晶硅太阳能电池光致衰减问题讨论文档格式.docx

1、 （一）硅片质量差，导致电池出现较大幅度的初始光致 5 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。 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. Fischer and W. 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 6 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： 7 光照或电流注入 Bs B

2、s2Oi 少子寿命高） （少子寿命高） 退火处理 BsO2i 少子寿命低） （少子寿命低） 8 据文献中报道： 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。 9 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 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 图4 不同硼掺杂浓度硅

3、片的少子寿命随时间的变化关系（4） 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）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 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。 12 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 单晶裸硅片的少子寿命随时间的衰减图 1.2 多晶裸

4、硅片的少子寿命随时间的衰减图 1.0 0.8 0.8 少子寿命 us 少子寿命 us 0.6 M1 0.4 M2 M3 0.2 0.0 0 10 min 30 min 1h 时间 H 2h 3h 4h 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 13 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。 140 钝化后单晶硅片少子寿命和光照时间的关系 40 钝化后多晶硅片少子寿命衰减和时间的关系 样品1 35 钝化后硅片的表面复合已不 占主要地位， 占主要地位，而以体内复合 为主， 为主，且硅片的体少子寿命 随光照而衰减。

5、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， 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。 转换效率。 120 样品2 100 样品2 样品3 样品3 0 10 min 30 min 时间 1h 2h 3h 4h 6h 30 25 80 20 60 15 40 10 20 5 0 0 0 10 min 30 min 1h 时间 2h 3h 4h 6h 图6 清洗、钝化后单/多晶硅片少子寿命和光照时间的关系 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

6、程度的恢复。 这和文献中的报道是一致的，如图7所示。 单晶硅片光照少子寿命恢复 14 40 35 30 少子寿命（us） 25 20 15 10 5 0 光照前 光照后 硅片1 硅片2 硅片3 退火后 图7 单晶硅片少子寿命经过退火后恢复 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）晶体硅片少子寿命及太阳电池光致衰减试验 15 （二）P型（掺硼）单/多晶硅太阳电池的初始光致衰减试验 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 I V曲 线 6 单晶电池片光照前后电池I-V曲线 6 4 电流 I 电流 I 3 2 1 0 0 0.2 0.

7、4 电压 V 0.6 0.8 光照前 光照后 光照前 2 1 0 0 0.2 0.4 电压 V 0.6 0.8 光照后 图10 单晶（相对衰减0.8%）电池I-V曲线 图8 单晶电池（相对衰减5.7%）I-V曲线 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 6 多晶电池片光照前后I-V曲线 16 4 电流 I 3 2 1 0 0 0.2 0.4 电压 V 0.6 0.8 光照前 光照后 3 2 1 0 0 0.2 0.4 电压 V 0.6 0.8 图11 多晶（相对衰减0.2%）的电池I-V曲线 图9 多晶电池（相对衰减3.64%） 的I-V曲线 光照前后电池片

8、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 1.0 0.9 0.8 0.7 IQE & EQE 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 300 400 500 600 700 波长 （nm） 800 900 1000 1100 衰减前EQE 衰减前IQE 衰减后EQE 衰减后IQE 17 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 17.0 16.5 16.0 电池效率（%） 15.5 15.0 14.5 14

9、.0 13.5 光照前 光照后 退火后 样品1 样品2 样品3 18 当前硅片质量的状况： 主流电池片的相对衰减：单晶电池片不超过 主流电池片的相对衰减： 1%，多晶电池片不超过0.5% 0.5%。 1%，多晶电池片不超过0.5%。 某些质量很差的硅片做成电池后， 某些质量很差的硅片做成电池后，其相对衰 减接近 单晶） 4%（多晶）， ），这些衰 减接近%（单晶）和4%（多晶），这些衰 减大的电池片是需要我们关注的。 减大的电池片是需要我们关注的。 个别质量特别差的硅片做成电池后， 3. 个别质量特别差的硅片做成电池后，其相对衰减 超过 % 单晶）， ），对这种特别 超过%（单晶），对这种特别

10、 差的材料进 行理化分析，发现其中的硼、 行理化分析，发现其中的硼、磷 等杂质含量 都是严重超标。 都是严重超标。 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 （一）正常组件的输出特性曲线及红外成像 21 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） （二）组件光照后，输出特

11、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IV曲线出现台阶，如图15所示 22 图15 小台阶 大台阶 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。 23 异常组件的红外成像，出现热斑（温度相差11.3） 图16 异常组件的红外成像，出现热斑（温度相差 案例分析

