馬 遜,李 明,劉祖明,羅 熙,王云峰,徐永鋒,李國(guó)良
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太陽(yáng)電池電勢(shì)誘導(dǎo)衰減效應(yīng)表面復(fù)合速度機(jī)理
馬 遜,李 明,劉祖明,羅 熙,王云峰,徐永鋒,李國(guó)良
(云南師范大學(xué)太陽(yáng)能研究所,昆明650500)
電勢(shì)誘導(dǎo)衰減(potential induced degradation,PID)效應(yīng)是導(dǎo)致光伏組件輸出效率下降的主要原因之一。為了研究PID太陽(yáng)電池前表面非平衡載流子復(fù)合特性,該論文首先分析PID太陽(yáng)電池表面能帶及電場(chǎng)變化情況,利用連續(xù)性方程以及電流密度方程建立PID太陽(yáng)電池表面復(fù)合速度SPID與短波內(nèi)量子效率(internal quantum efficiency,IQE())之間的數(shù)學(xué)模型。其次,通過(guò)利用太陽(yáng)電池常用計(jì)算模擬軟件PC1D模擬在不同工藝條件下晶體硅太陽(yáng)電池IQE(),并且采用所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型計(jì)算PID效應(yīng)太陽(yáng)電池前表面復(fù)合速度SPID,與未發(fā)生PID效應(yīng)時(shí)前表面復(fù)合速度S以及-特性曲線進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明,利用短波IQE()測(cè)量PID太陽(yáng)電池前表面復(fù)合速度SPID時(shí),波長(zhǎng)選擇范圍在310~360 nm之間誤差較小;當(dāng)太陽(yáng)電池發(fā)生PID效應(yīng),前表面復(fù)合速度增大,前表面雜質(zhì)濃度低、鈍化效果好的太陽(yáng)電池輸出-特性下降,對(duì)鈍化效果差、表面摻雜濃度高的太陽(yáng)電池輸出-特性影響較小。論文的研究結(jié)果為制備抗PID效應(yīng)組件提供理論基礎(chǔ)。
模型;波長(zhǎng);太陽(yáng)能電池;PID;前表面復(fù)合速度;內(nèi)量子效率;特性
光伏組件發(fā)生PID(potential induced degradation)效應(yīng)是造成光伏電站輸出效率衰減的原因之一[1-2]。PID效應(yīng)又稱電勢(shì)誘導(dǎo)衰減,是2005年由Sunpower在SiO2(二氧化硅)鈍化組件發(fā)現(xiàn)的,PID造成光伏電站發(fā)電量衰減最大可達(dá)30%以上[3-4]。在電站設(shè)計(jì)中為了安全考慮,組件邊框接地,由于多塊光伏組件串聯(lián),因此與玻璃和邊框之間形成了較大的電勢(shì)差。組件長(zhǎng)期工作在高電壓條件下,電池與玻璃、封裝材料、邊框之間存在漏電流,大量電荷聚集在電池表面,使得電池表面鈍化效果變差。在潮濕、高溫的環(huán)境中,水蒸氣通過(guò)封邊硅膠或背板進(jìn)入組件內(nèi)部,組件的EVA(乙烯—醋酸乙烯共聚物)水解產(chǎn)生醋酸,醋酸與玻璃表面析出的堿(Na2CO3)反應(yīng)產(chǎn)生可以自由移動(dòng)的Na+,電場(chǎng)作用下Na+移動(dòng)至電池表面,使得組件轉(zhuǎn)換效率降低,發(fā)生PID效應(yīng)[5-6]。
光伏組件在高溫、潮濕、外加高電壓的環(huán)境中,導(dǎo)致Na+積累在太陽(yáng)電池表面,造成入射光面鈍化效果變差,從而造成光伏組件輸出電壓、電流以及最大輸出功率等參數(shù)下降[7]。因此有必要研究PID太陽(yáng)電池材料前表面復(fù)合速度與太陽(yáng)電池輸出特性之間的關(guān)系。Dominik Lausch等分析了當(dāng)太陽(yáng)電池發(fā)生PID效應(yīng)時(shí)表面能帶結(jié)構(gòu)的變化[8],中科院電工所向昱任等[9]研究人員推測(cè)發(fā)生PID效應(yīng)太陽(yáng)電池中可動(dòng)電荷Na+對(duì)于組件效率的影響同被SiNx(氮化硅)薄膜場(chǎng)鈍化作用所屏蔽的隱性缺陷密切相關(guān),建立了可動(dòng)電荷數(shù)量與太陽(yáng)電池輸出效率數(shù)學(xué)模型。