蔡卓康，宋宜梅，張瑞賓

（桂林電子科技大學，a.機電工程學院；b.信息科技學院，廣西 桂林 541004）

隨著社會的迅猛發(fā)展，人類工業(yè)化進程不斷推進，人類生活對能源的需求越來越大。太陽能發(fā)電作為新一代高效、清潔、無污染的能源來源，在各個領(lǐng)域扮演越來越重要的角色，太陽能電池的研發(fā)利用也成為了大家研究熱點[1~2]。根據(jù)太陽能電池工作的特定環(huán)境特點，對太陽能電池進行輻照研究，探索電池的輻照退化規(guī)律具有很高的價值[3]。通過研究太陽電池的發(fā)電原理及粒子輻照太陽能電池導致電池損傷的機理，結(jié)合對太陽電池材料進行微觀損傷分析，探索電池性能變化的真正原因，提高太陽電池的抗輻射能力。這是太陽能電池研發(fā)利用過程中一個必需的環(huán)節(jié)[4~7]。國外一些發(fā)達國家對太陽能電池的輻照研究比較早，特別是對硅太陽能電池進行電子、質(zhì)子輻照研究比較多,而近幾年，對GaAs高效電池進行輻照研究比較熱門，分析手段多樣化。而國內(nèi)對太陽能電池進行輻照研究主要集中在近10年，針對空間用的太陽能電池進行輻照研究比較多見[8~13]。隨著技術(shù)的進步，不斷涌現(xiàn)出新的電池產(chǎn)品，像非晶硅薄膜太陽能電池、多層化合物太陽電池、染料敏化電池、有機化合物電池等。但目前，市場上的主流產(chǎn)品還是晶體硅太陽能電池。這是因為硅材料豐富，光電效應(yīng)效率比較高，電池生產(chǎn)技術(shù)比較成熟，適合大量生產(chǎn)。而多晶硅太陽電池的成本更低，轉(zhuǎn)換效率也比較高，多晶硅太陽能電池順應(yīng)社會的需求逐漸占據(jù)了主要的市場份額。對多晶硅太陽能電池進行輻照研究，探索輻照后電池性能衰減的原因，為提高多晶硅太陽能電池的抗輻射能力及控制生產(chǎn)工藝提供理論指導，這具有很實際的意義。在此，采用實驗和蒙特卡洛模擬相結(jié)合的方法，對多晶硅太陽能電池進行了電子輻照效應(yīng)研究。

1 實驗選樣及過程

（1）實驗樣品：桂林吉陽新能源有限公司生產(chǎn)的多晶硅太陽能電池片。

（2）樣品規(guī)格：156×156±0.5mm，電池厚度：200±20μm，氮化硅減反射膜厚度約為80 nm，背面覆蓋鋁背場，3根主柵線，71根細柵線。

（3）實驗過程：將制備好的多晶硅太陽電池在太陽模擬光源下對其性能進行測試，記錄測試結(jié)果；然后，利用JJ一2型靜電加速器對多晶硅太陽能電池進行輻照，電子輻照的能量為1Mev，注量分別為1×1014cm-2，1×1015cm-2，1×1016cm-2；輻照后在與輻照前一樣的測試條件下測試太陽電池的性能；并對輻照前后的太陽能電池進行EL缺陷測試。

2 實驗仿真分析

為了形象地模擬能量一定，輻照注量不同的電子束輻照多晶硅太陽能電池的不同損傷情況，本文采用蒙特卡洛(Monte—Carlo)模擬方法，運用CASINO程序通過計算機模擬跟蹤電子入射到多晶硅太陽能電池材料中的運動軌跡。在整個跟蹤過程中，計算機記錄了粒子運動的各種參數(shù)，經(jīng)過統(tǒng)計處理，得到了電子入射多晶硅電池材料后的運動軌跡圖和沉積能量的分布圖等模擬結(jié)果。在仿真過程中，輻照能量設(shè)置均為1MeV，入射電子數(shù)分別設(shè)置100、500、1 000個，依次進行模擬仿真，得到如圖1至圖9的仿真結(jié)果。以能量一定，數(shù)量不同的電子入射多晶硅太陽電池材料來模擬能量一定，注量不同的電子入射情況。

