对上述两组电池的直接恢复效果进行研究

点击次数:190   更新时间2019-04-25     【关闭分    享:

  北极星太阳能光伏网讯:摘要:随着p型晶体硅太阳电池转换效率的不断提高,由于光致衰减(lid)造成的效率损失问题也日益突显。文章通过光辐照的方式分别对电池片和经过光衰处理后的电池片进行抑制光衰和光衰恢复处理,前者光衰幅度极大下降,后者光衰得到很好的恢复,并且达到了一个相对稳定的状态,表明光恢复处理可以很好地改善掺硼p型晶体硅太阳电池的lid现象。特别地,针对p型高效电池结构钝化发射区和背表面电池(perc)技术来说,光恢复处理工艺基本上克服了lid的现象,24h光衰幅度仅为0.03%。lid现象的解决,将为perc技术的大规模推广奠定基础。

  掺硼p型硅片的lid(光致衰减)现象由来已久,众多科研机构已对其进行了广泛深入的研究,光照下,硼氧复合物的形成是造成该现象的根本原因[1]。基于替代硼掺杂和降低氧含量,如mcz硅片、fz硅片、掺镓硅片和掺磷n型硅片等[2],虽然可以解决lid问题,但由于市场的现有状况(p型晶硅电池占据了90%以上的晶硅市场份额)和技术上的壁垒(如直拉单晶棒电阻率分布过宽、电池制造设备及工艺亟需改进和更新),均未实现大规模量产。

  据npdsolarbuzz预测,未来5年,高效p型单晶和多晶电池将主导光伏市场[3],而perc(钝化发射区和背表面电池)电池则是目前公认的实现p型高效电池的最佳途径[4]。从2012年开始,众多台湾电池片厂家,包括旭泓、新日光和昱晶等已率先实现perc电池的量产;陆续地,包括sundison、recsolar和晶澳等也宣布进入量产阶段。perc电池效率的提升得益于背面钝化和反射的增强,由此也带来了perc电池极大的光衰;严重时,lid导致的效率衰减超过0.9%[5]。因此,发展一种可以有效抑制和克服掺硼p型电池lid现象的工艺,对p型高效太阳电池的发展具有积极而深远的意义。

  本文依次对常规铝背场电池结构的各种提效工艺和perc高效电池结构的光恢复现象进行研究,有效实现了lid的抑制和改善。

  本文所有的电池片生产工艺均在常规的晶体硅太阳电池生产线)在氢氧化钠、异丙醇、硅酸钠和制绒添加剂构成的碱性溶液中进行制绒,绒面金字塔大小在5μm以内;(2)扩散炉中高温磷扩散形成n型发射结,方阻在80Ω/□左右;(3)等离子体刻蚀去边结后,在氢氟酸溶液中进行二次清洗去除磷硅玻璃;(4)pecvd减反层镀膜,膜厚在80nm左右,具体的镀膜工艺根据再生恢复的需要,选择sinx/siny或者siox/sinx/siny叠层结构;(5)依次进行背面银浆、背面铝浆和正面银浆的丝网印刷及高温烧结;(6)电池片效率测试及分选。

  perc在常规铝背场电池扩散工艺后增加:(1)背面抛光(同时省略第(3)步工艺);(2)背面钝化层沉积后,进行正面sinx减反层沉积;(3)进行背面局部激光开窗后,进行丝网印刷和高温烧结。

  光衰抑制实验:电池片烧结完成后,直接进入专门的光恢复装置中,处理一定的时间后,进行24h的光衰处理。光衰后恢复实验:电池片首先进行24h的光衰处理,在专门的光恢复装置处理后,再次进行24h的光衰处理。