太陽(yáng)電池的光生少數(shù)載流子在前表面(入射光面)復(fù)合速度大,將造成太陽(yáng)電池暗電流密度J增大,開(kāi)路電壓V降低,載流子收集率f減小,短路電流密度J降低,這是造成太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率降低的主要原因[10-11]。為了提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率,在工藝上通常采用熱氧鈍化或者等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)鈍化來(lái)降低其前表面復(fù)合速度(S),鈍化效果的好壞通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)電池短波太陽(yáng)電池內(nèi)量子效率(internal quantum efficiency,IQE)進(jìn)行檢驗(yàn)[12-13]。通過(guò)研究已有的利用短波波長(zhǎng)IQE()測(cè)量太陽(yáng)電池前表面復(fù)合速度S的模型[14-16],發(fā)現(xiàn)沒(méi)有適用于發(fā)生PID效應(yīng)情況下的前表面復(fù)合速度的模型。
為了研究太陽(yáng)電池發(fā)生PID效應(yīng)后,其前表面復(fù)合速度的變化以及對(duì)太陽(yáng)電池輸出特性的影響,獲得PID效應(yīng)太陽(yáng)電池前表面非平衡載流子復(fù)合特性相關(guān)信息,本文將利用太陽(yáng)電池載流子連續(xù)性方程以及電流密度方程建立PID太陽(yáng)電池前表面復(fù)合速度SPID與短波內(nèi)量子效率IQE()之間的數(shù)學(xué)模型。
本論文研究產(chǎn)生PID效應(yīng)的晶體硅太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)為npp+型,前表面復(fù)合速度即研究光生空穴在區(qū)表面的復(fù)合速度S。利用短波照射太陽(yáng)電池,光生載流子主要產(chǎn)生在發(fā)射區(qū)(區(qū)),所收集到的光生電流可近似認(rèn)為是由發(fā)射區(qū)光生空穴提供。以穩(wěn)態(tài)電流密度連續(xù)性方程與電流密度方程式為基礎(chǔ),可以得到發(fā)射區(qū)空穴的分布情況,再利用邊界條件即可求出PID太陽(yáng)電池發(fā)射區(qū)光生空穴提供的電流密度。
由于Na+存在SiNX/Si界面處,且?guī)д?,因此表面感?yīng)等量負(fù)電荷,當(dāng)界面附近的Na+數(shù)量增加時(shí),可使界面態(tài)密度有明顯增加。由于晶體硅太陽(yáng)電池區(qū)表面存在受主表面態(tài),可以提供與Na+等量的負(fù)電荷。如果視體內(nèi)為電勢(shì)零點(diǎn),表面勢(shì)V<0,能帶將向上彎曲,形成表面勢(shì)壘,表面能帶如圖1所示[17]。如果表面態(tài)數(shù)量夠多,使得Si表面附近很薄的區(qū)域內(nèi)空穴濃度高于電子濃度,表面變?yōu)樾蚚18]。同時(shí),表面處產(chǎn)生由體內(nèi)指向表面的電場(chǎng)E,方向與內(nèi)建電場(chǎng)E相反,該表面電場(chǎng)將阻礙光生空穴Δ被-結(jié)的收集,使得表面復(fù)合速度增大,空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度減小。
注:ES為表面電場(chǎng),Ein為p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng),EF為費(fèi)米能級(jí),Ei為本征費(fèi)米能級(jí)。
PID太陽(yáng)電池表面存在電場(chǎng)E,令SiNx薄膜與Si樣品接觸面為原點(diǎn),為距原點(diǎn)的距離,()為前表面處任意一點(diǎn)電勢(shì),因此前表面泊松方程求解如(1)式。
