收稿日期：2021-12-02

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB1500303）；國家自然科學(xué)基金（61874120；61904180）

通信作者：周春蘭（1977—），女，博士、研究員，主要從事太陽電池方面的研究。zhouchl@mail.iee.ac.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1476 文章編號(hào)：0254-0096（2023）04-0426-06

摘 要：該文實(shí)驗(yàn)采用p型多晶PERC太陽電池，通過調(diào)整產(chǎn)線鏈?zhǔn)焦庾⑷耄↙S）設(shè)備中的風(fēng)機(jī)功率和傳送帶速實(shí)現(xiàn)對(duì)光注入溫度和時(shí)間的控制。結(jié)果表明，增加光注入的時(shí)間和溫度能使太陽電池獲得更好的效率穩(wěn)定性。對(duì)比研究光注入以及先電注入后光注入兩種再生處理手段對(duì)p型多晶硅PERC太陽電池抗熱輔助光誘導(dǎo)衰減（LeTID）效應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明，光注入能使太陽電池中存在的非復(fù)合活性的缺陷前驅(qū)體在高強(qiáng)度光熱的條件下解離或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為穩(wěn)定的缺陷。在75 ℃，1 sun的標(biāo)準(zhǔn)LeTID穩(wěn)定性測試條件下，結(jié)合電注入與光注入再生處理手段的樣品表現(xiàn)出更佳的LeTID穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：太陽電池；多晶硅；缺陷；LeTID；光注入工藝；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TM914.4 """"""""""" """"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

伴隨著熱輔助光誘導(dǎo)衰減（light-elevated temperature-induced degradation，LeTID）現(xiàn)象在p型單晶硅、鑄造單晶硅、甚至n型硅太陽電池中普遍發(fā)生，抑制和消除LeTID的方法也逐漸被廣泛研究。針對(duì)這部分的各種研究結(jié)果表明，許多方法可在一定程度上抑制太陽電池的LeTID效應(yīng)，例如：高強(qiáng)度的激光輻照［1-2］、降低金屬化高溫?zé)Y(jié)的峰值溫度［3-5］、減小高溫?zé)Y(jié)過程的冷卻速率［6］、調(diào)整含氫氮化硅鈍化層的厚度和組分［7-9］、減薄硅片厚度［10］、燒結(jié)前后的退火處理［11］等。以上這些處理過程主要是為了控制硅片體內(nèi)的氫含量、將體內(nèi)的氫轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的形式，從而不參與LeTID活性缺陷的形成。然而，其中有些方法要么無法完全消除LeTID現(xiàn)象，要么需在提高太陽電池效率的設(shè)計(jì)上進(jìn)行妥協(xié)，要么與現(xiàn)有電池生產(chǎn)線不兼容。目前與太陽電池生產(chǎn)線兼容性、抑制效果較好的再生處理手段包括電注入（carrier-induced degradation，CID）、光注入（light soaking，LS），再生處理實(shí)際上是一種加速太陽電池從衰減到穩(wěn)定化的過程，也就是使太陽電池達(dá)到LeTID過程中的恢復(fù)態(tài)。由于產(chǎn)線上的電注入處理工藝條件已相對(duì)成熟，本文設(shè)立電注入處理的電池作為對(duì)照組，主要研究改變這光注入工藝條件對(duì)太陽電池性能和對(duì)LeTID效應(yīng)的抑制作用的影響，進(jìn)而優(yōu)化抑制LeTID效應(yīng)的的工藝條件。

