p/n型電池組件LeTID表現(xiàn)及光注入效果研究

姜 倩，苗 林，雷 柳，張銀環(huán)，王 勃

(國家電投集團(tuán)西安太陽能電力有限公司，陜西西安 710100)

光伏行業(yè)高效電池技術(shù)在不斷發(fā)展，PERC(passivated emitter and rear cell)、PERT(passivated emitter，rear totallydiffused cell)電池已成為主流產(chǎn)品。鈍化技術(shù)的提升降低電池表面復(fù)合，電池對吸收光的利用率提高，轉(zhuǎn)換效率提升。但高效率背后的穩(wěn)定性是值得探索和驗(yàn)證的課題。目前p 型PERC、n 型PERT 電池組件是否存在熱輔助光致衰減(LeTID，light elevated temperature induce degradation)以及其長期衰減性能的表現(xiàn)是行業(yè)討論評估的熱點(diǎn)問題，其中光致衰減(LID，light induced degradation)機(jī)理認(rèn)識深入，光注入、退火等抗光衰方案已經(jīng)得到不同程度的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，而LeTID 衰減是一個漫長的過程，雙面電池在這方面的長期可靠性與穩(wěn)定性尚未得到充分驗(yàn)證。新南威爾士大學(xué)(UNSW)、德國康斯坦茲大學(xué)(Konstanz)、弗勞恩霍夫研究所(Fraunhofer)等知名大學(xué)和機(jī)構(gòu)對LeTID 進(jìn)行了廣泛而深入的研究，但尚未得出一致的認(rèn)知。IEC 也未發(fā)布有關(guān)LeTID 評價標(biāo)準(zhǔn)。目前有關(guān)LeTID 評價仍在參考IEC 61215(草案)相關(guān)條款。

本文主要研究PERC、PERT 電池組件在LeTID 方面的性能表現(xiàn)和光注入在兩種電池上的應(yīng)用效果，以及其長期可靠性及穩(wěn)定性。

1 LeTID 及光致再生的現(xiàn)狀研究

1.1 p/n 型電池結(jié)構(gòu)介紹

PERC 是利用SiNx、Al2O3在電池背面形成鈍化層，作為背反射層，增加長波光的吸收，同時將p-n 極間的電勢差最大化，降低載流子復(fù)合，提升轉(zhuǎn)化效率。PERC 電池結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 PERC電池結(jié)構(gòu)簡圖

PERT 是鈍化發(fā)射極背表面全擴(kuò)散，背面淺磷擴(kuò)散形成后表面場，正面硼擴(kuò)散形成pn 結(jié),前表面Al2O3形成鈍化層，雙面鍍SiNx減反鈍化層，增加光的吸收。PERT 電池結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。

圖2 PERT電池結(jié)構(gòu)簡圖

新型高效電池的鈍化技術(shù)不斷優(yōu)化，增加了長波段入射光子的有效吸收，然而電池背面產(chǎn)生的光生少數(shù)載流子需要經(jīng)歷較遠(yuǎn)的路徑才可以被有效分離收集，載流子傳輸距離加長，復(fù)合幾率高。電池雙面鈍化，表面復(fù)合速率低，光致衰減引起體壽命衰減占比加大。PERC 型電池缺少背部鋁吸雜，金屬復(fù)合中心會引起一定的衰減。n 型材料中的常見雜質(zhì)對少子空穴的捕獲能力低于p 型材料中的雜質(zhì)對少子電子的捕獲能力，對金屬的雜質(zhì)的容忍度高，因此這一因素導(dǎo)致的衰減較低。

1.2 LID 機(jī)理研究現(xiàn)狀

光致衰減LID 主要指由p型硅中的雜質(zhì)硼(B)和氧(O)形成的一種缺陷(簡稱BO 復(fù)合體)，在光照或者正偏壓下產(chǎn)生，導(dǎo)致性能降低。其缺陷濃度與B 濃度成正比，與O 濃度平方成正比。形成速率與溫度成Arrhenius(阿倫尼烏斯)關(guān)系，與硼濃度平方成正比[1]。BO-LID的加速光衰-暗退火循環(huán)見圖3。

圖3 BO-LID 的加速光衰-暗退火循環(huán)[2]

對于BO-LID，暗退火可以使已經(jīng)再生的硼氧復(fù)合體被分解，再一次光照產(chǎn)生新的衰減循環(huán)。這樣的循環(huán)被“加速光衰-暗退火”過程驗(yàn)證。循環(huán)過程周期，幅度接近，BO-LID 衰減可恢復(fù)。