式中為電荷密度,C/cm3,ε為材料的相對(duì)介電常數(shù),0為真空中介電常數(shù),數(shù)值為8.854×10-12F/m。積分一次后,得到距表面處任意一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度,如式(2)所示。
其中V為表面電勢(shì),V,其表達(dá)式為
式中0為玻耳茲曼常數(shù),數(shù)值為1.38×10-23J/K;為絕對(duì)溫度,K;為電子電量,數(shù)值為1.602×10-19C;n為本征載流子濃度,1/cm3;N是太陽(yáng)電池區(qū)的摻雜濃度,1/cm3;n0,p0分別為表面處電子和空穴的濃度,cm-3,大小與表面處電勢(shì)V有關(guān),如式(4)所示。
由于表面電場(chǎng)E的方向與-結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)E方向相反,因此E將阻礙光生載流子向-結(jié)區(qū)運(yùn)動(dòng),從而造成太陽(yáng)電池電特性衰減。PID太陽(yáng)電池距表面處非平衡少數(shù)載流子的濃度可利用聯(lián)系性方程式(5)描述。
式中Δ()為非平衡載流子濃度,1/cm3;D為區(qū)空穴擴(kuò)散系數(shù),cm2/s;μ為區(qū)空穴遷移率,cm2·V/s;E為表面電場(chǎng),V/m;τ為空穴壽命,s;N為入射光子數(shù)通量,cm-3;為太陽(yáng)電池表面反射率,%;為材料吸收系數(shù),cm-1。該方程的特解形式為
式中
式中L為空穴在區(qū)的擴(kuò)散長(zhǎng)度,m。求解待定系數(shù)和需要2個(gè)邊界條件。
考慮太陽(yáng)電池短路情況下,邊界條件可以表示為
SPID為PID太陽(yáng)電池前表面非平衡載流子復(fù)合速度,cm/s;x為區(qū)的厚度,m。通過(guò)求解邊界條件得到、值,代入式(6)得到區(qū)任意一點(diǎn)非平衡載流子濃度Δ()的值,再代入電流密度方程式可以得到在短路情況下,區(qū)空穴電流密度J見(jiàn)式(8)。
量子效率(quantum efficiency,QE)是描述太陽(yáng)電池對(duì)不同能量光子的響應(yīng)能力,常用于研究太陽(yáng)電池及其材料的內(nèi)在特性。考慮表面反射的影響又分為外量子效率(external quantum efficiency,EQE)和內(nèi)量子效率IQE。研究表明,PID效應(yīng)光伏組件在400~600 nm波段EQE降低,而800~1100 nm波段EQE未受影響[19]。太陽(yáng)電池的內(nèi)量子效率IQE是消除太陽(yáng)電池的表面反射的影響,如式(9)所示。通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)電池IQE隨波長(zhǎng)的變化IQE(),可以了解光生載流子在基區(qū)的擴(kuò)散長(zhǎng)度[20-21]、表面復(fù)合速度[22-23]、-結(jié)收集幾率[24-26]以及其他相關(guān)參數(shù)[27-29]。
式中J()為波長(zhǎng)單色光照射時(shí)太陽(yáng)電池短路電流密度,A/cm2;N()為波長(zhǎng)單色光的光子數(shù)通量。由于太陽(yáng)電池的短路電流密度J()是由區(qū)的空穴電流密度J()、區(qū)的電子電流密度J()和勢(shì)壘區(qū)電流密度J()構(gòu)成。短波單色光照射太陽(yáng)電池,由于太陽(yáng)電池對(duì)短波光子吸收系數(shù)較大,因此光生載流子主要產(chǎn)生在入射光前表面,即區(qū)附近,此時(shí)太陽(yáng)電池短路電流密度可以近似認(rèn)為全部由區(qū)空穴電流密度J()組成。
將式(8)代入式(9)可以得到利用短波單色光照射PID太陽(yáng)電池前表面復(fù)合速度SPID與IQE()的數(shù)學(xué)模型,如式(10)所示。
對(duì)于特定樣品來(lái)說(shuō),在一定波長(zhǎng)單色光入射條件下,樣品吸收系數(shù),空穴的擴(kuò)散系數(shù)D,遷移率μ,結(jié)深j以及L(E)為已知條件。通過(guò)利用量子效率測(cè)試儀測(cè)量樣品短波內(nèi)量子效率IQE(),可以利用式(10)計(jì)算太陽(yáng)電池前表面復(fù)合速度SPID值。
