晶體缺陷對(duì)多晶硅太陽(yáng)電池反向漏電影響研究*

陳文浩，黃紅娜，劉仁中，張 斌，李紅波

（海潤(rùn)光伏科技股份有限公司，江蘇 江陰 214407）

晶體缺陷對(duì)多晶硅太陽(yáng)電池反向漏電影響研究*

陳文浩?，黃紅娜，劉仁中，張 斌，李紅波

（海潤(rùn)光伏科技股份有限公司，江蘇 江陰 214407）

多晶硅太陽(yáng)電池所使用的多晶硅材料往往因鑄造過(guò)程中溫度、應(yīng)力等方面控制不佳，導(dǎo)致晶體缺陷形成。本文通過(guò)研究“黑絲”電池片以及點(diǎn)狀燒穿電池片這兩種在電學(xué)性能上表現(xiàn)為嚴(yán)重的反向線性漏電的異常電池片，對(duì)比觀察其異常所處位置的表面及其解理斷面的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這兩種反向漏電現(xiàn)象出現(xiàn)的本質(zhì)原因是由于其所處位置的硅片結(jié)構(gòu)存在位錯(cuò)或其他晶體缺陷。這種由于晶體缺陷導(dǎo)致的反向漏電現(xiàn)象會(huì)使電池在工作過(guò)程中局部過(guò)熱，給光伏發(fā)電系統(tǒng)帶來(lái)巨大隱患。

多晶硅；晶體缺陷；反向漏電；太陽(yáng)電池

0 引 言

在當(dāng)前的太陽(yáng)電池制備技術(shù)中，多晶硅材料具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。然而相對(duì)于單晶硅材料，其制備成太陽(yáng)電池后轉(zhuǎn)換效率較差。國(guó)內(nèi)外研究組均針對(duì)多晶硅材料進(jìn)行了多方面的研究，普遍認(rèn)為造成多晶硅太陽(yáng)電池效率較低的主要原因并非是多晶硅中存在的大量晶界，純凈的晶界并不會(huì)對(duì)太陽(yáng)電池帶來(lái)過(guò)大的影響[1-2]，而是由于其雜質(zhì)含量較高、存在位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，這些缺陷會(huì)成為載流子的復(fù)合中心，大幅影響太陽(yáng)電池載流子的收集，進(jìn)而導(dǎo)致太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的下降[3-5]。近年來(lái)高效多晶硅材料的流行也佐證了這一看法[6]，高效多晶硅材料利用的就是在多晶硅材料上生成大量的晶界，這些晶界可以有效控制位錯(cuò)的產(chǎn)生和增殖，這種材料所制 備的太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率顯著提高。

然而之前對(duì)于位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷的認(rèn)識(shí)主要在于其對(duì)于電池效率的影響，本文通過(guò)研究?jī)深悓?shí)際生產(chǎn)所遇到的反向漏電流較大的異常電池片，發(fā)現(xiàn)多晶硅材料中所存在的結(jié)構(gòu)缺陷不僅會(huì)成為載流子的復(fù)合中心，較為嚴(yán)重的位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷的富集還會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池出現(xiàn)較大的反向漏電流，這些結(jié)構(gòu)缺陷富集區(qū)域在發(fā)電過(guò)程中大量放熱會(huì)給太陽(yáng)能電池帶來(lái)致命的影響。此外，少量的結(jié)構(gòu)缺陷也容易在電池制程過(guò)程中導(dǎo)致電池柵線處出現(xiàn)嚴(yán)重的點(diǎn)狀漏電現(xiàn)象，造成“燒穿”。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本研究所使用的樣品由太倉(cāng)奧特斯維能源有限公司提供，其電學(xué)性能表現(xiàn)為反向漏電較大。通過(guò)紅外熱成像（IR測(cè)試）觀察電池片在9 V反向負(fù)載電壓條件下的發(fā)熱情況；通過(guò)電致發(fā)光測(cè)試儀（EL測(cè)試儀）確定電池片的漏電類型。選取了其中的“黑絲”電池片（位錯(cuò)富集片，其表現(xiàn)為位錯(cuò)在晶體中成絲狀或團(tuán)狀分布，該區(qū)域的少子壽命較低，導(dǎo)致其在EL圖像下呈“黑絲”狀分布，同時(shí)由于該區(qū)域活化能較低易在酸刻蝕過(guò)程中留下黑絲狀分布的深坑痕跡）以及出現(xiàn)點(diǎn)狀漏電現(xiàn)象的“燒穿”異常電池片進(jìn)行了觀察研究。

通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察漏電區(qū)域以及正常區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析電池片漏電原因。