1 樣品制備與實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本文所用的實(shí)驗(yàn)樣品為硼摻雜p型多晶PERC太陽電池，由江蘇協(xié)鑫硅材料科技發(fā)展有限公司提供。硅片厚度為（180±5）μm，電阻率為[1～3 Ω·cm]，尺寸為157 mm×157 mm。硅片經(jīng)過黑硅制絨、擴(kuò)散、鈍化、激光劃槽、絲網(wǎng)印刷、高溫?zé)Y(jié)等多道工藝，其中制絨后的硅片反射率為12%，擴(kuò)散工藝使用的是深圳市捷佳偉創(chuàng)微電子設(shè)備有限公司的擴(kuò)散爐，擴(kuò)散后硅片方阻為110 [Ω/]方塊。鈍化工藝采用理想晶延半導(dǎo)體設(shè)備（上海）有限公司的原子層沉積設(shè)備ALD在擴(kuò)散片背面鈍化一層6 nm的Al2O3，然后采用捷佳偉創(chuàng)的等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備PECVD雙面沉積SiNx∶H，其中正面80 nm（折射率2.10），背面100 nm（折射率2.05）。經(jīng)過激光劃槽工藝之后，采用蘇州邁為科技股份有限公司的印刷機(jī)和燒結(jié)爐進(jìn)行絲網(wǎng)印刷和740 ℃的高溫?zé)Y(jié)工藝。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為了有效抑制多晶PERC太陽電池的LeTID效應(yīng)、提高電池的發(fā)電效率，本研究采用電注入、光注入以及先電注入+光注入3種方式對(duì)太陽電池進(jìn)行電光熱的處理，這其中包括：1）采用常州時(shí)創(chuàng)能源股份有限公司的電注入設(shè)備對(duì)太陽電池進(jìn)行電注入；2）采用北京金晟陽光科技有限公司的輥道式太陽電池輻照爐進(jìn)行光注入工藝，該設(shè)備采用峰值為波長850 nm的單色LED燈用為光源，通過控制輻照功率來改變光照強(qiáng)度，最大強(qiáng)度為30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽。經(jīng)過處理后的太陽電池采用西安眾森公司的光輻照系統(tǒng)進(jìn)行LeTID測試，所用光源為3B級(jí)太陽光模擬器，測試條件設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)LeTID衰減條件：1 sun，75 ℃。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本部分實(shí)驗(yàn)采用的多晶PERC太陽電池分為兩種，一種是初始平均效率為20.64%的原始電池（mc-Si PERC），另一種是平均效率為20.74%的經(jīng)過電注入工藝處理后的太陽電池（CID），電注入處理效率提升0.1%。具體的多晶PERC太陽電池性能參數(shù)如表1所示。電注入工藝條件保持9 A、250 ℃、45 min不變。光注入采用的輻照爐輻照度維持在25.7 suns，主要通過改變風(fēng)機(jī)功率來控制輻照溫度、改變帶速來控制輻照時(shí)間，整個(gè)輻照區(qū)全長4.3 m。通過調(diào)整風(fēng)機(jī)功率和帶速將兩種電池分為8組，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。其中風(fēng)機(jī)功率70%、帶速4 m/min時(shí)的輻照區(qū)溫度為220 ℃。

2 研究結(jié)果與討論

2.1 光注入工藝條件對(duì)電池性能的影響

為了更直觀地看到多晶PERC太陽電池在輻照下的衰減-恢復(fù)變化趨勢，單獨(dú)取一片太陽電池進(jìn)行多次光注入，累計(jì)輻照時(shí)間，記錄每次光注入后的效率，結(jié)果如圖1所示。

