilaporkan dalam makalah ini lebih berguna sebagai arahan untuk optimasi material dan proses daripada sebagai pengganti pengujian IEC atau data lapangan luar ruangan jangka panjang.

Langkah selanjutnya yang berharga adalah mengevaluasi sel tanpa enkapsulasi, mini-modul yang dienkapsulasi, dan modul yang terpapar luar ruangan dalam kerangka validasi yang sama. Ini akan memudahkan untuk menentukan perubahan kimia mana yang tetap penting setelah penyaringan spektral yang realistis dan kopling lingkungan.

Arah optimasi proses yang mungkin meliputi:

• Mengurangi sumber hidrogen yang tidak stabil dalam tumpukan SiNx/Al2O3 depan

• Meningkatkan jaringan Al2O3 amorf dan mengontrol kekosongan oksigen

• Mengoptimalkan kondisi pembakaran dan metalisasi untuk stabilitas antarmuka kontak yang lebih baik

• Meningkatkan ketahanan terhadap reaksi terkait oksidasi di sekitar kontak logam depan

• Memilih bahan enkapsulasi yang mengurangi dampak langsung UV berenergi tinggi pada permukaan sel

Makalah ini tidak memberikan solusi lengkap. Makalah ini mendefinisikan batasan masalah dengan lebih jelas dan menunjukkan bahwa pasivasi permukaan depan dan rekayasa kontak perlu dipertimbangkan bersama.

Kesimpulan Penelitian: Apa yang Perlu Dipecahkan Selanjutnya

Melalui uji paparan UV60, penulis menunjukkan bahwa struktur SiNx/Al2O3 depan sel TOPCon lebih rentan terhadap degradasi akibat ultraviolet dibandingkan kontak pasivasi poly-Si belakang. Degradasi tidak disebabkan oleh satu faktor terisolasi. Proses terkait hidrogen, proses terkait oksigen, dan peningkatan resistansi kontak depan semuanya berkontribusi.

Pentingnya pekerjaan ini terletak pada perluasan penjelasan degradasi UV TOPCon melampaui pemutusan ikatan Si-H saja. Ini menyajikan kerangka kerja yang lebih luas tentang evolusi kimia permukaan depan. Mengurangi risiko UVID kemungkinan akan memerlukan optimasi terkoordinasi dari tumpukan pasivasi depan, kekosongan oksigen antarmuka, manajemen hidrogen, kontak metalisasi, dan penyaringan UV oleh kemasan modul. Menyesuaikan hanya satu parameter film mungkin tidak cukup.

Keterbatasan harus tetap jelas. Sampel tidak dienkapsulasi dalam kondisi UV yang dilaporkan, dan sebagian dari mekanisme degradasi kontak logam yang diusulkan masih bersifat inferensial. Interpretasi yang paling hati-hati adalah bahwa makalah ini menunjukkan hubungan yang jelas antara evolusi komposisi kimia dan degradasi listrik pada permukaan depan TOPCon di bawah paparan UV. Ini juga memberikan target spesifik untuk studi masa depan tentang keandalan jangka panjang setelah enkapsulasi.

Referensi

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.

Pandangan Ooitech

Pesan praktisnya sederhana: pasivasi sisi depan dan metalisasi harus diperlakukan sebagai satu sistem keandalan, bukan sebagai langkah proses yang terpisah. Voc awal yang stabil tidak cukup jika paparan UV dapat mengubah kimia Al2O3 dan secara bertahap meningkatkan resistansi kontak depan. Validasi di masa depan harus menghubungkan pengujian UV tingkat sel dengan pengujian mini-modul yang dienkapsulasi di bawah spektrum kaca dan enkapsulan yang realistis.