より厚い酸化アルミニウム層は、TOPCon太陽電池の紫外線による劣化を軽減できる
より厚い酸化アルミニウム層は、TOPCon太陽電池の紫外線による劣化を軽減できる
出典：PVマガジン
UNSWの研究者らは、TOPCon太陽電池の紫外線誘起劣化と水素輸送、電荷トラッピング、そしてパッシベーションスタックの恒久的な構造変化を関連付ける、実験的に検証されたモデルを開発しました。研究者らは、酸化アルミニウム層を厚くすることで水素の移動が抑制され、紫外線耐性が大幅に向上することを示し、より堅牢なTOPCon設計のための明確な指針を示しています。
2026年1月7日 エミリアーノ・ベリーニ
オーストラリアのニューサウスウェールズ大学（UNSW）で製造された太陽電池
画像：ニューサウスウェールズ大学
ニューサウスウェールズ大学（UNSW）の研究者たちは、TOPCon太陽電池の紫外線誘起劣化（UVID）を調査し、より厚い酸化アルミニウム（AlOx）層がこの種の劣化を軽減できることを発見しました。
「私たちの新たな研究は、TOPConデバイスのUV劣化に関する包括的かつ実験的に検証されたモデルを提供し、電気的劣化を水素のダイナミクスとパッシベーションスタックの恒久的な構造変化に直接結び付けています。このモデルは、スペインのビルバオで開催された欧州PVSEC会議の全体会議で初めて発表されました」と、研究の筆頭著者であるBram Hoex氏はpv magazineに語りました。「このモデルは、波長依存のUVIDと水素のダイナミクスに関する私たちのこれまでの研究を直接的に基盤としており、TOPConの長期的な信頼性を理解する上で重要なギャップを埋めると考えています。」
試験は、産業用製造ラインで製造されたn型チョクラルスキー（Cz）ウェハをベースにしたTOPConセルで実施されました。一次パッシベーションスタックは、原子層堆積法（ALD）で成長させたAlOx層と、プラズマ化学気相成長法（PECVD）で堆積した75nmの窒化シリコン（SiNx）キャッピング層で構成されていました。
AlOxの厚さは、産業用TOPConの前面パッシベーションウィンドウを反映して、4～7nmの範囲で変化させました。4nm層（SP1、SP3）はコスト効率の高い最小値を示し、7nm層（SP2、SP4）は光学的な影響を著しく回避できるほど薄くなっています。「この比較により、製造スループットとUVID耐性のトレードオフを評価することができます」と研究者らは説明しています。
研究で使用された対称試験構造の概略図
画像：ニューサウスウェールズ大学（UNSW）、太陽エネルギー材料および太陽電池、CC BY 4.0
コロナ酸化物半導体特性評価（COCOS）とフーリエ変換赤外分光法（FTIR）を用いて、制御された紫外線照射、暗所保管、および熱アニール条件下での界面欠陥密度（Dit）と負の固定電荷（Qf）の変化を分析しました。
測定の結果、化学的劣化と、電荷トラッピングによって引き起こされる一時的な電界効果パッシベーションの促進、そしてそれに続く暗所保管中の準安定減衰との複雑な相互作用が明らかになりました。
「高エネルギー紫外線光子はSiNxキャップ層中のシリコン-水素（Si-H）結合を切断し、可動性水素を放出します。この水素はAlOx/Si界面に蓄積してDitを増加させ、化学的パッシベーションを劣化させます」とHoex氏は述べています。「同時に、紫外線照射はQfの増加によりAlOx中の電荷トラッピングを通じて電界効果パッシベーションを一時的に改善します。」
その後の暗所保管中にQfが脱トラップされ、化学的損傷は変化しないにもかかわらず、さらなる性能低下につながります。 「低温ダークアニールは界面水素をシリコンバルクに再分配し、Dit回復によって化学的パッシベーションを回復させますが、FTIRは誘電体スタックの恒久的な構造再配置を明らかにしています」とHoex氏は付け加えました。「7nmのより厚いAlOx層は、電界効果パッシベーションの違いによるものではなく、水素輸送に対するより効果的なバリアとして機能することで、UVID耐性を大幅に向上させます。」
Hoex氏は、「本研究は、UVID、水素輸送、電荷トラッピング、構造変化を結び付ける統一的な物理モデルを確立しました」と結論付けました。「一部の劣化は電気的に可逆的でありながら構造的には不可逆である理由を説明し、より紫外線耐性の高いTOPConパッシベーションスタックと、改良された加速UV試験プロトコルのための明確な設計指針を提供します。」
本研究は、『Solar Energy Materials and Solar Cells』誌に掲載された「電荷トラッピング、水素蓄積、および構造再配置：TOPConデバイスにおける紫外線誘起劣化の完全モデル」で発表されました。
6月、英国オックスフォード大学と中国のメタライゼーションペースト専門企業である常州フュージョン・ニュー・マテリアルズの研究者らは、LECOベースのTOPCon太陽電池モジュールに新たな故障モードを発見しました。
ニューサウスウェールズ大学（UNSW）による他の研究では、はんだ付けフラックスがTOPCon太陽電池の性能に与える影響、エチレンビニルアセテート（EVA）で封止された産業用TOPCon太陽電池モジュールの加速湿熱条件下での劣化メカニズム、TOPCon太陽電池の接触腐食に対する脆弱性、そしてPERCパネルではこれまで検出されなかった3種類のTOPCon太陽電池モジュールの故障が示されました。
さらに、UNSWの科学者らは、湿熱曝露下におけるTOPCon太陽電池のナトリウム誘起劣化、TOPConおよびヘテロ接合デバイスの劣化における「隠れた汚染物質」の役割、そして電子照射がPERCおよびTOPCon太陽電池の性能に与える影響を調査しました。