本文所選用的型組件,即單晶體硅片為(100)型CZ單晶硅片,面積為100 mm×100 mm,材料少數(shù)載流子壽命為7.2s,摻雜濃度N為1.5×1016/cm3。制作步驟按照常規(guī)工業(yè)化晶體硅太陽(yáng)電池工藝,分別采用恒定源POCl3液態(tài)源進(jìn)行擴(kuò)散,鍍SiNX鈍化減反射膜且制作鋁背場(chǎng),摻雜濃度N為1×1020/cm3。為了研究太陽(yáng)電池發(fā)生PID效應(yīng)前、后,其前表面復(fù)合速度變化對(duì)太陽(yáng)電池輸出特性的影響,本文利用太陽(yáng)電池常用模擬軟件PC1D[30]模擬不同擴(kuò)散條件以及鈍化條件下樣品具有的發(fā)射區(qū)(區(qū))雜質(zhì)濃度N以及前表面復(fù)合速度S,并且得到在不同擴(kuò)散及鈍化條件下樣品的輸出電特性參數(shù),見(jiàn)表1。
太陽(yáng)電池樣品1具有低表面摻雜濃度以及低表面復(fù)合速度;樣品2具有低表面摻雜濃度,但其表面復(fù)合速度相比樣品1有所增加;樣品3表面摻雜濃度高于樣品1與樣品2,前表面復(fù)合速度與樣品2近似;樣品4具有低表面雜質(zhì)濃度,但表面復(fù)合速度高于其他3個(gè)樣品。對(duì)于表面雜質(zhì)濃度是根據(jù)絲網(wǎng)印刷電極晶體硅太陽(yáng)電池組件,為了使電極金屬材料與硅半導(dǎo)體表面接觸電阻率足夠小,同時(shí)兼顧減少磷擴(kuò)散發(fā)射區(qū)高摻雜效應(yīng)引起的非平衡少數(shù)載流子復(fù)合,通常期望磷擴(kuò)散區(qū)的表面濃度在1020~1021cm-3范圍。這4類樣品的設(shè)計(jì)參數(shù)代表了商業(yè)化太陽(yáng)電池常見(jiàn)的表面雜質(zhì)濃度與前表面復(fù)合速度。
表1 太陽(yáng)電池樣品參數(shù)與輸出電特性參數(shù)
從表1中樣品輸出電特性參數(shù)可以看出,當(dāng)太陽(yáng)電池沒(méi)有發(fā)生PID效應(yīng)前,由于樣品1的前表面雜質(zhì)濃度和前表面復(fù)合速度均低于其他3個(gè)樣品,因此樣品1的轉(zhuǎn)換效率、開(kāi)路電壓V以及短路電流I高于其他3個(gè)樣品。樣品3的前表面雜質(zhì)濃度高于其他3個(gè)樣品,前表面復(fù)合速度小于樣品4,測(cè)量后得到樣品3的轉(zhuǎn)換效率、開(kāi)路電壓V以及短路電流I值是最小的。因此,在沒(méi)有發(fā)生PID效應(yīng)前,太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率、開(kāi)路電壓以及短路電流主要由前表面雜質(zhì)濃度決定。
PID試驗(yàn)設(shè)計(jì)型組件在雙85條件(溫度85 ℃,濕度85 %)下外接反向電壓1000 V,即組件正負(fù)極短接后接入外加電源負(fù)極,邊框接入電源正極,72 h后組件發(fā)生PID效應(yīng)。
利用PC1D模擬入射單色光在300~380 nm波段下PID太陽(yáng)電池樣品IQE()值,見(jiàn)表2。
表2 PID效應(yīng)太陽(yáng)電池樣品短波內(nèi)量子效率IQE(λ)
將表2中各樣品在300~380 nm波段下的IQE()模擬值代入式(10)計(jì)算得到樣品前表面復(fù)合速度SPID,并與沒(méi)有發(fā)生PID效應(yīng)時(shí)前表面復(fù)合速度S進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖2。
a. 樣品1
a. Sample 1
b. 樣品2
b. Sample 2
c. 樣品3
c. Sample 3
d. 樣品4
d. Sample 4
注:SPID為發(fā)生PID效應(yīng)后前表面復(fù)合速度,S為沒(méi)有發(fā)生PID效應(yīng)前表面復(fù)合速度。
Note:SPIDrepresents surface recombination velocity of samples after PID test,Srepresents surface recombination velocity of samples before PID test.
