1、研究背景
1.1 TOPCon 太阳能电池的发展及挑战
隧穿氧化物钝化接触(TOPCon)太阳能电池已成为高效晶硅光伏技术的主流选择。
相较于传统的PERC(钝化发射极和背接触)电池，TOPCon 电池具有： 更优的表面钝化性能(降低复合损失，提高开路电压 Voc)。
更低的金属复合速率(更高的填充因子 FF)。
适用于背接触电池的设计，提高光电转换效率。
2021年以来，TOPCon 市场迅速增长，成为工业生产的主导技术。
1.2 TOPCon 太阳能电池的环境稳定性问题
虽然TOPCon 电池具有良好的电性能，但其长期可靠性仍面临挑战： 湿热(DH)环境：85°C / 85% RH 长期暴露会加速降解。
潜在诱导降解(PID)：高电压下导致电池性能下降。
紫外光(UV)照射：可能影响表面钝化层。
金属接触稳定性：Ag/Al 触点在湿热条件下易发生腐蚀。
污染物(如 NaCl, CH₃COONa)会加速TOPCon 太阳能电池的降解： 钠(Na)污染：可能来自玻璃封装层(钠钙玻璃)或环境侵蚀。
氯(Cl)污染：可能来自雨水、灰尘、海洋气溶胶。
污染物导致的主要问题： 硅氮化物(SiNx)层化学降解，降低表面钝化效果。
钠扩散进入硅片，导致开路电压(Voc)损失。
界面氧化反应，增加表面复合，提高串联电阻(Rs)。
1.3 本研究的创新
首次系统研究 Na 和 Cl 污染对 TOPCon 太阳能电池的影响： 识别污染物对不同表面(前表面 / 背表面)的影响差异。
分析污染物诱导的化学降解机理。
提出一种基于 原子层沉积(ALD) 的 Al₂O₃ 屏障层，以增强TOPCon的长期稳定性： 10 nm Al₂O₃ 作为防护层，减少污染物扩散，提高钝化稳定性。
湿热加速测试(DH85，85°C / 85% RH) 评估其保护效果。
2. 研究思路
2.1 研究材料
采用 工业级 n 型 TOPCon 太阳能电池： 正面结构： 硼扩散发射极，由 Al₂O₃ / SiNx / SiOyNz 多层钝化。
兼具 抗反射涂层(ARC) 功能。
背面结构： SiO₂ 隧道氧化层 + 磷掺杂多晶硅(poly-Si)层。
SiNx 层覆盖背面，提供钝化。
2.2 研究方法
污染物喷涂： NaCl(氯化钠)和 CH₃COONa(乙酸钠)溶液喷涂在电池表面。
0.3 g 溶液，Na 浓度 0.155 mol/L。
研究不同污染物对 TOPCon 电池的影响。
湿热加速老化测试(DH85)： 在85°C / 85% RH 环境中老化 20 小时。
评估不同污染物对电池性能的影响。
电性能测试： 光伏参数(I-V 测试)： 开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)、填充因子(FF)、光电转换效率(PCE)。
光致发光(PL)成像： 观察光电性能的衰减趋势。
材料表征： SEM / EDS(扫描电子显微镜 + 能谱分析)： 研究污染物对 SiNx 层及背接触结构的影响。
XPS(X 射线光电子能谱)： 研究污染物诱导的表面化学变化。
ALD 屏障层实验： 采用 10 nm Al₂O₃ 屏障层(ALD 沉积)。
评估 Al₂O₃ 对污染诱导降解的缓解作用。
3. 结果与讨论
3.1. TOPCon 太阳能电池的结构与污染诱导降解机制
(Figure 1 - TOPCon 太阳能电池的结构及污染诱导降解示意图)
(a) TOPCon 太阳能电池的层结构
前表面结构： Al₂O₃(原子层沉积)：提供额外的表面钝化和抗污染能力。
SiNx / SiOyNz 层：兼具抗反射涂层(ARC) 和 钝化作用。
硼扩散发射极(p+层)。
背表面结构： SiO₂ 隧道氧化层 + 磷掺杂多晶硅(poly-Si)。
SiNx 层(用于钝化，防止电子复合)。
金属接触(Ag / Al)。
(b) 污染物的来源与影响
主要污染物： 氯化钠(NaCl)：来源于玻璃封装层或外部环境。