1.3 LeTID 機(jī)理研究現(xiàn)狀

熱輔助光致衰減與p 型摻雜劑以及硅中的金屬雜質(zhì)有關(guān)，生成速率較慢，缺陷濃度與溫度、硅片質(zhì)量與摻雜情況、硅片熱歷史、光照強(qiáng)度、電池工作狀態(tài)等均存在一定關(guān)系。衰減路徑與LID 相似，緩慢衰減過程可達(dá)數(shù)千小時。目前認(rèn)為可能的機(jī)制一是金屬雜質(zhì)(Cu、Fe、Ni 等過渡金屬)引起的衰減[3]；二是氫致衰減，氫含量太高造成衰減；氫原子不僅可以起到鈍化雜質(zhì)和缺陷的作用，過多的氫可以誘發(fā)形成部分復(fù)合中心。鈍化了雜質(zhì)和缺陷部位的氫鍵很容易由于高溫和光照受到破壞,以更快的速度釋放弱鍵氫,從而導(dǎo)致衰減；三是背部電介質(zhì)去鈍效應(yīng)引起衰減，即AlOx/SiNx鈍化膜衰減[4]。LeITD 加速光衰-暗退火循環(huán)見圖4。

圖4 LeITD 加速光衰-暗退火循環(huán)

氫原子與其它雜質(zhì)形成缺陷對的價態(tài)變化是衰減的根源。介質(zhì)層是電池內(nèi)部主要的氫來源。常用的介質(zhì)層是SiNx/Al2O3,其中SiNx的氫含量較高、大于10%；Al2O3的氫含量較少、約3%。燒結(jié)時介質(zhì)層釋放的氫進(jìn)入硅片,形成弱氫鍵，鈍化了缺陷部位。這些氫鍵很容易由于高溫和光照受到破壞,以更快的速度釋放弱鍵氫H0,從而導(dǎo)致衰減。隨著時間的推移,恢復(fù)進(jìn)程被激活，然后達(dá)到飽和狀態(tài)。釋放的氫又會形成氫鍵，穩(wěn)定的氫鍵會鈍化缺陷部位。

2 PERC 與PERT電池LeTID 的性能表現(xiàn)

2.1 PERC 電池LeTID 衰減特性

利用穩(wěn)態(tài)太陽模擬器進(jìn)行電池LeTID 測試。依據(jù)IEC 61215(草案修改版)給出的組件LeTID 測試條件，測試溫度75 ℃，輻照度1 000 W/m2。PERC 電池75 ℃LeTID 測試趨勢圖見圖5。

圖5 PERC電池75 ℃LeTID 測試趨勢圖

單面、雙面PERC 電池衰減趨勢類似，隨著輻照量的增加呈現(xiàn)下降趨勢；二者都存在一定的長期緩慢衰減現(xiàn)象。

2.2 PERT 電池LeTID 衰減特性

PERT 電池LeTID 測試，按測試溫度75 ℃，高輻照1 300 W/m2，標(biāo)準(zhǔn)輻照1 000 W/m2進(jìn)行。PERT 電池75 ℃LeTID 測試趨勢圖見圖6。

圖6 PERT電池75 ℃LeTID 測試趨勢圖

PERT 電池在初始階段效率提升幅度較大，輻照量累積到90 kWh/m2時開始下降；長期的高輻照環(huán)境下電池的衰減增大，電池的性能下降較明顯；與PERC 對比，PERT在初期并沒有看到衰減的趨勢，在LeTID 方面性能表現(xiàn)優(yōu)。PERT 電池高溫衰減電性能數(shù)據(jù)變化見表1，PERT電池EQE趨勢對比見圖7。

表1 PERT 電池高溫衰減電性能數(shù)據(jù)變化

圖7 PERT電池EQE趨勢對比

從趨勢結(jié)果來看效率前期會有一個提升，其參數(shù)變化主要是開路電壓的影響，在EQE曲線中表現(xiàn)出短波段的增益；提升原因考慮是溫度及輻照有利于氫原子(H)在硅晶體中擴(kuò)散，使得氫原子(H)對缺陷的鈍化能更加有效和快速地進(jìn)行；Al2O3/SiNx中的氫原子(H)擴(kuò)散到硅片表面與懸掛鍵結(jié)合實(shí)現(xiàn)鈍化，改善了氫原子(H)鈍化效果[5]。

2.3 PERC/PERT 組件LeTID 測試

兩種組件LeTID 測試，測試溫度75 ℃，電流Isc-Impp，進(jìn)行4 個循環(huán)，每個循環(huán)162 h。PERC 組件LeTID 衰減趨勢見圖8，PERC 組件LeTID 測試前后EL 圖對比見圖9。

圖8 PERC組件LeTID 衰減趨勢

對比PERC 組件前后的EL 圖，明顯可以看出LeTID 測試后，個別電池片對應(yīng)的EL 圖明顯發(fā)暗，可以說明電池的發(fā)電性能變差。

PERT 組件LeTID 衰減趨勢見圖10，PERT 組件LeTID 測試前后EL 圖對比見圖11。

圖10 PERT組件LeTID衰減趨勢

圖11 PERT組件LeTID 測試前后EL圖對比

PERC 組件在LeTID 循環(huán)測試過程中功率呈現(xiàn)下降趨勢，在4 個LeTID 循環(huán)測試過程中功率略有下降，總衰減率正面為1.36%，背面為2.53%；PERT 組件LeTID 循環(huán)測試過程中并未出現(xiàn)衰減，4 個LeTID 循環(huán)測試過程中功率保持較好，648 h 后功率反而略有提升，正面提升了0.49%，背面提升了0.71%。從圖8 和圖10 的電池組件EL 測試結(jié)果來看，PERC組件在LeTID 測試前后部分電池出現(xiàn)發(fā)灰發(fā)黑等失效現(xiàn)象，PERT 組件EL 前后沒有明顯變化。PERT 組件抗LeTID 優(yōu)勢明顯，性能穩(wěn)定。

