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五分钟对PERC电池光衰最新研究进展了如指掌

作者:中国储能网新闻中心  来源:光伏們  发布时间:2017-12-15 10:42:59

中国储能网讯:PERC电池的光致衰减(LID,Light Induced Degradation)问题,尤其是热辅助光衰(LeTID,Light elevated Temperature Induce Degradation)是近年来晶硅太阳电池技术领域关注的热点。随着PERC电池技术大规模产业化,清楚其光衰的原理并解决问题变得越来越紧迫。

国内外对于PERC电池的光衰机理以及解决方案一直在不断的研究中。在2012年最早发表的关于PERC电池LeTID研究的论文中认为,未知机理的LeTID光衰主要发生在多晶PERC电池中,而今年的最新研究结果表明,单晶Cz硅中也存在LeTID光衰。此外,最新研究结果还发现微量的铜元素也会引起晶体硅电池的光衰现象。在第十三届CSPV大会上,中科院电工所王文静研究员详细介绍了2017年国际上对于PERC电池光衰研究的最新成果,以期对国内光伏产业在今后的技术方案选择上有所裨益。以下内容由王文静的演讲整理而来。

众所周知P型晶体硅电池普遍有光衰效应,但PERC电池相较于BSF电池的光衰更高,尤其是多晶PERC电池,光衰较常规多晶电池高6~10%左右。造成这一现象主要是由于PERC电池载流子行进路程加长,且两者吸杂过程存在区别,BSF电池为前磷和背铝吸杂,而PERC电池仅有前磷吸杂。

单晶PERC电池的光衰研究

(1)单晶PERC电池的LID衰减和恢复

单晶硅的LID衰减已经不是个新鲜的话题了,它主要是由电池片中的B-O(硼氧对)对引起的,通过降低硅片中的氧含量、采用掺Ga代替掺B、光照+退火等方法可以有效抑制光衰。国内外都已经有光照退火的恢复设备,且目前几乎所有单晶PERC电池厂家都已采用光照退火的方法抑制光衰。

图一 单晶PERC电池的LID衰减和恢复机理

(2)单晶PERC电池的LeTID光衰

今年最新研究报道显示,单晶PERC电池也存在光照热衰减效应,即LeTID光衰。

德国企业Q-CELL(如今被韩国韩华收购)做了一个实验,将其生产的几乎无光衰的Q.ANTUM单晶PERC电池(蓝线)、未经处理的普通单晶PERC电池(黑线)和经过光照退火的单晶PERC电池(红线)分别在25℃、75℃条件下的进行光衰测试。结果显示,在25℃时,经过光照退火后,确实可以有效降低光衰,然而当温度提升到75℃后,即使经过了光照退火处理,单晶PERC电池的光衰仍然较大,这也证明了单晶PERC电池的确存在LeTID光衰。

图二 Q-CELL:单晶PERC电池的LeTID现象

这一现象的证实也给了单晶PERC电池厂家一个提示,生产单晶PERC电池时,仍应注意考察其LeTID光衰是否存在,即高温长时间光照时单晶PERC电池是否存在光衰。同时,Q-CELL和Solar World均宣称可以制备无LeTID的单、多晶PERC电池,国内企业仍需加大研究力度,争取制备出无光衰的PERC电池。

多晶PERC电池的光衰研究

(1)多晶PERC电池的LeTID光衰

多晶PERC电池的光衰机理更为复杂,目前的研究认为,多晶PERC电池的光衰与热过程有关,随着温度的升高,多晶PERC电池的光衰加强,即LeTID光衰。

最近德国Konstanz大学发表了一篇报告,证实多晶PERC电池的LeTID光衰与B-O对并不完全相关。Konstanz大学做了三个实验对比,分别测试仅掺硼(B)的电池、掺硼并进行磷(P)吸杂的电池、掺镓(Ga)并进行磷吸杂的电池在不同温度下的少子寿命(少子寿命降低说明存在光衰现象)。结果发现,掺硼和掺镓的多晶PERC电池都存在LeTID光衰,只不过掺镓电池的LeTID小于掺硼电池;磷吸杂和非磷吸杂的电池都存在LeTID光衰,但是磷吸杂的电池中少子寿命更高。