2 結(jié)果與討論

2.1 “黑絲”片漏電原因分析

隨機(jī)選取了10片“黑絲”電池片進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試，其結(jié)果如表1所示。相比于正常電池片，“黑絲”片效率明顯下降，同時(shí)其并聯(lián)電阻偏低，會(huì)出現(xiàn)大于1 A的反向漏電流（?12 V反向偏壓條件下）。

表1 “黑絲”片電學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表（灰底數(shù)據(jù)為正常電池片）Table 1 Electrical performance test result of “black yarn” pieces (grey data for normal cells)

對(duì)“黑絲”片的電流隨反向負(fù)載電壓變化進(jìn)行測(cè)試，其IV特性曲線如圖1所示?？梢钥吹?，這些“黑絲”片樣品的電流隨反向負(fù)載電壓變化呈線性關(guān)系，屬較為嚴(yán)重的線性漏電，表明該類樣品存在發(fā)射極區(qū)或體區(qū)反轉(zhuǎn)、雜質(zhì)或一些缺陷貫穿電池的現(xiàn)象。

圖1 反向負(fù)載電壓條件下“黑絲”片IV測(cè)試曲線Fig. 1 IV test curves of “black yarn” pieces under the condition of reverse load voltage

分別將正常電池片和“黑絲”片置于9 V反向電壓下進(jìn)行熱成像測(cè)試并進(jìn)一步使用EL測(cè)試進(jìn)行分析，其中典型結(jié)果如圖2所示。從熱成像IR結(jié)果可以看到，正常電池片在9 V反向電壓條件下，電池片（圖2a）整體溫度分布均勻且在30℃以下。而“黑絲”樣品（圖2c）在其右上角出現(xiàn)明顯發(fā)熱區(qū)域，局部溫度高達(dá)90℃以上，而其他區(qū)域的溫度約在30℃左右。同時(shí)，在“黑絲”電池片的EL測(cè)試結(jié)果（圖2d）中可以看到，在發(fā)熱的對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)大量黑色絲線的富集現(xiàn)象，而正常電池片（圖2b）未見明顯的富集黑絲。這些富集的“黑絲”應(yīng)該就是電池片局部過(guò)熱的根本原因，也是導(dǎo)致電池在反向負(fù)載條件出現(xiàn)較大漏電流的原因。

進(jìn)一步對(duì)硅片的“黑絲”區(qū)域進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析，如圖3所示。從其表面的微觀形貌圖上可以看到，有大量黑色深坑和黑線富集在電池片上。相關(guān)研究表明[7]，這種深坑和黑絲應(yīng)當(dāng)是大量的晶體位錯(cuò)等缺陷經(jīng)腐蝕后留下的痕跡。從斷面情況上來(lái)看，斷面的晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的分層和交界，而通常的脆性解理斷口應(yīng)當(dāng)呈河流狀特征，較完整晶體的斷口應(yīng)是有大片平滑區(qū)域[8]，這種較為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)表明了該區(qū)域有較為明顯的晶體缺陷。因此這種“黑絲”片上富集的“黑絲”實(shí)際上表明了硅晶體在該區(qū)域中存在大量的位錯(cuò)或其他晶體缺陷。

圖2 正常電池（a、b）及 “黑絲”片（c、d）的IR與EL測(cè)試成像結(jié)果圖Fig. 2 IR and EL test imaging figure of “black yarn” piece (a, b) and normal cell (c, d)

圖3 “黑絲”片正常區(qū)域和“黑絲”區(qū)域的表面（a, b）以及斷面（c, d）顯微結(jié)構(gòu)分析（SEM）Fig. 3 Surface (a, b) and cross sections (c, d) of normal area and “black yarn” regional microscopic analysis (SEM)

硅晶體中的位錯(cuò)和其他一些缺陷結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致硅晶體的晶體結(jié)構(gòu)不再完整，同時(shí)會(huì)成為有害金屬等雜質(zhì)的附著點(diǎn)，雜質(zhì)很容易在晶體缺陷區(qū)域富集。后續(xù)制備成電池后，尤其是金屬雜質(zhì)為深能級(jí)雜質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致結(jié)的反向擊穿電壓降低，漏導(dǎo)損耗增加，從而產(chǎn)生較大的PN結(jié)漏導(dǎo)電流，甚至直接引起PN結(jié)變窄[9]。此外這種結(jié)構(gòu)會(huì)成為非常嚴(yán)重的載流子復(fù)合中心，在載流子向復(fù)合中心復(fù)合移動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生漏電流。最終由于該結(jié)構(gòu)對(duì)載流子的強(qiáng)烈復(fù)合作用及PN結(jié)的局部失效，致使該區(qū)域的發(fā)電能力極弱。