3 光注入PERC 及PERT 電池

3.1 光注入PERC 電池效果

PERC 電池有一定程度的LeTID 衰減，且經(jīng)過降衰減處理后仍然存在一定的衰減，因此下文研究驗(yàn)證了光注入的效果。對比了不同注入條件后衰減的趨勢變化。

光注入測試，測試溫度75 ℃，輻照度1 000 W/m2，樣品處理，17 倍太陽光照1 次注入(17 SUN、200 ℃、35 s)，17 倍太陽光照2 次注入(17 SUN、200 ℃、70 s)，40 倍太陽光照1 次注入(40 SUN、200 ℃、35 s)。PERC 電池不同光注入條件后高溫衰減趨勢見圖12。

圖12 PERC電池不同光注入條件后高溫衰減趨勢

從光注入后的衰減曲線來看光注入處理后還會有一個緩慢的衰減過程，不同注入條件后衰減曲線大致相同，在初期衰減較快；17 倍太陽光的強(qiáng)度2 次注入處理后總衰減為0.34%，40 倍太陽光的強(qiáng)度1 次注入后總衰減為0.29%，17 倍太陽光的強(qiáng)度1 次注入處理后總衰減為0.38%；多次光注入會減緩后期的高溫衰減。組件通過光注入，可以改善電池抗衰減能力，用更強(qiáng)的光注入會取得更佳的抗衰減效果。

3.2 不同預(yù)處理PERC 電池光注入效果

為了考慮電池在使用或者放置較長時間后效率的恢復(fù)問題，將未預(yù)處理、60 h LID、200 h LID 處理的PERC 電池片，用40 倍太陽光的光強(qiáng)進(jìn)行光注入后，進(jìn)行高溫(75 ℃)衰減測試。不同預(yù)處理PERC 電池光注入后高溫(75 ℃)衰減見圖13，不同預(yù)處理PERC電池光注入后高溫(75 ℃)衰減率見圖14。

圖13 不同預(yù)處理PERC電池光注入后高溫(75 ℃)衰減

如圖14 所示，15 kWh/m2后總衰減率是指樣品經(jīng)受15 kWh/m2輻照處理后直至試驗(yàn)結(jié)束后的衰減率。不同預(yù)處理對光注入后高溫衰減趨勢表現(xiàn)一致，不同的預(yù)處理?xiàng)l件主要對前期高溫衰減幅度產(chǎn)生影響。

圖14 不同預(yù)處理PERC電池光注入后高溫(75 ℃)衰減率

3.3 光注入PERT 電池效果

PERT 電池不同條件光注入后電性能數(shù)據(jù)變化見表2。

表2 PERT 電池不同條件光注入后電性能數(shù)據(jù)變化

對PERT 電池性能而言，光注入條件A 產(chǎn)生了增益，條件B 增益不明顯；增益(性能提升)主要是源于開路電壓與填充因子的貢獻(xiàn)；提供對光注入前后性能數(shù)據(jù)對比分析，認(rèn)為轉(zhuǎn)換效率提升主要是氫鈍化改善所帶來的增益，PERT 電池不同注入條件后高溫衰減趨勢見圖15。

圖15 PERT電池不同注入條件后高溫衰減趨勢

光注入PERT 電池會產(chǎn)生性能增益。經(jīng)過光注入處理的PERT 電池，在長期高溫衰減測試中，發(fā)現(xiàn)它的轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定保持在某一數(shù)值水平。不同的注入條件帶來的效率增益不同，因?yàn)楣庾⑷胩嵝l件需要與產(chǎn)品特性及結(jié)構(gòu)匹配才可能產(chǎn)生增益。

4 結(jié)論

PERC 電池存在一定的LeTID 衰減，隨著輻照量的增加，PERC 電池均呈現(xiàn)明顯下降趨勢。光注入后電池依然會有一個緩慢的衰減過程，不同預(yù)處理電池對光注入后高溫衰減趨勢表現(xiàn)一致，不同的預(yù)處理?xiàng)l件主要是對前期高溫衰減幅度產(chǎn)生影響。

PERT 電池在高溫衰減過程中，前期會出現(xiàn)效率提升，在EQE曲線中表現(xiàn)出短波段的增益。這可能是高溫光照有利于H 在硅晶體中擴(kuò)散并改善了H 鈍化效果的原因。光注入對PERT 電池有性能有一定增益，效率的提升主要是開路電壓與填充因子增加帶來的貢獻(xiàn)。

PERC 電池經(jīng)過不同條件光注入后衰減曲線大致相同，但多次光注入會減緩后期的高溫衰減，組件通過光注入，可以改善電池抗衰減能力，用更強(qiáng)的光注入會取得更佳的抗衰減效果。PERT 采用不同的注入條件效率增益不同，選擇適宜條件尤為關(guān)鍵。光注入后在高溫輻照環(huán)境中性能穩(wěn)定性較好。