从钝化优化到光谱管理：减轻工业TOPCon技术中的紫外线诱导降解问题

《Solar Energy Materials and Solar Cells》：From passivation optimization to spectral management: Mitigating UV-induced degradation in industrial TOPCon technology

　　

摘要

隧穿氧化层钝化接触式（TOPCon）太阳能电池因其高效率与低制造成本，已成为领先的光伏技术。然而，在户外使用过程中长期暴露于紫外线辐射下，会导致其性能显著下降，从而引发人们对长期稳定性的担忧。本研究通过加速紫外线辐照试验，探讨了紫外线引发的性能退化问题以及在不同电池和组件层面上的缓解策略。30?kWh/m²的加速紫外线辐照使得电池的转换效率损失高达4.62%。在光照条件下，性能可部分恢复，这表明部分由紫外线引发的退化在光照作用下是可以逆转的。为减轻紫外线引发的性能退化，我们通过增加AlO_x层的厚度并优化SiN_x层的折射率，从而将30?kWh/m²紫外线辐照后的效率损失从2.54%降低到1.16%。此外，通过使用光转换膜进行光谱管理，可将紫外线光子转换为可见光，进一步提升了电池的抗紫外线能力，使其效率损失降至0.58%。使用三家知名制造商生产的商业级TOPCon组件进行的组件级验证表明，经过180?kWh/m²的紫外线辐照后，光转换膜可将功率损失控制在0.6%以下，而对照组则超过4%。辐照后的恢复实验显示，组件在光照条件下性能可部分恢复，这一现象体现了与长期可靠性相关的亚稳态退化行为。这些研究结果为减轻紫外线引发的性能退化提供了从电池到组件的系统化解决方案，并证明了光转换封装技术是提升工业级TOPCon光伏技术长期抗紫外线性能的一种实用且可推广的方法。

引言

太阳能作为一种清洁且可持续的能源，正逐渐成为替代传统能源体系的最具前景的选择之一。在各种光伏技术中，隧穿氧化层钝化接触式（TOPCon）太阳能电池由于能够有效解决金属-半导体接触点带来的复合损耗问题，从而大幅提升了商用太阳能电池的整体效率[[1], [2], [3]]。这类改进主要得益于重掺杂多晶硅层与超薄隧穿硅氧化层相结合所带来的优异表面和化学钝化效果[4]。因此，n型TOPCon电池被视为最先进的高效率晶体硅技术之一[5,6]，近年来在光伏市场中占据主导地位。随着光伏组件越来越多地被应用于户外环境，人们对其长期稳定性的关注也日益增加。在各种性能退化机制中，紫外线引发的性能退化已成为研究重点之一[7]。长时间暴露在紫外线辐射下会破坏光伏组件的封装材料，因为高能光子会引发有机成分中的化学键断裂，进而产生活性自由基[8]。在2024年的光伏组件指数报告中，美国可再生能源测试中心警告称，TOPCon太阳能电池可能特别容易因紫外线辐射而出现加速退化，实际应用中仅三年时间，其功率损失就可达10%至16%。基于2024年的研究结果，2025年光伏组件指数报告的初步数据表明，TOPCon太阳能电池仍然存在明显的紫外线引发性能退化现象，有些电池在测试中的效率损失甚至达到了两位数，这进一步凸显了在商业化应用中解决紫外线引发性能退化问题的必要性。因此，紫外线已被认为是导致TOPCon光伏组件在其使用寿命期间性能下降的主要环境应力因素之一[9,10]。

先前的研究表明，紫外线引发的性能退化与介质钝化层的稳定性及其与晶体硅之间的界面状态密切相关[[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]。因此，人们一直在努力通过优化钝化层及组件材料来提升其抗紫外线能力。增加AlO_x层的厚度，以及优化SiN_x层的折射率和成分，都被证明可以通过增强界面稳定性并抑制紫外线引发的钝化层退化，从而有效提升抗紫外线性能[19,20]。尽管有这些优势，但仅仅优化钝化层也可能带来一定的权衡。增加介质层的厚度或提升钝化膜对紫外线的吸收能力，虽然可以减少到达电池敏感区域的紫外线剂量，但也可能影响光学传输效率及光生电流的产生。所以，虽然钝化层设计是一种有效的电池级解决方案，但要进一步提升性能，或许还需要采取其他策略，在紫外线到达太阳能电池之前就对其进行过滤。

