晶硅太阳能电池光致衰减问题讨论

光伏组件输出功率光致衰减问题的讨论张光春陈如龙孙世龙李剑蒋仙温建军高瑞施正荣无锡尚德太阳能电力有限公司2报告内容提要引言（一）P型(掺硼)晶体硅太阳电池初始光致衰减机理（二）P型(掺硼)晶体硅片少子寿命及太阳电池光致衰减试验（三）光伏组件的初始光致衰减试验（四）光伏组件输出功率初始衰减问题的解决方案3引言光伏组件输出功率的衰减可分为两个阶段：第一个阶段，我们可以把它称作初始的光致衰减，即光伏组件的输出功率在刚开始使用的最初几天内发生较大幅度的下降，但随后趋于稳定。导致这一现象发生的主要原因是P型（掺硼）晶体硅片中的硼氧复合体降低了少子寿命。第二个阶段，我们可以把它称作组件的老化衰减，即在长期使用中出现的极缓慢的功率下降，产生的主要原因与电池缓慢衰减有关，也与封装材料的性能退化有关。4引言为什么光致衰减现象又被关注：P型(掺硼)的太阳电池的光致衰减现象是在七十年代发现的，为什么近期光伏产业界和研究机构又对此产生了较大的关注呢？其主要原因是由于光致衰减导致的一些光伏组件的功率下降幅度远远超出了客户所能接受的范围，这就使组件制造商面临着潜在的赔偿风险。5引言导致光伏组件功率出现早期下降的主要原因有：（一）硅片质量差，导致电池出现较大幅度的初始光致衰减；（二）组件制造工艺不合理，出现诸如电池片隐裂、EVA交联度不好、脱层、焊接不良等质量问题．（三）些组件制造商功率测试不准确或有意在输出功率上虚报。6一.P型(掺硼)晶体硅太阳电池初始光致衰减机理30多年前，H.FischerandW.Pschunder等人首次观察到P型（掺硼）晶体硅太阳电池的初始光致衰减现象．7大家基本一致的看法是：光照或电流注入导致硅片中的硼和氧形成硼氧复合体，从而使少子寿命降低，引起电池转换效率下降，但经过退火处理，少子寿命又可被恢复，其可能的反应为：Bs＋2Oi（少子寿命高）光照或电流注入退火处理BsO2i（少子寿命低）一.P型(掺硼)晶体硅太阳电池初始光致衰减机理8据文献中报道：（一）含有硼和氧的硅片经过光照后出现不同程度的衰减（如图2、图3、图4所示）。硅片中的硼、氧含量越大，在光照或电流注入条件下产生的硼氧复合体越多，少子寿命降低的幅度就越大。(二）在低氧、掺镓、掺磷的硅片中少子寿命随光照时间的衰减幅度极小。一.P型(掺硼)晶体硅太阳电池初始光致衰减机理9一.P型(掺硼)晶体硅太阳电池初始光致衰减机理图2低氧掺硼、有氧掺磷、有氧掺硼的Fz硅片和有氧掺硼Cz硅片少子寿命衰减随光照时间的关系(2)10一.P型(掺硼)晶体硅太阳电池初始光致衰减机理图3掺硼、掺镓、掺磷的Cz硅片和硼掺杂的MCZ硅光照前后少数载流子寿命的变化(3)11一.P型(掺硼)晶体硅太阳电池初始光致衰减机理图4不同硼掺杂浓度硅片的少子寿命随时间的变化关系(4)12二.P型(掺硼)晶体硅片少子寿命及太阳电池光致衰减试验(一）P型（掺硼）单/多晶硅片少子寿命的光致衰减试验１．原始硅片的光致衰减试验硅片不做任何处理，测试光照前和光照后的少子寿命。单晶裸硅片的少子寿命随时间的衰减图0.00.20.40.60.81.01.2010min30min1h2h3h4h时间H少子寿命usM1M2M3多晶裸硅片的少子寿命随时间的衰减图0.00.20.40.60.81.01.2010min30min1h2h3h4h时间H少子寿命usM1M2M3图5未经清洗、钝化的单/多晶裸硅片少子寿命随时间的变化关系试验结论：从图5可以看出，单/多晶裸硅片若不经过清洗钝化，其少子寿命几乎随着光照时间变化不大，这是因为硅片表面复合中心占主导地位，掩盖了光照对体少子寿命的影响，因此对不经过清洗、钝化的裸硅片，无法确定少子寿命与光照时间的对应关系，也就无法判断硅片的质量．13２．表面钝化硅片的光致衰减试验去除硅片损伤层＋硅片清洁+硅片表面钝化（碘酒），测试光照前和光照后的少子寿命。