圖2 樣品PID效應(yīng)前后表面復(fù)合速度
Fig.2 Surface recombination velocity of samples before and after PID test
從圖2計(jì)算結(jié)果看出,無(wú)論表面雜質(zhì)濃度高低以及表面鈍化效果好壞,當(dāng)太陽(yáng)電池發(fā)生PID效應(yīng)后其前表面復(fù)合速度SPID比沒(méi)有發(fā)生PID效應(yīng)前表面復(fù)合速度S增大102倍。從圖2看出利用310~360 nm波段的IQE()值計(jì)算得到的SPID值較為穩(wěn)定,計(jì)算結(jié)果變化范圍小于6%。入射單色光波長(zhǎng)在300~310 nm時(shí),樣品1測(cè)量結(jié)果波動(dòng)大于其他3個(gè)樣品。本文推斷這是由于短波光子能量高,其中一部分光子被材料吸收產(chǎn)生光生載流子,另一部分光子被材料吸收釋放聲子,即加強(qiáng)晶格熱振動(dòng),造成短波光子損失[12],因此使得測(cè)量結(jié)果隨波長(zhǎng)變化大于310~360 nm波段測(cè)量結(jié)果的變化范圍。
當(dāng)入射單色光波長(zhǎng)大于360 nm,利用式(10)計(jì)算得到的SPID值變化范圍大約20%~200%。這是由于短波光子主要產(chǎn)生在前表面,前表面復(fù)合速度的大小對(duì)IQE()影響較大,隨著入射單色光波長(zhǎng)的增加,吸收系數(shù)降低光子被樣品吸收的位置逐漸向結(jié)結(jié)區(qū)靠近,甚至進(jìn)入?yún)^(qū),此時(shí)如果太陽(yáng)電池短路電流密度仍然用區(qū)空穴電流密度計(jì)算將會(huì)造成誤差,因此當(dāng)入射單色光波長(zhǎng)大于360 nm以后,計(jì)算結(jié)果波動(dòng)范圍變大。波長(zhǎng)大于360 nm計(jì)算得到的SPID值隨波長(zhǎng)的變化本文不作討論。
由圖2可以看出,樣品1和樣品2在310~360 nm波段范圍內(nèi)隨著波長(zhǎng)增加,SPID的計(jì)算結(jié)果略有所下降,而樣品3與樣品4在相同波長(zhǎng)范圍內(nèi)SPID略有所上升。本文分析認(rèn)為這是由于樣品1和樣品2具有較低的前表面雜質(zhì)濃度,雜質(zhì)在前表面區(qū)域幾乎完全電離。當(dāng)發(fā)生PID效應(yīng)后,樣品前表面電場(chǎng)s完全由表面態(tài)上的受主電荷提供。從表2模擬結(jié)果看出,隨著入射單色光波長(zhǎng)增加,樣品吸收系數(shù)減小,IQE()值增大,由式(10)看出在其他參數(shù)不變的情況下,計(jì)算SPID值隨波長(zhǎng)增大而降低,結(jié)果如圖3a、3b。樣品3前表面雜質(zhì)濃度高,雜質(zhì)在樣品前表面不能完全電離,將產(chǎn)生與前表面電場(chǎng)s方向完全相同的衰退電場(chǎng),在這種情況下可以近似認(rèn)為樣品3的前表面電場(chǎng)s強(qiáng)度增強(qiáng),光生空穴在此區(qū)域的有效擴(kuò)散長(zhǎng)度降低。樣品4前表面復(fù)合速度大于其他3個(gè)樣品,可以認(rèn)為樣品4受主表面態(tài)上的電荷數(shù)量多,造成前表面電場(chǎng)s強(qiáng)度增強(qiáng),致使光生空穴在前表面區(qū)域有效擴(kuò)散長(zhǎng)度降低。因此,對(duì)于樣品3和樣品4,隨著波長(zhǎng)增加,樣品吸收系數(shù)減小,IQE()值增大,與樣品1和樣品2不同的是前表面電場(chǎng)s強(qiáng)度增強(qiáng),從式(10)計(jì)算得到SPID值隨波長(zhǎng)增長(zhǎng)而略增大。
為了研究不同參數(shù)太陽(yáng)電池發(fā)生PID效應(yīng)后,輸出電流-電壓(incurrent-voltage,-)特性的變化,本文將式(10)計(jì)算得到的SPID值代入PC1D程序,與沒(méi)有發(fā)生PID效應(yīng)前輸出電特性參數(shù)與-特性曲線進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表3與圖3。
表3 太陽(yáng)電池發(fā)生PID效應(yīng)后輸出電特性參數(shù)
注:1PID~4PID代表樣品1~樣品4發(fā)生PID效應(yīng)后的電特性參數(shù)。
Note: 1PID-4PIDrepresents the output characteristics of samples of 1-4 after PID effects.
從表2可以計(jì)算得到,發(fā)生PID效應(yīng)后,樣品1短路電流下降8.1%,開(kāi)路電壓下降1.15%,最大輸出功率下降8.9%;樣品2短路電流下降約2.2%,開(kāi)路電壓下降約0.22%,最大輸出功率下降3.13%。樣品3發(fā)生PID效應(yīng)前、后的輸出電特性參數(shù)沒(méi)有變化。樣品4短路電流下降約0.21%,開(kāi)路電壓下降約0.05%,最大輸出功率下降0.59%。