12、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11W X 40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。 360 330 300 270 240 210 180 150 120 90 60 30 0 329 276 280 279 24 数量 180 196 122 99 61 47 53 44 7 15.4 15.2 15 14.8 14.6 14.4 14.2 14 转换效率 13.8 13.6 13.4 13.2 13 图17 质量极差

13、的硅片做成的电池片，弱光光照后效率分布图 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： 结论； 光照强度影响组件功率的衰减 幅度 幅度 尽管普通的节能灯没有使该电 池片衰减到稳定的程度， 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， 池片，使每个组件内电池片性能基本 一致。对这类电池， 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， 和二次分选而直接做成组件，那些衰 减较为严重的电池片， 减较为严重的电池片，会分散在各个 组件内， 组件内，导致组件的整体功率下降更 并将引起组件

14、曲线异常和热斑。 多，并将引起组件曲线异常和热斑。 这批电池转换效率衰减幅度在 10%到24%之间 之间! 10%到24%之间! 165 160 155 151.38 155.10 153.29 150.08 148.13 145.62 145.93 147.95 149.29 151.37 151.55 158.71 157.17 153.26 152.95 160.07 155.00 155.71 162.01 原始测试数据 日照1天后数据 日照2天后数据 功 率 （W） 150 143.78 144.54 145 140 135 130 14.2% 14.4% 14.6% 14.8% 转

15、换效率 15.0% 15.2% 15.4% 四光伏组件输出功率初始衰减的解决方案 26 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 （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，

16、硅棒的质量是可以得到较好控制的。 建议如下： 避免使用低质量的多晶硅料 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 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 （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 （三）利用区熔单晶硅工艺（FZ）改进单晶硅棒产 利用区熔单晶硅工艺（F

17、Z） 区熔单晶硅工艺 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制造，但目 前已有公司对FZ工艺进行相关改造，降低了成本， 可适合于太阳电池硅片的制造。国内有技术实力 的拉棒公司已开展了这方面的试制工作. （四）改变掺杂剂，用镓代替硼 改变掺杂剂， 用掺镓的硅片制作的电池，没有发现太阳电池的 初始光致衰减现象，（见图），因此改掺硼为 掺镓，也是解决太阳电池初始光致衰减的办法之 一，国内技术力量强的企业已在开始做这方面的 工作。 31 （五）使用掺磷的N型硅片

18、代替掺硼的P型硅片 使用掺磷的N型硅片代替掺硼的P 使用N型硅片也是解决电池初试光致衰减问题的方 法之一,但从目前产业化的丝网印刷P型电池工艺 来看,N型电池在转换效率和制造成本上还没有优 势,一些关键工艺还有待解决. 32 （六）提高硅片的加工水平，改进硅片性能的一致性 提高硅片的加工水平，改进硅片性能的一致性 硅片质量的改进主要是提高少子寿命，上面讨论的方 案就是主要涉及少子寿命的改进，除此之外，还有一 些因素影响硅片的质量，如电阻率的均匀性，TV， TTV，几何尺寸，内应力，表面清洁度,锯痕等。建议 硅片制造公司使用硅片分选机，将不同的硅片分类， 向客户提供性能质量一致的产品。 （七）从

19、电池效率分布看硅片性能的一致性 太阳电池制造商不可能在来料抽检过程中发现硅片的全部质量问题，但可 以通过对每批电池效率的统计分析考察每批硅片质量的一致性程度。 33 图19 电池效率分布,分布不对称,低档电池比例大 图20 电池效率分布,出现两个峰值 34 （八）加强硅片质量的监督 在目前，太阳能级硅片的质量几乎处于无人监管 的状态，好坏由客户自己评价。我们建议国家尽 快制定出相关产品标准，建立质量监督机制，使 我国的硅片加工产业健康持续发展。 （九） 对电池片进行先前光照衰减 ? 由于光伏组件的初始光致衰减是由电池的初始光致衰减导 致的,对电池片进行先前的光照,使电池的初始光致衰减发 生在组

20、件制造之前，光伏组件的初始光致衰减就非常小了, 完全可以控制在测量误差之内。同时也大幅度地减少了光 伏组件出现热斑的几率, 提高了光伏组件的输出稳定性， 为我们的用户带来更多的效益。 尽管先前光照衰减是一种亡羊补牢的方法，但在硅片质量 没有得到有效的改善之前，使用此方法是解决光伏组件初 始光致衰减问题有效措施。在尚德公司， 先前光照衰减 的试验工作已完成，规模化的光照衰减设备将陆续到位用 于生产。 36 请产业链上的每位同仁高度重视 自己的产品质量，只有大家齐心 协力，才能使光伏产业健康持续 稳定地发展 质量是企业的生命，他掌握在你 自己的手中！ THANK YOU 谢谢 1本文由floljf贡献 10 m