  正面减反层工艺lid与恢复2005年sunpower发现的pid(电势诱发衰减)现象对组件可靠性提出了挑战,在发射结与sinx减反层间生长或者沉积一层siox薄膜[6]可以从电池端解决pid问题。因此,本节将首先研究和解决pid电池的lid现象。如图1所示,为正面sinx/siny和siox/sinx/siny减反层结构电池片在“24h光衰-24h光恢复-24h光衰”处理过程中各个电学参数的变化趋势。两组电池片初始转换效率η分别为19.53%和19.68%,对应voc、isc和ff分别为641.37和643.94mv、9.37和9.36a、78.91%和79.28%。经过24h光衰处理后,两组电池片转换效率相对衰减分别为3.10%和2.16%,对应开路电压voc、短路电流isc和填充因子ff相对衰减分别为0.85%和0.72%、1.68%和1.11%、0.59%和0.36%;经过再生恢复处理后,两组电池片转换效率相对衰减分别为1.23%和0.02%,对应voc、isc和ff相对衰减分别为0.19%和0.03%、0.56%和0.06%、0.49%和-0.07%;再经过24h光衰处理后,两组电池片转换效率相对衰减分别为1.86%和0.75%,对应voc、isc和ff相对衰减分别为0.07%和-0.09%、1.00%和0.39%、0.80%和0.45%。

  如上所述,光衰电池经过光恢复处理后,效率明显恢复,同时在进行再次光衰后,lid明显下降,效率的恢复得以保持;siox/sinx/siny结构表现出更好的恢复效果,我们认为这与siox/sinx/siny结构更好的氢钝化效果有关。接下来,对上述两组电池的直接恢复效果进行研究。如图2所示,分别为两组电池片进行恢复后再进行24h光衰各个电学参数的变化趋势。两组电池片初始转换效率分别为19.68%和19.66%,对应voc、isc和ff分别为641.78和645.33mv、9.40和9.40a、79.24%和78.73%。电池片经过光恢复处理后,转换效率相对衰减分别为1.22%和0.57%,对应voc、isc和ff相对衰减分别为0.23%和0.16%、0.07%和0.03%、0.92%和0.37%;经过24h光衰后,电学参数基本保持。因此,直接的恢复处理同样实现了lid的抑制和改善;同样地,siox/sinx/siny结构表现出更好的恢复效果。

  结合量子效率测试,我们对lid的发生和恢复进行监测。图3示出电池片光衰前后和恢复前后的量子效率对比,图3(a)表明光衰发生后,因硼氧复合物的形成所导致的长波响应下降[7];而图3(b)表示光恢复后,长波响应恢复至与光衰前基本一致,因此,电池的衰减与恢复体现为长波响应的恶化与改善,说明光恢复对体硅复合中心的有效钝化。

  采用折射率渐变的叠层结构是降低入射光反射,提高电池效率的重要举措[8],如何解决随之而来的lid问题则成为关键。图4分别为对叠层结构电池进行光衰后再恢复处理和直接进行光恢复处理电参数的变化趋势。两组电池片初始转换效率分别为19.77%和19.80%,对应voc、isc和ff分别为644.76和645.33mv、9.38和9.37a、79.39%和79.47%。第一组电池片经过24h光衰处理后,转换效率相对衰减为2.75%,对应voc、isc和ff相对衰减分别为0.94%、0.94%和0.90%;经过恢复处理后,isc基本恢复至初始值,voc、ff和转换效率相对衰减分别降低至0.23%、0.56%和0.64%;再经过24h光衰处理后,voc和isc基本保持,由于ff衰减增大至1.15%,导致转换效率出现1.18%的衰减。第二组电池片经过光恢复处理后,转换效率相对衰减为0.26%,对应voc、isc和ff相对衰减分别为0.13%、0.11%和0.02%;经过24h光衰后,电学参数基本保持。因此,无论是光衰前还是光衰后,恢复处理均可使电池复合中心达到一个相对稳定的状态,实现lid较大程度上的抑制和改善[9],从而使叠层减反结构在提高电池转换效率上的贡献得到很好的保持与体现。