二.P型(掺硼)晶体硅片少子寿命及太阳电池光致衰减试验钝化后单晶硅片少子寿命和光照时间的关系020406080100120140010min30min1h2h3h4h6h时间少子寿命us样品1样品2样品3钝化后多晶硅片少子寿命衰减和时间的关系0510152025303540010min30min1h2h3h4h6h时间少子寿命us样品1样品2样品3图6清洗、钝化后单/多晶硅片少子寿命和光照时间的关系试验结论：钝化后硅片的表面复合已不占主要地位，而以体内复合为主，且硅片的体少子寿命随光照而衰减。不同质量的材料在光照之后其少子寿命衰减幅度有较大差别，由此基本可以预测出用此硅片制作的电池的初始光致衰减的程度以及可达到的最高电池转换效率。14３．表面钝化硅片的光致衰减及退火恢复试验将这些光照衰减后的硅片进行退火处理，硅片的寿命得到很大程度的恢复。这和文献中的报道是一致的，如图7所示。二.P型(掺硼)晶体硅片少子寿命及太阳电池光致衰减试验单晶硅片光照少子寿命恢复0510152025303540光照前光照后退火后少子寿命（us）硅片1硅片2硅片3图7单晶硅片少子寿命经过退火后恢复15二.P型(掺硼)晶体硅片少子寿命及太阳电池光致衰减试验（二）．P型（掺硼）单/多晶硅太阳电池的初始光致衰减试验１．未封装的单晶硅单体太阳电池的初始光致衰减试验单晶电池片光照前后电池I-V曲线012345600.20.40.60.8电压V电流I光照前光照后单晶电池片光照前后I－V曲线012345600.20.40.60.8电压V电流I光照前光照后图8单晶电池（相对衰减5.7%）I-V曲线图10单晶（相对衰减0.8%）电池I-V曲线16二.P型(掺硼)晶体硅片少子寿命及太阳电池光致衰减试验２．未封装的多晶硅单体太阳电池的初始光致衰减试验多晶电池片光照前后I-V曲线012345600.20.40.60.8电压V电流I光照前光照后多晶电池片光照前后I-V曲线012345600.20.40.60.8电压V电流I光照前光照后图9多晶电池（相对衰减3.64%）的I-V曲线图11多晶（相对衰减0.2%）的电池I-V曲线17二.P型(掺硼)晶体硅片少子寿命及太阳电池光致衰减试验３．光照前后电池片的量子效率对比光照后，长波响应变差，这表明光照后电池片体内的少子寿命已发生了衰减。光照前后电池片的量子效率对比0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.030040050060070080090010001100波长(nm)IQE&EQE衰减前EQE衰减前IQE衰减后EQE衰减后IQE18二.P型(掺硼)晶体硅片少子寿命及太阳电池光致衰减试验４．电池片光照后的退火处理选取不同衰减程度的电池片进行退火处理，效率也得到很大程度的恢复，这和文献中的报道一致。单晶电池片效率衰减恢复图13.514.014.515.015.516.016.517.0光照前光照后退火后电池效率（%）样品1样品2样品3当前硅片质量的状况：１．主流电池片的相对衰减：单晶电池片不超过1%，多晶电池片不超过0.5%。２．某些质量很差的硅片做成电池后，其相对衰减接近６%（单晶）和4%（多晶），这些衰减大的电池片是需要我们关注的。3.个别质量特别差的硅片做成电池后，其相对衰减超过１０%（单晶），对这种特别差的材料进行理化分析，发现其中的硼、磷等杂质含量都是严重超标。20三．光伏组件的初始光致衰减试验•光伏组件的核心组成部分就是太阳电池，如果太阳电池的性能发生率减，就必然导致光伏组件的输出功率下降，并极易在组件中引起热斑.•若电池串与串之间电流不一致，在接了旁路二极管的组件特性曲线上可看到“台阶曲线”。•通过测量光照前后组件的输出特性曲线和红外成像分析,可以考察组件的初始光致率减现象．21三．光伏组件的初始光致衰减试验（一）正常组件的输出特性曲线及红外成像图13正常组件的IV特性曲线图14正常组件的红外成像（温度相差仅1.4℃）22三．光伏组件的初始光致衰减试验（二）组件光照后，输出特性曲线及红外成像a.