本文分析,這是由于樣品1前表面摻雜濃度以及前表面復(fù)合速度較低,當(dāng)發(fā)生PID效應(yīng)后,Na+沉積在SiNX/Si界面處。研究表明,當(dāng)組件發(fā)生PID效應(yīng),電致發(fā)光(electroluminescence,EL)圖像顯示某些點(diǎn)處少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度降低[31],說(shuō)明PID效應(yīng)造成太陽(yáng)電池界面態(tài)密度增加,鈍化效果惡化。因此樣品1發(fā)生PID效應(yīng)后飽和電流密度D增加,導(dǎo)致開(kāi)路電壓V、短路電流I以及最大輸出功率m下降。
樣品2發(fā)生PID效應(yīng)后,開(kāi)路電壓變化不明顯,這是由于樣品2前表面復(fù)合速度S為1.5×105cm/s,前表面復(fù)合速度大小標(biāo)志著前表面未飽和懸掛鍵密度的多少,在樣品沒(méi)有發(fā)生PID效應(yīng)前,其前表面懸掛鍵已經(jīng)被電子填滿,形成電子勢(shì)壘。發(fā)生PID效應(yīng)后,SiNX/Si界面處由于Na+沉積引起的負(fù)電荷與PID效應(yīng)產(chǎn)生的Na+中合,使得Na+產(chǎn)生的負(fù)電荷減少[32-33]。因此樣品2發(fā)生PID效應(yīng)后,前表面復(fù)合速度增加并未造成暗電流密度J增大,因此開(kāi)路電壓V沒(méi)有變化;此外,樣品2前表面摻雜濃度較低,發(fā)生PID效應(yīng)后,Na+沉積在界面處,增加前表面雜質(zhì)濃度。經(jīng)查詢文獻(xiàn)得知,利用飛行時(shí)間二次質(zhì)譜分析(time of flight secondary ion mass spectrometry,TOF-SIMS)表明Na+積累在SiNX與Si的界面處并形成一個(gè)峰值,Na+主要沉積在(111)晶面層錯(cuò)上,密度大約為6×1014cm-2 [34-35]。雜質(zhì)濃度增大造成樣品短路電流降低,最大輸出功率以及轉(zhuǎn)換效率也均有所下降。
a. 樣品1 a. Sample 1b. 樣品2b. Sample 2 c. 樣品3c. Sample 3d. 樣品4d. Sample 4
樣品3具有較高前表面摻雜濃度,雜質(zhì)濃度分布偏離余誤差或者高斯函數(shù)分布,該區(qū)域內(nèi)光生載流子收集幾率f非常小,接近為0。當(dāng)發(fā)生PID效應(yīng)后,雖然表面復(fù)合速度增大,但光生載流子在前表面的收集幾率并未發(fā)生變化,其值接近于0,因此發(fā)生PID效應(yīng)前后樣品短路電流、開(kāi)路電壓以及轉(zhuǎn)換效率等輸出電特性幾乎沒(méi)有改變。
樣品4有較高前表面復(fù)合速度,表面懸掛鍵形成的電子勢(shì)壘可以完全屏蔽PID效應(yīng)中Na+沉積的影響,因此PID效應(yīng)后幾乎不改變樣品開(kāi)路電壓。但是,樣品4發(fā)生PID效應(yīng)后,Na+沉積增大前表面雜質(zhì)濃度,使得樣品短路電流略有所下降。
從圖3可以看出,PID效應(yīng)對(duì)表面鈍化效果較好且表面雜質(zhì)濃度較低的太陽(yáng)電池輸出電流-電壓特性影響較大,如樣品1;而對(duì)于鈍化效果較差但表面雜質(zhì)濃度較低的太陽(yáng)電池,前表面處形成的電子勢(shì)壘可以部分或者完全屏蔽PID效應(yīng)中Na+沉積的影響,因此當(dāng)發(fā)生PID效應(yīng)時(shí)對(duì)開(kāi)路電壓影響不大,而對(duì)短路電流有一定影響,如樣品2和樣品4;對(duì)于前表面雜質(zhì)濃度較高的太陽(yáng)電池,無(wú)論其前表面鈍化效果優(yōu)劣,光生載流子在此區(qū)域收集幾率非常低,發(fā)生PID效應(yīng)后,對(duì)太陽(yáng)電池輸出電流-電壓特性幾乎沒(méi)有影響,如樣品3。
本論文針對(duì)晶體硅太陽(yáng)電池發(fā)生PID效應(yīng)后,光生載流子在前表面復(fù)合速度以及太陽(yáng)電池輸出電流-電壓特性變化進(jìn)行了研究。通過(guò)分析PID太陽(yáng)電池SiNX/Si界面處能帶結(jié)構(gòu)的改變,利用泊松方程和載流子連續(xù)性方程建立了適用于PID太陽(yáng)電池內(nèi)量子效率IQE()與表面復(fù)合速度SPID的數(shù)學(xué)模型。利用該數(shù)學(xué)模型與PC1D軟件模擬相結(jié)合的方法,研究不同前表面雜質(zhì)濃度與不同前表面復(fù)合速度太陽(yáng)電池樣品發(fā)生PID效應(yīng)后,前表面復(fù)合速度的變化以及太陽(yáng)電池輸出電流-電壓特性的變化。得到如下結(jié)論:
1)發(fā)生PID效應(yīng)的樣品前表面復(fù)合速度SPID比相同工藝條件下沒(méi)有發(fā)生PID效應(yīng)樣品表面復(fù)合速度S增大,這是由于Na+存在SiNX/Si界面處,使界面態(tài)密度增加,前表面復(fù)合速度增大102倍;