从组件层面来看，可以通过采用特殊的前置玻璃材料或封装膜来实现光谱管理，以此缓解紫外线引发的性能退化问题。目前已有多种解决方案被提出，包括铈掺杂玻璃、防晒玻璃、紫外线吸收涂层以及含有紫外线稳定剂的封装材料[[21], [22], [23]]。这类材料的主要作用是阻止紫外线光子进入组件内部，从而保护封装材料及其中的太阳能电池免受紫外线损害。铈掺杂玻璃可以有效减少组件变色现象，保持长期的光学稳定性；而含有紫外线吸收剂的改良封装材料则能扩大紫外线防护范围，进一步提升组件的耐用性[[21], [22], [23]]。不过，这类方法通常是通过过滤或吸收紫外线来实现防护，这可能会导致原本可被利用的光子能量损失。另一种方法是光谱转换，即吸收入射的紫外线光子后再以更长波长的形式重新发射出来，这样硅太阳能电池就能更有效地利用这些光子。与传统紫外线阻挡技术相比，光谱转换材料不仅能够抑制紫外线引发的性能退化，还能部分恢复被吸收紫外线光子所携带的能量。尽管光转换材料在光伏应用领域越来越受到重视，但其在工业级TOPCon技术中缓解紫外线引发性能退化方面的效果尚未得到全面评估。尤其是，目前关于传统紫外线阻挡技术与光谱转换技术之间的直接比较还相对较少。

此外，现有的大多数研究要么侧重于电池级的钝化层优化，要么专注于组件级的紫外线过滤方案，很少有研究尝试在统一的框架下评估不同的缓解策略，并在商业级TOPCon组件上验证其有效性。另外，虽然关于紫外线辐照下组件性能下降的现象已有大量报道，但对于TOPCon器件在辐照后的演变过程及恢复行为仍缺乏足够的了解。这些信息对于准确评估组件的长期现场性能和可靠性至关重要。

为了解决这些问题，本研究对工业级TOPCon太阳能电池及组件的紫外线引发性能退化缓解策略进行了系统性研究。在电池层面，研究了包括AlO_x、SiN_x以及SiN_x/AlO_x多层结构在内的前置钝化结构的影响，同时还分析了AlO_x层厚度和SiN_x层折射率等关键结构参数在加速紫外线辐照条件下的作用。此外，还对比了多种封装方案，包括传统的高透光率薄膜、紫外线阻隔薄膜以及光转换薄膜。与传统紫外线阻挡技术不同，光转换薄膜能够选择性地吸收紫外线光子，然后将其转化为可见的蓝色荧光，从而既减少了紫外线造成的损害，又实现了对吸收紫外线能量的部分利用。这些缓解策略的有效性还在多家制造商生产的商业级TOPCon组件上进行了长时间紫外线辐照条件下的验证。最后，还通过暗存储和光照处理等方式研究了退化电池及组件的恢复行为。研究结果为电池级和组件级的缓解策略提供了全面的比较，也为提升工业级TOPCon技术的长期抗紫外线性能提供了实用的指导建议。

章节节选

方法

为评估紫外线引发的性能退化对TOPCon太阳能电池性能的影响，本研究使用了直拉法制造的n型硅片来制备工业级电池。这些硅片的尺寸为M10规格，即182?×?182?mm²，厚度为130?±?20?μm，电阻率则在0.3-1.1?Ω?cm之间，完全符合当前高效电池生产的工业标准。研究采用了多种全面的表征技术，用于分析紫外线引发性能退化后的电池性能变化情况。

结果与讨论

为了系统地研究TOPCon技术的紫外线引发性能退化现象，本研究从电池层面到组件层面展开了深入探究。本研究中所使用的样品均来自业内知名的光伏制造商。

结论

在本研究中，我们对TOPCon太阳能电池进行了加速紫外线辐照试验，旨在系统地评估紫外线引发的性能退化问题以及相应的缓解策略。研究结果表明，紫外线引发的性能退化仍然是TOPCon技术面临的一个重要可靠性问题，长时间暴露在紫外线环境下会导致器件性能显著下降。在电池层面，紫外线辐照主要会导致开路电压和填充因数的下降，进而造成

作者贡献说明

黄焕培：概念构思、数据整理、定量分析、结果可视化、初稿撰写。何立：数据整理、定量分析、实验研究、文章审阅与修改。李琳：定量分析、结果验证。季根华：实验研究、方法设计。范云浩：实验研究、结果验证。李志璐：方法设计、资源协调。王磊：方法设计、资源协调。李新军：资源协调、项目监督。杨明明：方法设计、资源协调。陈芳：方法设计、资源协调。谢耀辉：

伦理声明

所有参与者或其法定代理人均已签署书面同意书，同意参与本研究并允许相关研究成果发表。同时，也严格保障了参与者的隐私权。

本研究是在遵守相关法律法规及研究所在地的相关规范要求的前提下开展的。根据相关法律规定及机构准则，本研究无需经过伦理委员会的审批。此外，本研究并未涉及人类参与者、人类组织样本或人类数据。

利益冲突声明

所有作者声明，自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了鄂尔多斯市科技项目（项目编号：JB20251440）以及宜宾市科技项目的支持与资助。

Huanpei Huang|Li He|Lin Li|Genhua Ji|Yunhao Fan|Zhilu Li|Lei Wang|Xinjun Li|Mingming Yang|Fang Chen|Yaohui Xie|Zhenguo Yuan|Zhengping Li|Yi Xie|Sheng Ma|Wenzhong Shen

中国上海交通大学物理与天文学院，教育部人工结构与量子控制重点实验室，上海，200240