謝　義

(安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 蚌埠 233030)

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單晶硅片質(zhì)量對太陽能電池性能的影響研究

謝義

(安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 蚌埠 233030)

摘要：太陽能電池硅片的質(zhì)量是影響電池片轉(zhuǎn)換效率以及電池組件發(fā)電效率的一個(gè)關(guān)鍵因素。硅片缺陷的存在會極大地降低電池片的發(fā)電效率，減少電池組件的使用壽命，甚至影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過對單晶硅片質(zhì)量進(jìn)行檢測，分析少子壽命、早期光致衰減以及位錯(cuò)對太陽能電池性能的影響及解決方案。

關(guān)鍵詞：單晶硅； 太陽能電池； 轉(zhuǎn)換效率； 光致衰減； 位錯(cuò)

近年來隨著光伏發(fā)電行業(yè)下游應(yīng)用市場的不斷擴(kuò)大，硅片市場的需求也在不斷提高。而太陽能電池片主要由硅片組成，其中硅片質(zhì)量的好壞直接影響太陽能電池片的綜合性能。在晶硅系列太陽能電池中，單晶硅電池內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)特征決定了其轉(zhuǎn)換效率明顯高于多晶硅電池。但是單晶硅電池內(nèi)部存在的晶體缺陷和內(nèi)部雜質(zhì)等質(zhì)量問題，同樣也會影響太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。

1單晶硅片質(zhì)量對電池性能的影響

1.1少子壽命的影響

少子壽命是目前晶硅電池特征常規(guī)測試的參數(shù)之一。本次研究選取某批單晶硅片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將單晶硅片進(jìn)行初次分選后，按正常生產(chǎn)工藝做成電池片，測量少子壽命對電池效率的影響關(guān)系如圖1所示。由圖可見，少子壽命值越大，轉(zhuǎn)換效率越高，相應(yīng)的晶硅材料的內(nèi)部雜質(zhì)和晶體缺陷也就越少。引起少子壽命降低的原因是光照或電流注入導(dǎo)致硅片中的硼和氧形成硼氧復(fù)合體，但經(jīng)過退火處理后，少子壽命即可恢復(fù)[1]。

1.2早期光致衰減的影響

大量科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)硅片中的硼氧濃度是造成電池片早期光致衰減的主要因素，而光伏組件的光致衰減主要是由各個(gè)電池片的光致衰減不一致造成的。雖然分選電池片時(shí)各個(gè)電池片的電性能一致，但經(jīng)過光照后，電性能出現(xiàn)了較大偏差，從而引起組件特性異常和熱斑現(xiàn)象，最終導(dǎo)致組件的早期失效[2-7]。

圖1　少子壽命與電池效率對應(yīng)關(guān)系圖

將質(zhì)量較差的單晶硅片按正常生產(chǎn)工藝做成初始效率為16%的電池片，經(jīng)節(jié)能燈光照1.5 h后，測試效率最高的為15.4%，最低的僅為13.0%，衰減比率介于3.75%~18.75%，如圖2所示。把上述電池片重新分選，按分選后電池片轉(zhuǎn)換效率的分布情況做成14塊組件，陽光光照1 d和2 d后的功率對比如圖3所示。

早期光致衰減試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)在光伏組件生產(chǎn)過程中，如果電池片不經(jīng)過預(yù)衰減和二次分選而直接做成組件，在各個(gè)組件內(nèi)會包含衰減較為嚴(yán)重的那部分電池片，直接導(dǎo)致組件特性異常和熱斑現(xiàn)象，從而影響組件的整體性能。

(2)雖然普通的節(jié)能燈光照后的電池片做成的組件在陽光光照后仍會出現(xiàn)較大的衰減，但是通過節(jié)能燈光照二次分選后的電池片效率的均勻性基本得到了保障。

(3)初始分選效率16%的電池片經(jīng)過光致衰減后，最終做成的組件功率最大僅155.71 W，最小為143.78 W，而理論上可做成組件的功率為172 W，衰減比率達(dá)9.47%~16.40%。

圖2　低質(zhì)硅片做成的同檔次電池

圖3　重新分選，經(jīng)弱光光照后電池片

1.3早期光致衰減的解決方案

(1)改善硅單晶質(zhì)量。硅片自身的質(zhì)量對太陽能電池的早期光致衰減有決定性作用，可采取的措施有：①利用磁控直拉單晶硅工藝生產(chǎn)單晶硅棒；②使用摻磷的N型硅片；③改善摻雜工藝，比如摻雜工藝過程中用鎵元素代替硼元素。

(2)光照預(yù)衰減后進(jìn)行二次分選。在組件制造前對電池片進(jìn)行光照預(yù)衰減后進(jìn)行二次分選，這樣不僅可以控制組件的衰減，同時(shí)還能大幅度減少光伏組件出現(xiàn)熱斑的幾率，從而提高光伏組件的整體性能。