(a)仅掺硼电池

(b)掺硼并进行磷吸杂电池

(c)掺镓并进行磷吸杂电池

(2)LeTID减缓或恢复的方法

在制成电池之前,通过吸杂可以有效降低电池的光衰,包括磷吸杂、铝吸杂和磷铝吸杂三种;此外,降低烧结温度,以及减缓烧结的升降温过程,也有利于降低光衰,这是由于在高温下金属沉淀溶解导致金属离子扩散,形成较多的复合中心,快速冷却会使得金属离子“冻结”在晶格中形成较强的复合中心,导致光衰较强,而慢速冷却可以使金属离子。

而在电池已经形成后,LeTID经过长期辐照可以恢复,故可以通过光照退火处理,强光+高温处理可以快速恢复光衰。但是,在光照退火时,温度也不能过高,存在一个温度阈值,因为过高的加速恢复温度会导致二次光衰。烧结退火和激光退火均可改善电池的光衰,而激光退火可以加快光衰的恢复,实验显示激光退火+烧结退火可以彻底消除光衰。

光衰的最新研究成果——Cu(铜)光衰

今年德国Fraunhofer研究所在一篇研究铜掺杂硅片中光衰的报道中,进一步证实了Cu-LID的存在。Fraunhofer研究所通过测试同时具有Cu杂质和B-O对的P型直拉(Cz)单晶硅电池、仅具有Cu杂质而没有B-O对的区熔(Fz)单晶硅电池的少子寿命,结果显示,在Cz硅中铜杂质含量越高,光衰越严重,而Fz硅中即使没有B-O对,仍然存在光衰,这是由于铜所造成的光衰。此外,经过200℃暗退火处理,在短暂恢复后仍会再次造成退火光衰,进一步证明了Cu光衰的存在。

图四 铜掺杂的Cz硅和Fz硅中少子寿命

图五 200℃退火后铜掺杂的Cz硅和Fz硅中少子寿命

Fraunhofer研究所在另一篇对Cu光衰微观研究的报道中提到,晶界的∑数(指晶粒的混乱指数)越大,量子效率(EQE)变化越大,即光衰越不严重,∑>3(孪晶)的晶界光衰小于晶粒内部光衰。

此外,通过对PERC电池的正表面和背表面激光探测发现,部分晶界在正表面未出现光衰,而在背表面存在光衰,经测试证明发生光衰的晶界处存在Cu颗粒,而不衰减的晶界处不存在Cu颗粒。这是由于PERC电池正表面存在P吸杂,而背表面缺少了Al-BSF电池的P+(Al背场)吸杂,导致Cu富集,形成复合中心,从而致使PERC电池的光衰加强。

Bredemeier等人发现当使用较低的温度烧结(600℃)时电池光衰较低,而使用较高温度烧结(900℃)时会造成较强的光衰,低温二次退火(620℃~660℃)可以减少光衰。此外,Eberle等人发现快速冷却会导致较强的光衰,而慢速冷却导致较弱的光衰。这是由于高温处理会使Cu沉淀溶解为Cu原子,Cu原子是可激活杂质,导致Cu扩散到周围,光衰加强,而低温退火和慢速冷却会形成较大的Cu沉淀,降低光衰。

图六 Cu光衰的特性

总结

PERC电池的光衰主要分为两类:一类是非金属光衰,即B-O对引起的光衰,通过退火即可消除,光照+退火(氢钝化)可永久消除,单晶PERC电池的B-O对光衰要高于多晶PERC电池;另一类是金属光衰(Cu、Fe及其他过渡金属),通过降低金属杂质、吸杂预处理、降低热处理温度、低温退火、减缓冷却速度、强光照+热处理可以降低光衰,PERC电池由于单面吸杂,其金属光衰高于BSF电池,而多晶PERC电池由于位错较多,金属光衰比单晶PERC电池更高一些。

此外,值得思考和探究的是,N型电池真的没有光衰吗?它不存在B-O对光衰,那么是否存在金属光衰呢?随着N型电池技术逐渐进步,其光衰研究也应该被重视起来。

关键字:PERC

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