常規(guī)多晶與高效率n型晶體硅太陽電池組件光譜響應(yīng)趨勢(shì)及原因分析

宋肖 朱聰 羅琦

摘 要：目前太陽能電池組件主要分為兩種：一種是常規(guī)多晶太陽電池組件，一種是高效率n型晶體硅太陽電池組件。由于兩種組件在設(shè)計(jì)原理上存在很大差異，導(dǎo)致它們對(duì)光譜響應(yīng)時(shí)間的要求也是各自不同。文章通過對(duì)兩種電池組件在不同光譜響應(yīng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行I-V測(cè)試，分析兩種組件對(duì)光譜響應(yīng)時(shí)間上的需求情況以及原因分析。

關(guān)鍵詞：多晶;n型晶體硅;太陽電池組件;光譜響應(yīng)

0 引言

太陽電池是基于空間航天器應(yīng)用發(fā)展而來的，其材料是利用晶體Si制作成電池。這種電池具有較高的電池轉(zhuǎn)換效率以及穩(wěn)定的工作狀態(tài)。其工作壽命大于25年。目前，由晶體Si制作而成的太陽電池組件90%是由硼參雜P型晶體Si（常規(guī)多晶太陽電池組件）形成的。然而隨著地面光伏的應(yīng)用普及，研究發(fā)現(xiàn)P型Si太陽電池組件在長(zhǎng)時(shí)間光照情況下轉(zhuǎn)換效率會(huì)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的主要原因是摻雜了P型Si襯底中的硼原子與襯底中的氧原子相結(jié)合形成了硼氧對(duì)，這種硼氧對(duì)會(huì)降低少數(shù)載流子壽命，進(jìn)而導(dǎo)致組件轉(zhuǎn)換效率衰減。

為了提高晶體Si太陽電池組件轉(zhuǎn)換效率以及保證其工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性，人們研發(fā)了一種新型晶體Si太陽電池組件，即高效率n型Si太陽電池組件。這種組件電池是由磷參雜n型Si，其硼元素含量極低，從而可以忽略硼氧對(duì)降低少數(shù)載流子壽命的概率。由于n型Si對(duì)部分金屬雜質(zhì)的敏感性較低，因此在相同摻雜濃度下n型Si比P型Si具有更高的少數(shù)載流子壽命。由于n型晶體Si具有高壽命、高效率的優(yōu)勢(shì)，使得其成為現(xiàn)在光伏行業(yè)主要的研究對(duì)象，同時(shí)也正是因?yàn)閮煞N組件存在各種差異，使得常規(guī)多晶太陽電池組件與n型晶體硅太陽電池組件在出廠前進(jìn)行I-V測(cè)試時(shí)對(duì)光譜響應(yīng)時(shí)間要求也存在著很大的差異。下面文章介紹了兩種組件在不同光譜響應(yīng)時(shí)間里，進(jìn)行正反向測(cè)試時(shí)，對(duì)測(cè)試時(shí)間上的一個(gè)需求及原因分析。

1 太陽電池組件I-V測(cè)試現(xiàn)狀

目前業(yè)界對(duì)光伏組件功率測(cè)試采用的均是正向測(cè)試方法，即由Voc到Isc的掃描方向進(jìn)行掃描測(cè)試。光譜響應(yīng)時(shí)間對(duì)于多晶來說一般控制在10ms到15ms左右，單晶組件控制在35ms到40ms左右。

1.1 兩種組件隨光譜響應(yīng)時(shí)間的變化趨勢(shì)

測(cè)試方法為在5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms不同光譜響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，對(duì)一已有標(biāo)定功率的兩種組件進(jìn)行I-V測(cè)試，其中先采用正向測(cè)試，隨后采用反向測(cè)試。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1、表2。

從數(shù)據(jù)表中我們可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

第一，反向測(cè)試功率要高于正向測(cè)試功率;

第二，隨著光譜響應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)正向測(cè)試和反向測(cè)試數(shù)據(jù)差值越來越小;

第三，隨著光譜響應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，正、反向測(cè)試數(shù)據(jù)越接近標(biāo)定值。

1.2 原因分析

1.2.1 Isc方面：n型太陽電池組件的短路電流要大于多晶電池組件。一般對(duì)于多晶單片電池來說其短路電流在8.5～8.6A左右，最多不會(huì)超過9A，而n型電池片短路電流則保持在9.1A以上。導(dǎo)致這種差別的原因在于晶體中原子排列是否規(guī)則。

單晶所有的原子占據(jù)安排良好的規(guī)則的位置（晶格），它具有生長(zhǎng)的有序性;而多晶原子排列彼此間隨機(jī)取向的小晶粒，晶胞大小和取向時(shí)常發(fā)生變化，生長(zhǎng)無序。其中的間界部分我們稱之為晶界。晶界是一個(gè)過渡區(qū)，也是晶體缺陷的密集區(qū)域。而所謂的這種晶體缺陷是少數(shù)載流子的復(fù)合中心，極大的降低了少數(shù)載流子壽命，從而導(dǎo)致短路電流較小。

1.2.2 電池制絨方面：目前工藝中，多晶電池片主要采用酸制絨，即利用Si與HNO3和HF的混合液反應(yīng)使硅片表面形成陷光結(jié)構(gòu)，從而吸收更多的入射光，提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。

對(duì)于n型單晶來說，采用的是堿制絨。其相對(duì)多晶的酸制絨優(yōu)勢(shì)在于OH- 對(duì)不同晶面刻蝕速度存在選擇性，屬于異向刻蝕，而HF+HNO3則對(duì)不同晶面刻蝕速度不具備選擇性，屬于均向刻蝕。

在{111}晶面上，每個(gè)硅原子具有三個(gè)共價(jià)鍵與晶面內(nèi)部的原子鍵結(jié)合，另外一個(gè)是裸露于晶格外面的懸掛鍵。而{100}晶面上每個(gè)硅原子有兩個(gè)共價(jià)鍵和兩個(gè)懸掛鍵，當(dāng)刻蝕反應(yīng)的時(shí)候堿中的OH- 會(huì)和懸掛鍵結(jié)合形成刻蝕，所以說晶格上的單位面積懸掛鍵越多，表面的化學(xué)反應(yīng)就會(huì)越快。最終n型單晶電池表面制絨后成金字塔結(jié)構(gòu)。

不同的制絨方法使得兩種電池對(duì)光的反射率存在很大的差距。據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，多晶電池平均反射率在20%以上，而n型電池的平均反射率小于10%。因此，n型電池吸收更多的入射光，當(dāng)然會(huì)有更多的光子能量轉(zhuǎn)換成電子-空穴對(duì)，使得電池的電容效應(yīng)更加突出明顯。

2 結(jié)論和發(fā)展方向

從前面分析可以看出，n型組件在進(jìn)行I-V測(cè)試時(shí)需要的光譜響應(yīng)時(shí)間大于多晶組件測(cè)試時(shí)間，其主要原因就在于短路電流和制絨工藝上的區(qū)別。因此，未來的發(fā)展方向也會(huì)朝著這兩方面努力。

①晶體缺陷方面：缺陷是由于內(nèi)部熱應(yīng)力所為，改進(jìn)措施可以降低晶體生長(zhǎng)的速度，保證爐內(nèi)溫度的均勻性或者增加孿晶等措施。

②在制絨方面，可以增加添加劑，通過控制反應(yīng)速率使得化學(xué)反應(yīng)更加均勻充分，也可以研究其他腐蝕方法，比如等離子腐蝕等。

參考文獻(xiàn)：

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