若將太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)化為無(wú)數(shù)個(gè)微元電池并聯(lián)，有晶體缺陷的區(qū)域由于其發(fā)電能力基本可以忽略，在整個(gè)系統(tǒng)中成為負(fù)載，其他微元電池所產(chǎn)生的電流對(duì)其供電導(dǎo)致漏電，同時(shí)在此過(guò)程中晶體缺陷區(qū)域電阻較大會(huì)大量的釋放熱量，引起局部過(guò)熱。當(dāng)這種“黑絲”片連接進(jìn)光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，由于該區(qū)域發(fā)電能力弱會(huì)導(dǎo)致其在系統(tǒng)中處于反偏狀態(tài)，反偏電壓大到一定程度會(huì)引起雪崩擊穿，局部大量放熱導(dǎo)致“熱斑”[10]形成。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的局部高溫會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致整個(gè)電池片的失效，最終可能會(huì)造成組件損壞，甚至在組件散熱不佳等情況時(shí)會(huì)帶來(lái)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 “燒穿”片漏電原因分析

“燒穿”現(xiàn)象指的是一種通常發(fā)生在柵線或柵線邊緣區(qū)域的點(diǎn)狀漏電現(xiàn)象，通常表現(xiàn)為在電池片電學(xué)性能測(cè)試過(guò)程中檢測(cè)到較為明顯的反向漏電流，在 ?12 V的反向負(fù)載條件下漏電流大于1 A。其電學(xué)性能表現(xiàn)與“黑絲”片類似：并聯(lián)電阻較低，電池效率低于正常電池片。對(duì)其中5片典型“燒穿”電池片的電流隨反向負(fù)載電壓變化趨勢(shì)進(jìn)行測(cè)試，其IV特性曲線如圖4所示?？梢钥吹健盁彪姵仄碾娏麟S反向負(fù)載電壓的增加呈現(xiàn)線性變化，表明“燒穿”現(xiàn)象所導(dǎo)致的漏電是一種較為嚴(yán)重的線性漏電，對(duì)太陽(yáng)電池危害較大。

圖4 反向負(fù)載電壓條件下“燒穿”片IV測(cè)試曲線Fig. 4 IV test curves of “burnthrough” pieces under the condition of reverse load voltage

細(xì)柵處發(fā)生“燒穿”現(xiàn)象的電池片典型IR及EL測(cè)試結(jié)果如圖5所示。在IR圖像中出現(xiàn)了明顯的點(diǎn)狀發(fā)紅區(qū)域，同時(shí)在對(duì)應(yīng)位置的EI圖像中可以得到位于細(xì)柵上的黑點(diǎn)。發(fā)生于主柵處的“燒穿”現(xiàn)象與此類似。

圖5 “燒穿”片IR（a）與EL（b）測(cè)試成像圖Fig. 5 IR (a) and EL (b) test imaging figures of “burnthrough” piece

使用掃描電子顯微鏡分別觀察正常細(xì)柵處和發(fā)生“燒穿”現(xiàn)象的細(xì)柵斷面顯微結(jié)構(gòu)，如圖6所示?？梢钥吹?，在正常細(xì)柵處，細(xì)柵下的斷口結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)河流狀特征，晶體平滑完整；出現(xiàn)“燒穿”現(xiàn)象的細(xì)柵，其細(xì)柵下的斷面結(jié)構(gòu)卻不再呈現(xiàn)河流狀特征，而是出現(xiàn)明顯晶體分層現(xiàn)象，這表明該區(qū)域存在著 較為明顯的材料結(jié)構(gòu)缺陷。為了進(jìn)一步論證晶體缺陷與柵線處“燒穿”現(xiàn)象的聯(lián)系，繼續(xù)取10片出現(xiàn)“燒穿”現(xiàn)象的電池片進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)“燒穿”處柵線下的晶體結(jié)構(gòu)均不呈河流狀特征，而觀察其附近的正常柵線，其斷面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)正常的脆性解理斷口的河流狀特征。這表明細(xì)柵“燒穿”現(xiàn)象與晶體缺陷結(jié)構(gòu)存在明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，晶體缺陷應(yīng)當(dāng)是導(dǎo)致“燒穿”現(xiàn)象發(fā)生的重要原因。

圖6 正常細(xì)柵斷面（a）與細(xì)柵“燒穿”處斷面（b）SEM掃描圖像Fig. 6 Cross sections of normal gridline (a) and gridline with burnthrough (b) SEM scan images