2)PID效應(yīng)對(duì)鈍化效果好、表面雜質(zhì)濃度低的太陽(yáng)電池影響最為嚴(yán)重,如樣品1,短路電流下降8.1%,開(kāi)路電壓下降1.15%,最大輸出功率下降8.9%。對(duì)于前表面鈍化效果差的太陽(yáng)電池,如樣品2和樣品4,發(fā)生PID效應(yīng)后,短路電流下降約0.2%~2.2%,開(kāi)路電壓下降約0.05%~0.2%,最大輸出功率下降0.6%~3.13%。對(duì)于前表面雜質(zhì)濃度高的樣品,如樣品3,發(fā)生PID效應(yīng)前后,輸出電特性參數(shù)與電流-電壓特性曲線沒(méi)有變化。
本文獲西南地區(qū)可再生能源研究與開(kāi)發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心(05300205020516009)和云南省可再生能源研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的資助,在此致以誠(chéng)摯的感謝。
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Mechanism of front surface recombination velocity of solar cell with potential-induced degradation (PID) effect
Ma Xun, Li Ming, Liu Zuming, Luo Xi, Wang Yunfeng, Xu Yongfeng, Li Guoliang
(650500,)
Potential-induced degradation (PID) is one of the most important and prominent module degradation mechanisms leading to significant yield losses. It was shown that Na decorated stacking faults at the SiNX/Si interface region are responsible for the mechanism of increasing non-saturation hanging states density at the front surface. In order to investigate the characteristics of recombination of non-equilibrium minority carriers at the front surface, the paper analyzes the band gap structure and electrical field at surface of solar cells material after PID test, and then deduces the model of front surface recombination velocityby measuring internal quantum efficiency (IQE) of solar cells under short wavelength monochromatic light, which is derived by Poisson equation, and continuity equation and current density equation of semiconductor physics. For the certain sample, the parameters of the materials are known, such as absorbance coefficient, and hole diffusion coefficient, and-junction depth, and hole diffusion length, which is modified by electrical field at front surface. And then, the front surface recombination velocityof the samples after PID test is calculated by the IQE model, which is measured by QE (quantum efficiency) equipment. In this paper, the experiment is carried out at the-type base region with (100)type CZ monocrystalline silicon, whose impurity density is 1.5×1016cm-3, minority carrier lifetime is 7.2s, and area is 100 mm × 100 mm. The samples are prepared using constant source for the POCl3diffusion, which is followed by plating SiNXas passivation and anti-reflection film. The last procedure is printing aluminum slurry at the back surface of samples as black electric field, where impurity