  背抛光是perc技术的关键工艺之一[10],就其技术本身而言,也可一定程度上提高电池背面光学和电学性能。图5所示为常规电池片和背抛光电池片进行“24h光衰-24h光恢复-24h光衰”过程中各个电学参数的变化趋势。电池片初始转换效率分别为19.45%和19.60%,对应voc、isc和ff分别为640.76和643.34mv、9.30和9.36a、79.26%和79.01%。经过24h光衰处理后,两组电池片转换效率相对衰减分别为2.77%和1.80%,对应voc、isc和ff相对衰减分别为0.37%和0.50%、1.11%和0.68%、1.32%和0.62%;经过恢复处理后,两组电池片转换效率相对衰减分别减小至0.33%和0.31%,对应voc、isc和ff相对衰减分别为0.13%和0.14%、0.01%和0.11%、0.20%和0.06%;再经过24h光衰处理后,两组电池片转换效率相对衰减分别为1.67%和1.43%,对应voc、isc和ff相对衰减分别为0.08%和0.22%、0.38%和0.23%、1.22%和0.98%。

  如图6所示,为常规和背抛光电池片直接进行光恢复后再进行24h光衰各个电学参数的变化趋势。电池片初始转换效率分别为19.49%和19.66%,对应voc、isc和ff分别为641.05和643.34mv、9.31和9.36a、79.29%和79.26%。电池片经过光恢复处理后,转换效率相对衰减分别为1.12%和0.69%,对应voc、isc和ff相对衰减分别为-0.05%和0.06%、0.72%和0.23%、0.46%和0.40%;经过24h光衰后,转换效率相对衰减分别为1.74%和1.14%,对应voc、isc和ff相对衰减分别为-0.02%和-0.02%、0.96%和0.44%、0.81%和0.72%。由此可见,光恢复处理工艺可有效改善各种提效工艺的lid现象,具有普遍的适用性。

  perc技术已经在量产中实现20%以上的转换效率,但是,电池片高达5%以上的光衰幅度,基本吞噬了高效结构带来的效率增益,如何解决其lid问题是产业化推进不可回避的问题。实验电池均采用perc工艺[11]制备,电参数在光衰后恢复和制备后的直接恢复过程中的变化趋势如图7所示。两组电池片初始转换效率分别为20.25%和20.17%,对应voc、isc和ff分别为659.04和657.73mv、9.31和9.32a、78.87%和78.65%。第一组电池片经过24h光衰处理后,转换效率相对衰减为5.21%,对应voc、isc和ff相对衰减分别为2.12%、2.23%和0.95%;经过恢复处理后,四个关键电学参数已基本恢复至初始值;再经过24h光衰处理后,转换效率相对衰减仅为0.78%。第二组电池片在经过光恢复处理后,转换效率基本与初始值持平,进行24h光衰后,效率相对衰减仅为0.03%,继续进行24h光衰,效率相对衰减也仅为0.22%。由此可见,经过光恢复处理的电池片光衰大幅度下降;同时,由于背面钝化层提供了丰富的氢含量,用于体硅内硼氧复合中心钝化,perc电池恢复效果要比常规电池更好,具体的反应机理在进一步的研究当中。

  电池光衰前后和光恢复前后的量子效率变化如图8所示,由于光衰导致的长波响应下降在恢复处理后,基本完全恢复。

  本工作通过光照的方式实现对掺硼p型晶硅电池lid的控制,极大抑制和改善了电池光衰幅度。结合产线提效方案,具体讨论了用于提高电池可靠性和转化效率的pecvd镀膜工艺、背抛光工艺和perc高效结构的光衰和光恢复现象。针对光衰电池恢复和电池直接恢复过程进行了对比研究,结果表明电池片制备完成后,直接进行光辐照就可进行抑制光衰的处理工艺;在合适的工艺条件下,直接进行光恢复处理比光衰后恢复可获得更好的效果。对于常规铝背场电池,光衰幅度从2.0%以上,最优可降至1.0%以内;对于perc结构,光衰幅度更是从5.0%以上,最优可降至0.03%。perc高效结构优异的光衰恢复效果将极大推动掺硼p型perc结构的产业化推广应用。

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