乙酸钠(CH₃COONa)：来源于工业排放、空气污染物。
污染诱导的降解机制： 前表面(受SiNx层保护)：污染影响相对较小。
背表面(SiNx层易受污染物侵蚀)： Na+ 和 Cl- 扩散进入SiNx层，破坏钝化效果。
界面氧化反应(SiOx 增厚)，导致载流子复合率上升。
金属接触界面腐蚀，增加串联电阻(Rs)。
科学意义：
首次系统研究Na和Cl污染对TOPCon太阳能电池不同表面的影响。
揭示污染诱导降解的物理化学机制，为防护策略提供理论基础。
3.2. 电性能影响分析
(Figure 2 - 湿热老化(DH85, 85°C / 85% RH)后 TOPCon 电池性能变化)
(a) 光伏参数对比(Voc、Jsc、FF、PCE)
NaCl 污染(前表面)： 填充因子(FF)下降 52%(从 79% 降至 27%)。
串联电阻(Rs)增加 4000%。
PCE 下降 78%。
NaCl 污染(背表面)： Voc 下降 1.8%，但 PCE 仅下降 4.8%。
CH₃COONa 污染(背表面)： Voc 下降 5.8%，PCE 下降 16%(最严重)。
(b) 光致发光(PL)成像分析
NaCl 污染后，电池PL 亮度显著降低，表明少子寿命降低。
CH₃COONa 污染后，PL 亮度降低更严重，表明界面复合加剧。
科学意义：
不同污染物对前/背表面影响不同，背表面更易受污染物侵蚀。
NaCl 主要影响串联电阻，CH₃COONa 主要影响Voc，揭示不同污染物的降解机制。
3.3. 污染诱导的表面形貌变化
(Figure 3 - SEM 电子显微镜分析)
(a) NaCl 处理后的背表面形貌
SiNx 层出现严重裂纹，表明污染物破坏了界面钝化层。
背面SiO₂/Poly-Si界面变粗糙，表明局部化学侵蚀发生。
(b) CH₃COONa 处理后的背表面形貌
SiNx层变得多孔化，污染物渗透更深。
表面出现白色颗粒(Na₂SiO₃ 反应产物)，表明Na扩散后形成了氧化钠(Na₂O)。
科学意义：
污染物引起SiNx层结构变化，提高表面复合速率。
SiO₂与污染物反应生成的副产物可能进一步阻碍电流传输。
3.4. XPS 化学分析
(Figure 4 - XPS 分析污染诱导的表面化学变化)
(a) Si/N/O 原子比例变化
污染后，Si-N 键的含量降低 14 倍，表明SiNx层部分被氧化。
O/Si 比例增加，说明界面SiO₂层增厚。
(b) Na 3s, Cl 2p, C 1s 元素含量变化
Na+ 和 Cl- 浓度显著增加，说明污染物已经渗透进SiNx层内部。
CH₃COONa 处理后，C 1s 峰增加，说明有机污染物可能会附着在表面，影响钝化效果。
科学意义：
NaCl 和 CH₃COONa 可导致 SiNx 分解，降低表面钝化效果。
污染物可能影响界面化学结构，导致长期可靠性下降。
3.5. ALD Al₂O₃ 屏障层的保护效果
(Figure 5 - Al₂O₃ 屏障层在湿热环境下的保护作用)
(a) Al₂O₃ 层对电性能的保护
Al₂O₃ 保护后，NaCl 诱导的 PCE 下降从 4.8% 降至 0.9%。
CH₃COONa 诱导的 PCE 下降从 16% 降至 0.4%。
填充因子(FF)基本保持稳定，说明接触界面未被污染物影响。
(b) SEM & XPS 分析
Al₂O₃ 层可阻止 Na+ 和 Cl- 进入 SiNx 层。
XPS 显示 Al₂O₃ 保护后，Si/N 比例未发生明显变化，说明钝化层未受到污染影响。
科学意义：
首次验证 ALD Al₂O₃ 屏障层可有效提高 TOPCon 电池的抗污染能力。
Al₂O₃ 可作为长期稳定性提升策略，适用于工业生产。
4. 研究结论
NaCl 和 CH₃COONa 会破坏 TOPCon 电池的 SiNx 钝化层，降低 Voc 和 FF。
背表面比前表面更易受污染物影响，SiNx 更易被氧化。
采用 10 nm Al₂O₃ 屏障层可有效防止污染诱导的降解，维持长期稳定性。