densityis 1×1020cm-3. At the same time, different diffusion conditions and front surface velocity are simulated by PC1D software, in order to study the influencing mechanism of impurity and velocity at front surface of samples after PID test. And then, the front surface recombination velocity of the samples is calculated and compared with the samples which are PID-free, which shows that the values of surface recombination velocityare more reliable when using wavelengths in range of 310-360 nm than other wavelengths. Additionally,-characteristics of the samples before and after PID test are simulated by PC1D. It is obvious that the output characteristics of the sample 1, which has good passivation and low front surface velocity, are degraded most seriously after PID test than others. It is assumed that Na ions drift through the SiNx layer under the influence of a strong electric field and increase the impurity density at front surface, which leads to-characteristics degradation. For the sample 2 and the sample 4, which have poor passivation and low impurity density at front surface, electron barrier at front surface region can reduce the impacts from Na ions. Correspondingly, the open circuit voltage of these samples has few effects, however short circuit current of the samples is decreased. The result of the sample 3 shows that PID has little influence on the output electric characteristics of solar cell with higher impurity density at front surface, whether the passivation condition is good or not. In general, the experiments indicate that surface recombination velocityof PID solar cells is higher than that of PID-free, and-characteristics of solar cells, which have good passivation conditions and low front surface recombination velocity, are deteriorated, however, PID has few effects on the solar cells with the poor passivation conditions and high front surface recombination velocity.
models; wavelength; solar cells; PID; front surface recombination velocity; internal quantum efficiency;-characteristics
10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.021
TK514
A
1002-6819(2017)-18-0157-08
2017-01-02
2017-08-07
云南省科技計(jì)劃面上項(xiàng)目“光伏組件PID效應(yīng)與熱斑效應(yīng)機(jī)理研究”(2017FB089)
馬 遜,女,云南昆明人,博士,講師,主要從事太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)相關(guān)研究工作。昆明 云南師范大學(xué)太陽(yáng)能研究所,650500。Email:maxun80313@126.com