2位錯(cuò)對電池性能的影響

位錯(cuò)是晶體內(nèi)部缺陷之一，位錯(cuò)密度的大小直接影響電池片的性能。

2.1組件EL測試

通過選用某低檔電池片做成光伏組件進(jìn)行EL測試，在通電情況下電池片中一部分發(fā)出的1 150 nm紅外光相對較弱，說明硅襯底少子壽命明顯偏低，造成了大量黑心和黑斑，如圖4所示。

圖4　組件EL測試

2.2組件電性能測試

圖5為上述組件電性能測試結(jié)果。圖中組件短路電流Isc為4.588 A，明顯偏低此類正常組件短路電流Isc(一般為5.200 A)，最大功率Pmax為143.028 W明顯偏低于此類正常組件最大功率Pmax(一般大于175W)，功率嚴(yán)重下降，說明上述某低檔電池片做成的光伏組件中存在著大量低性能電池片。

圖5　光照條件組件電性能測試

2.3硅片少子壽命測試

上述電池片經(jīng)過工藝處理成硅片后， EL測試結(jié)果表明其存在大量黑心和黑斑區(qū)域，說明少子壽命明顯偏低，如圖6所示。

圖6　電池片EL測試

2.4硅片位錯(cuò)密度測試

選取上述2片硅片經(jīng)化學(xué)工藝腐蝕后，其形貌如圖7所示。

圖7　化學(xué)腐蝕后硅片形貌

測試化學(xué)工藝腐蝕后的硅片位錯(cuò)密度。其中：一硅片“黑心內(nèi)”位錯(cuò)密度高達(dá)1E6～1E7個(gè)cm2；另一硅片黑斑區(qū)域位錯(cuò)密度達(dá)1E5～1E6個(gè)cm2。綜上所述，硅片中極高的位錯(cuò)密度最終會導(dǎo)致電池片性能的嚴(yán)重下降。

3結(jié)語

硅片是晶體硅太陽能電池片最基本的材料，其質(zhì)量直接決定了電池片的整體性能。一方面，硅片的外觀缺陷和表面質(zhì)量影響電池的制造和外觀；另

一方面，硅片的晶體內(nèi)部缺陷和雜質(zhì)直接影響電池的效率和穩(wěn)定性。只有不斷改善和提高硅片的整體質(zhì)量，才能保障太陽能電池片和組件的質(zhì)量和性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳如龍,吳而義,蘇世杰,等.MCZ單晶硅太陽電池的光致衰減問題的研究[C]楊德仁，汪雷.第十屆中國太陽能光伏會議論文集.杭州:浙江大學(xué)出版社,2008:107-109.

[2] 吳翠姑,于波,韓帥,等.多晶硅光伏組件功率衰減的原因分析以及優(yōu)化措施[J].電氣技術(shù),2009(8):113-114.

[3] 王志功.淺談硅片缺陷的控制[J].科技與企業(yè),2013(12):367-367.

[4] 郭建東.太陽能電池電性能異常分析[C]魏啟東.第十一屆中國光伏大會暨展覽會.南京:東南大學(xué)出版社，2010:364-367.

[5] 李祥,文尚勝,姚日暉.硅基有機(jī)太陽能電池光學(xué)性能分析[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2012(3):286-293.

[6] 王志功.淺談硅片缺陷的控制[J].科技與企業(yè),2013(12):367-367.

[7] 胡秀琴,馬長勤.Cr:KTiOPO4晶體缺陷的研究[J].人工晶體學(xué)報(bào),2000(1):69-72.

Study on the Influence of the Quality of Single Crystal Silicon Wafer on the Performance of Solar Cells

XIEYi

(Anhui Vocational College of Electronics & Information Technology, Bengbu Anhui 233030, China)

Abstract:The quality of solar cell silicon wafer is a key factor to affect the conversion efficiency of the battery and the power efficiency of the battery module. The existence of wafer defect can greatly reduce the power generation efficiency, shorten the service life of the battery components, and even affect the stability of photovoltaic power generation system. Based on the detection of single crystal silicon wafer, this paper also analyzed the effect of little sub life, early light induced attenuation and dislocation on solar cell and proposed solutions.

Key words:single crystal silicon; solar cell; transfer efficiency; photoluminescence decay; dislocation

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1980(2016)01-0107-03

中圖分類號：TM914

作者簡介：謝義(1981 — )，男，安徽蕭縣人，碩士，研究方向?yàn)樾履茉磻?yīng)用技術(shù)、電子信息技術(shù)。

基金項(xiàng)目：安徽省省級質(zhì)量工程項(xiàng)目“光伏組件加工實(shí)訓(xùn)工學(xué)產(chǎn)合一教學(xué)模式的研究與實(shí)踐”(2013JYXM429)

收稿日期：2015-10-29