由圖1、圖2、圖3可見，電子入射多晶硅電池材料后，電子路徑比較曲折，向各個方向散射，整體軌跡圖呈高斯分布。這主要是由于電子入射材料后，與材料中的粒子不斷發(fā)生碰撞，自身能量損失并改變了原來的運動方向，由于粒子運動速度不斷減低直至為零，所以入射電子也只能在一定的范圍內(nèi)運動。

圖1 100個電子在電池材料中的運動軌跡

圖2 500個電子在電池材料中的運動軌跡

圖3 1 000個電子在電池材料中的運動軌跡

由圖4、圖5、圖6可知，入射電子的數(shù)目越大，則單位面積的材料表面受到電子入射數(shù)目越多電子與材料中粒子碰撞總次數(shù)越多，電子在材料中的能量損失密度越大，范圍越寬，會對電池材料的損傷更大。由電子束輻照半導體材料損傷機理可知，電子輻照多晶硅電池材料，發(fā)生電離效應(yīng)和位移效應(yīng)，會在電池材料中產(chǎn)生空位、間隙等缺陷，在一定程度上改變了原先材料的微觀性質(zhì)，進而影響電池的宏觀電學性能。經(jīng)過模擬仿真可知，入射電子數(shù)目越大，電子與材料粒子碰撞的總次數(shù)越多，材料產(chǎn)生的缺陷越多，材料受損傷程度越大，進而使得電池材料的性能改變越大，即會產(chǎn)生注量效應(yīng)。

圖4 100個電子在電池材料中的能量沉淀分布

圖5 500個電子在電池材料中的能量沉淀分布

圖6 1 000個電子在電池材料中的能量沉淀分布

3 實驗測試的結(jié)果分析

3.1 電池的電學性能結(jié)果分析

利用桂林吉陽新能源有限公司運用于生產(chǎn)的太陽能電池片分選機對輻照前后的多晶硅電池片的進行電學性能測試，經(jīng)整理，得到的結(jié)果如表1。

表1 多晶硅太陽能電池的電子輻照效應(yīng)

多晶硅太陽電池在接受能量為1Mev，注量分別為1×1014cm-2，1×1015cm-2，1×1016cm-2電子輻照后，其開路電壓，短路電流及轉(zhuǎn)換效率均產(chǎn)生衰退，并隨著注量增大，衰退更大，如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 不同注量的電子輻照多晶硅太陽能電池短路電流衰減情況

圖8 不同注量的電子輻照多晶硅太陽能電池開路電壓衰減情況

圖9 不同注量的電子輻照多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率衰減情況

比較三圖可知，電池的開路電壓衰減最小。電池受到1×1016cm-2電子輻照后，其短路電流和轉(zhuǎn)換效率均衰減至初始值的一半以下，而電池的開路電壓衰減至初始電壓的80%以上，說明開路電壓受影響相對較小。

由太陽能電池的工作原理，推得多晶硅太陽能電池電池的開路電壓公式[14]為：

式中，

K 為玻耳茲曼常數(shù)T；

q 為電子電荷；

T 為絕對溫度；

I0為P-N結(jié)反向飽和暗電流。

可見，電池的開路電壓與電池的短路電流和電池的電池P-N結(jié)反向飽和暗電流有關(guān)。電子輻照太陽能電池后，電池的電壓衰退，說明電池的P-N結(jié)反向飽和暗電流增加。而電池的暗電流增大原因是由于電池內(nèi)部產(chǎn)生更多的缺陷，進而形成少數(shù)截流子的復合中心，使得少子擴散長度減小、壽命降低所致。

太陽電池的伏安特性表示[14]為：

式中，

IL為電池的光生電流；

Rs為電池的串聯(lián)電阻；

Rsh為電池的并聯(lián)電阻。

可見，電阻的串聯(lián)電阻增大或并聯(lián)電阻減小，均會使得電池的短路電流減小。并聯(lián)電阻，其本質(zhì)是則是由于材料本身及生產(chǎn)工藝等原因在電池內(nèi)部造成的種種漏電通道。電池收到電子輻照后，由于在電池內(nèi)部產(chǎn)生更多的晶體復合缺陷、氮化硅夾雜物沉淀等，漏電通道變得更大、更多。電池的串聯(lián)電阻主要由體電阻、電極的接觸電阻、橫向電阻和電極電阻組成，而體電阻對電池的串聯(lián)電阻影響最大。當太陽能電池收到電子輻射后，其中一個重要原因就是電池內(nèi)部產(chǎn)生晶體缺陷、沉淀物等使得電池的體電阻變大，串聯(lián)電阻隨之增大。