進(jìn)一步觀察主柵處發(fā)生的“燒穿”現(xiàn)象，正常主柵與發(fā)生“燒穿”現(xiàn)象的主柵處斷面顯微結(jié)構(gòu)如圖7所示。從結(jié)果上可以看到，與細(xì)柵處發(fā)生的“燒穿”現(xiàn)象類似，發(fā)生“燒穿”現(xiàn)象的柵線處，其斷面結(jié)構(gòu)往往不呈河流狀特征，表明燒穿處存在著明顯的晶體結(jié)構(gòu)缺陷。

圖7 正常主柵斷面（圖a）與主柵“燒穿”處斷面（圖b）SEM掃描圖像Fig. 7 Cross sections of normal busbar (a) and busbar with burnthrough (b) SEM scan images

由于“燒穿”現(xiàn)象通常發(fā)生于柵線處，然而在柵線燒結(jié)等電池制程工藝中，其產(chǎn)生的作用力不足以導(dǎo)致硅晶體產(chǎn)生嚴(yán)重的晶體缺陷。這種柵線處晶體所存在的結(jié)構(gòu)缺陷應(yīng)當(dāng)是在原料硅片制備過(guò)程中就存在的，這種存在于硅片中的晶體缺陷結(jié)構(gòu)在柵線燒結(jié)時(shí)，由于燒結(jié)溫度以及漿料的不均勻性等因素，會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力的富集，從而使這種原本就存在的晶體缺陷變得更為嚴(yán)重。同時(shí)由于晶體結(jié)構(gòu)缺陷區(qū)域的化學(xué)活化能較低，銀漿在該區(qū)域的腐蝕能力變強(qiáng)，極易導(dǎo)致銀離子擴(kuò)散至耗盡層導(dǎo)通PN結(jié)，甚至銀漿燒穿PN結(jié)，導(dǎo)致嚴(yán)重的漏電。我們觀察到一典型銀漿燒穿PN結(jié)的電池片斷面的微觀結(jié)構(gòu)圖像，如圖8所示?？梢钥吹?，在細(xì)柵的斷面位置，銀漿大量融進(jìn)硅晶體內(nèi)部燒穿PN結(jié)，而在其附近可見明顯的晶體分界，表明該處亦存在著較為明顯晶體缺陷，這與我們之前的分析是一致的。

圖8 細(xì)柵“燒穿”處銀漿融入硅晶體斷面微觀形貌圖（SEM）Fig. 8 Microstructure image (SEM) of silver slurry into the silicon crystal section under the gridline with burnthrough

3 結(jié) 論

多晶硅電池中位錯(cuò)和其他晶體缺陷大量富集時(shí)會(huì)在電池工作時(shí)導(dǎo)致明顯的反向漏電。這些反向漏電除會(huì)對(duì)電池效率帶來(lái)影響，還會(huì)引起電池局部發(fā)熱嚴(yán)重。此外少量位錯(cuò)等晶體缺陷也會(huì)在某些條件下于柵線處引起電池的點(diǎn)狀“燒穿”現(xiàn)象，致使點(diǎn)狀區(qū)域放熱較大。這種電池片的局部高溫會(huì)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)帶來(lái)災(zāi)難性的影響。因此進(jìn)一步改善和控制多晶硅材料位錯(cuò)等晶體缺陷的生成十分必要。

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Impact of Crystal Defects on Shunting of Mutlicrystalline Silicon Solar Cells

CHEN Wen-hao, HUANG Hong-na, LIU Ren-zhong, ZHANG Bin, LI Hong-bo
(Hareon Solar Technology Co. Ltd., Jiangyin, 214407, Jiangsu, China)

Multicrystaline silicon materials used for solar cells are usually under poor control of temperature and stress during the casting which may induce defects. Two kinds of abnormal solar cells, “black yarn” solar cells and dotted burnthrough solar cells, were studied in this paper. These two solar cells show severe reverse linear shunt current on the electrical properties. By observing the microstructures of the surface and cleavage plane on the abnormal areas, we find the ultimate reason of these two kinds of reverse currents is that there are dislocations or other crystal defects in the abnormal areas. The reverse current caused by defects could lead to local overheating of the solar cells under operation. This phenomenon may bring huge risk to the photovoltaic power generation systems.

multicrystalline silicon； crystal defects； reverse current； solar cell

TK514

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.06.008

2095-560X（2015）06-0459-05

陳文浩（1990-），男，碩士，工程師，主要從事光伏材料與器件方向研究。

2015-09-24

2015-11-04

? 通信作者：陳文浩，E-mail：chenwh@hareon.net