如果电池的衰减基本一致，尽管输出功率下降，但I-V曲线还是正常的，也无热斑出现，其曲线和红外图像与正常组件类似。b.如果电池的衰减不一致，将导致I－V曲线出现台阶，如图15所示图15小台阶大台阶23三．光伏组件的初始光致衰减试验c.有热斑组件的红外成像对于出现台阶曲线的组件用红外成像检查，可发现有些组件出现热斑，如图16所示：这种热斑的温度与周围电池的温度相差较大，过热的区域可引起EVA加快老化变黄，使该区域透光率下降，从而使热斑进一步恶化，导致组件的早期失效。图16异常组件的红外成像，出现热斑（温度相差11.3℃）24案例分析我们对某硅片供应商提供的一批质量极差的硅片进行了全过程的跟踪试验，将转换效率为16.%的电池片，经弱光光照1.5小时后(光源为节能灯11WX40只)，发现电池片转换效率大幅衰减，且离散性也很大，效率最高的为15.4%，最低的仅为13%，如图17所示。18027619628099122614727932953447030609012015018021024027030033036015.415.21514.814.614.414.21413.813.613.413.213转换效率数量图17质量极差的硅片做成的电池片，弱光光照后效率分布图25案例分析将光照后的电池重新检测分档，按转换效率的分布情况做成14块组件，组件经太阳光光照后的功率又进一步下降，如图18所示：151.38153.29155.10157.17158.71160.07162.01145.93147.95155.71153.26150.08145.62148.13151.37155.00143.78152.95149.29151.55144.5413013514014515015516016514.2%14.4%14.6%14.8%15.0%15.2%15.4%转换效率功率(W)原始测试数据日照1天后数据日照2天后数据结论；１．光照强度影响组件功率的衰减幅度．２．尽管普通的节能灯没有使该电池片衰减到稳定的程度，但是通过光照后二次分选剔出了效率衰减大的电池片，使每个组件内电池片性能基本一致。对这类电池，如果不经过光照和二次分选而直接做成组件，那些衰减较为严重的电池片，会分散在各个组件内，导致组件的整体功率下降更多，并将引起组件曲线异常和热斑。３．这批电池转换效率衰减幅度在10%到24%之间!26四．光伏组件输出功率初始衰减的解决方案太阳电池性能的初始光致衰减现象主要发生在单晶硅太阳电池上，对于多晶硅太阳电池来讲,其转换效率的初始光致衰减幅度就很小。由此可见硅片自身的性质决定了太阳电池性能的初始光致衰减程度。因此要解决光伏组件的初始光致衰减问题，就必须从解决硅片问题入手，下面就几个方案进行讨论。27四．光伏组件输出功率初始衰减的解决方案（一）改进掺硼P型直拉单晶硅棒的质量在国内，掺硼P型直拉单晶是目前硅棒市场的主流产品，单晶棒的质量确实令人担忧，单晶棒制造商必须认真对待这个问题．其实直拉单晶工艺是很成熟的，只要我们把好用料质量关，按正规拉棒工艺生产，硅棒的质量是可以得到较好控制的。建议如下：１．避免使用低质量的多晶硅料２．严格控制掺入过多低电阻率N型硅料，如IC的废N型硅片等,避免生产高补偿的P型单晶棒,这种硅棒，尽管电阻率合适，但硼－氧浓度非常高，将导致太阳电池性能出现较大幅度的初始光致衰减．３．提高拉棒工艺，减少晶体硅中氧含量,降低内应力,降低缺陷密度,改进电阻率的均匀性。28四．光伏组件输出功率初始衰减的解决方案（二）利用磁控直拉硅单晶工艺（MCZ）改进单晶硅棒产品质量此工艺不仅能控制单晶硅中的氧浓度，也使硅单晶纵向、径向电阻率均匀性得到改善，这种工艺已在国内部分拉棒公司开始试用。29四．光伏组件输出功率初始衰减的解决方案（三）利用区熔单晶硅工艺（FZ）改进单晶硅棒产品质量区熔单晶硅工艺避免了直拉工艺中大量氧进入硅晶体的固有缺陷，从而彻底解决了P型（掺硼）太阳电池的初始光致衰减现象。因FZ工艺成本较高，主要用于IC和其它半导体器件的硅片