TOPCon太阳电池凭借表面钝化和载流子选择性接触主导了光伏市场，但户外运行中紫外诱导衰减（UVID）问题突出：UV60辐照后效率下降达6.72%。以往研究多将UVID归因于高能光子断裂Si–H键释放游离氢，但太阳紫外光谱覆盖3.1–4.43 eV的宽能量范围，与前表面组分的相互作用远不止Si–H键断裂这一条路径，前表面Al₂O₃/SiNₓ结构的抗紫外能力也远弱于背面。美能非接触IV测试仪，无损、零耗材、毫秒级测速，适配BC/无主栅，一次测出IV/EQE/PL多维参数。

本研究通过ToF-SIMS和深度剖析XPS追踪UV60辐照前后Al₂O₃/SiNₓ层的元素分布与化学键变化，发现N–H键断裂是除Si–H键外的第二个氢来源，Al–O键在非晶Al₂O₃中被紫外破坏后形成大量氧空位，氢、氧双机制叠加恶化表面复合，为钝化层可靠性优化提供了依据。

实验方法

(a)TOPCon太阳电池结构示意图(b)对称前结构样品(c)对称背结构样品

制备了对称前结构（SiNₓ/Al₂O₃/n-Si/Al₂O₃/SiNₓ）和对称背结构（含SiOₓ/n⁺-poly-Si层）样品。紫外老化在组件级进行，光源以UV-A为主含约11% UV-B，条件为60°C、30%湿度。

紫外光源的光谱辐照度

前表面与背面结构抗紫外能力对比

对称前结构样品和对称背结构样品在紫外照射过程中(a)注入载流子浓度1×10¹⁵ cm⁻³下的τeff(b) iVoc和(c)单面J₀的变化

对称背结构在60 kWh·m⁻²紫外照射后仅微小衰减，120 nm厚的poly-Si层几乎吸收全部紫外光，提供了有效保护。对称前结构衰减严重，τeff从2895.6 μs降至1552.8 μs，iVoc从735.5 mV降至715.2 mV，单面J₀飙升至18.4 fA·cm⁻²（约为初始值3倍），Al₂O₃/SiNₓ钝化大幅退化。

化学组分演变

ToF-SIMS显示氢浓度在紫外照射后明显升高，尤其在SiNₓ层中。N 1s的XPS深度剖析显示，SiNₓ/Al₂O₃界面处N–H键占比从9.64%降至5.97%，N–H键断裂构成除Si–H键外的第二个氢来源。解离的氢扩散至SiNₓ表面附近与硅重新结合，使该处N–H键比例反升。

氧的演变同样关键。Al₂O₃层中氧浓度略降，SiNₓ/Al₂O₃和Al₂O₃/Si界面氧浓度升高，说明Al–O键断裂后游离氧向外扩散。Al–O键在理想晶体中键能约5.3 eV，但非晶Al₂O₃中欠配位铝离子和氧空位俘获电子后带负电，将邻近Al–O键的断裂激活能降至约2.4 eV，400 nm紫外光（3.1 eV）即可将其断裂。

Al₂O₃/SiNₓ层不同界面UV60辐照前后的N 1s深度剖析XPS谱图，N–Si键（397.5 eV）和N–H键（399.5 eV）的拟合曲线

O 1s的XPS分析显示晶格氧（OI）向氧空位（OII）转化，Al 2p谱图中Al₂O₃占比从69.99%降至60.36%而Al–OH从30.01%升至39.64%，Si 2p谱图中Si²⁺升高而高价态硅降低——氧空位产生时释放的电子将硅从高氧化态还原。氧、铝、硅化学键的全面变化说明Al₂O₃薄膜质量已受损。

电学性能衰减

TOPCon太阳电池UV60辐照前后的EQE和反射率曲线

TOPCon太阳电池UV60照射过程中的前接触电阻率变化

反射率在UV60后基本不变，EQE在500 nm以下短波区域中等下降，对应前表面复合增强。前接触电阻率随紫外剂量近似线性增长至4.1 mΩ·cm²（约8.6倍），原因在于钝化层中产生的游离氢和氧扩散至电极界面参与氧化还原反应，紫外还将银表面水分子转化为羟基自由基，共同腐蚀金属电极。

TOPCon太阳电池UV60照射过程中的电学性能衰减率：(a)Voc(b)Jsc(c)FF(d)Eff

Voc相对衰减3.46%（前表面钝化退化、J₀升高所致），FF下降2.82%（前接触电阻率增大所致），Jsc仅降0.64%（短波EQE下降有限）。光电转换效率最终衰减6.72%。

TOPCon太阳电池前表面SiNₓ/Al₂O₃结构的抗紫外能力远弱于背面结构。紫外照射下Si–H键和N–H键相继断裂释放游离氢，Al–O键在非晶Al₂O₃中被紫外断裂释放游离氧并形成大量氧空位，Al₂O₃向Al–OH转化、硅价态改变。氢、氧两类衰减机制叠加恶化表面复合，叠加前接触电阻率的大幅升高，最终导致6.72%的效率衰减。本研究为理解TOPCon太阳电池UVID机制及优化钝化层的长期可靠性提供了参考。

美能非接触式IV测试仪

联系电话：400-0086-690

美能光伏在光伏检测领域深耕多年，结合量产实践与学术前沿研究成果，推出美能非接触式IV测试仪，全路线晶硅电池毫秒级无损检测方案。

§ 毫秒级测量：消除机械动作耗时，匹配高速产线，产能倍数级释放

§ 绝对零接触：适配超薄片、无主栅、BC电池等先进结构，无损伤、无耗材

§ 全路线兼容：PERC / TOPCon / HJT / BC等

§ 五维数据同步采集：IV + EQE + SR + Re + PL

美能非接触式IV测试仪，重新定义高效电池检测标准。零物理接触彻底杜绝隐裂与污染风险，毫秒级超高效吞吐完美匹配产线节拍，高精度测试数据为工艺优化提供可靠依据，同时大幅降低运维与耗材成本。无需在“品质”与“效率”间权衡，这是高效电池量产检测的理想之选。

原文参考：Chemical Composition Evolution and Electrical Performance Degradation of TOPCon Solar Cells Under UV Exposure