太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率表達[14]為：

式中，

Pin為太陽的輻照功率；

pm為太陽能電池的輸出功率；

FF 為太陽能電池的填充因子，F(xiàn)F 隨Rs增大而減小。

分析顯然可知，電子輻照太陽能電池使得其開路電壓、短路電流減小，轉(zhuǎn)換效率降低。

3.2 電池的電致發(fā)光圖像分析

在太陽電池中，勢壘寬度遠遠小于少子的擴散長度，當空穴和電子通過勢壘區(qū)時，復合消失的幾率較小，空穴和電子會向擴散區(qū)擴散。在正向偏壓下，P-N結(jié)勢壘區(qū)和擴散區(qū)注入了少數(shù)載流子。這些非平衡少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復合而發(fā)光，即為太陽電池電致發(fā)光的基本原理。

發(fā)光成像有效地利用了太陽電池間帶中激發(fā)電子載流子的輻射復合效應(yīng)。在太陽能電池兩端加入正向偏壓,其發(fā)出的光子可以被靈敏的CCD相機獲得,得到太陽電池的輻射復合分布圖像，即為太陽能電池的電致發(fā)光圖像。

本文利用沛德光電科技有限公司生產(chǎn)的電池片紅外熱像缺陷檢測儀(ELTC02)進行電池片的EL測試，測試結(jié)果如圖10、圖11、圖12所示。

由圖10、圖11、圖12可知，當電子輻照注量增大后，電池的EL圖像的陰影部位越來越多，這說明電池的光電轉(zhuǎn)換能力越來越差。這主要是因為電子輻照后，在電池內(nèi)部產(chǎn)生各種晶體缺陷所致，使得電池的串聯(lián)電阻增大，并聯(lián)電阻降低，電池內(nèi)部產(chǎn)生的更多復合中心，這樣，少子在移動的過程中被多子俘獲而復合，少子壽命降低，進而影響電池的電學性能。

圖10 受到能量為1Mev、注量為1x1014 cm-2電子輻照后電池的電致發(fā)光圖

圖11 受到能量為1Mev、注量為1x1015 cm-2電子輻照后電池的電致發(fā)光圖

圖12 受到能量為1Mev、注量為1x1016 cm-2電子輻照后電池的電致發(fā)光圖

4 結(jié)束語

多晶硅太陽能電內(nèi)部有大量的晶粒晶界，晶粒方向雜亂，由電池內(nèi)部的氮、氧、碳等雜質(zhì)所形成硅化物、氧化物缺陷，這些缺陷均影響到電池的電學性能。當電子輻照多晶硅太陽能電池后，產(chǎn)生電離效應(yīng)和位移效應(yīng)，在晶體內(nèi)部產(chǎn)生空位、間隙、懸掛鍵、錯位等新增缺陷，晶體內(nèi)部的粒子吸收入射電子的能量后微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，生成更多的缺陷團，進而形成更多的少子復合中心，促使少子的壽命降低，造成電池的性能退化。經(jīng)過電子輻照多晶硅太陽能電池蒙特卡洛模擬及電池的電學性能實驗分析，結(jié)合對電池的電致發(fā)光圖像分析，得出結(jié)論如下：

（1）多晶硅太陽電池在接受能量為1Mev，注量分別為1×1014cm-2，1×1015cm-2，1×1016cm-2電子輻照后，其開路電壓、短路電流及轉(zhuǎn)換效率均產(chǎn)生衰退，并隨著注量增大，衰退更大，其中短路電流較開路電壓衰減更大。

（2）多晶硅太陽能電池在受到電子輻照后，在電池內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，并隨著輻照注量增大，產(chǎn)生缺陷更多，電子束輻照太陽能電池會產(chǎn)生注量效應(yīng)。

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