首次帶速為4.0 m/min，之后幾次帶速改為0.5 m/min。從圖1的太陽電池性能參數(shù)變化趨勢可看出，效率的快速衰減發(fā)生在光注入的前1 min內(nèi)，衰減值為0.5%，之后的輻照過程中效率會(huì)逐漸緩慢恢復(fù)，約25 min光注入后，效率恢復(fù)了0.15%，但無法恢復(fù)到光注入前的初始效率。影響效率變化的主要原因在于開路電壓的變化，再生處理過程中填充因子略微回升，而短路電流則基本保持不變。開路電壓和效率在光注入過程中變化趨勢相似，都是先經(jīng)歷不同程度的衰減再恢復(fù)，最后趨于穩(wěn)定。硅片體內(nèi)的缺陷引起的復(fù)合會(huì)直接影響開路電壓的大小，因此導(dǎo)致太陽電池衰減-恢復(fù)的根本原因是體內(nèi)缺陷活性狀態(tài)的改變。根據(jù)Yli-Koski等［11］提出的LeTID“四態(tài)模型”，PERC太陽電池在高溫退火工藝中會(huì)引入如B-H對(duì)等復(fù)合活性的前驅(qū)體，在黑暗條件下前驅(qū)體的解離由于強(qiáng)庫侖力受到抑制，而在光注入的LeTID衰減過程中，硅片體內(nèi)的缺陷在高溫、高光強(qiáng)的作用下激活解離，具有復(fù)合活性，能捕獲電子，使得開路電壓和效率降低，此時(shí)缺陷復(fù)合中心是不穩(wěn)定的。在長時(shí)間的高溫、高光強(qiáng)作用下，缺陷前驅(qū)體濃度下降，生成更穩(wěn)定的H2C，這種分子將不受高強(qiáng)度光熱條件影響，十分穩(wěn)定，不具有復(fù)合活性，不再捕獲電子，開路電壓和效率得以恢復(fù)，最后趨于穩(wěn)定。

上述實(shí)驗(yàn)研究了光注入設(shè)備的風(fēng)機(jī)功率和帶速對(duì)LeTID衰減現(xiàn)象的影響，結(jié)果表明風(fēng)機(jī)功率的范圍為60%～90%時(shí)，風(fēng)機(jī)功率越大樣品經(jīng)受的溫度越低，反之越高；帶速0.5～6.0 m/min對(duì)應(yīng)的光照時(shí)間為43～516 s，帶速越低輻照時(shí)間就越長，反之則越短。如圖2所示，經(jīng)過光注入后，所有太陽電池的效率均出現(xiàn)從0.3%～0.6%不同程度的下降。在各LS條件下，CID后的太陽電池的衰減幅度均比原始太陽電池大，這與低溫下（＜250 ℃）暗退火處理的PERC半成品硅片（經(jīng)過燒結(jié)處理的雙面沉積完氮化硅薄膜，未絲印金屬電極）的少子壽命數(shù)值衰減幅度大于未經(jīng)暗退火處理的少子壽命片的規(guī)律一致，說明電注入CID雖然能在一定程度上提高太陽電池的效率，但是引入了非復(fù)合活性且不穩(wěn)定的LeTID缺陷前驅(qū)體。

圖2a中隨著風(fēng)機(jī)功率的減小，輻照溫度升高，衰減-恢復(fù)周期縮短，因此相同光注入時(shí)間下缺陷的狀態(tài)越接近再生處理態(tài)，效率衰減值越小，兩種太陽電池在不同輻照溫度下規(guī)律一致。圖2b中，兩種太陽電池在不同帶速下效率衰減值的規(guī)律有所不同。對(duì)于原始太陽電池，6 m/min帶速條件下，輻照時(shí)間較短，太陽電池未達(dá)到衰減的最大幅度；當(dāng)帶速降低到4 m/min條件下，輻照時(shí)間延長，效率衰減值最大，更接近太陽電池的最大衰減幅度；帶速進(jìn)一步降低，輻照時(shí)間足夠長，太陽電池開始逐漸再生處理，因此效率衰減值逐漸減小。而對(duì)于電注入后的太陽電池，隨著帶速的減小，光注入時(shí)間變長，對(duì)于完整的衰減-恢復(fù)周期，輻照時(shí)間越長，缺陷的狀態(tài)越接近再生處理態(tài)，效率衰減值越小。由此也說明了電注入引入的LeTID缺陷前驅(qū)體（不穩(wěn)定非激活缺陷），不僅增大了太陽電池在LeTID下的衰減幅度，還加快了衰減/恢復(fù)速率。

圖3為經(jīng)過不同光注入條件處理后的兩組多晶PERC太陽電池的歸一化處理后各性能參數(shù)的衰減百分比柱狀圖。經(jīng)過CID后的太陽電池光注入后效率衰減值比原始太陽電池高出0.06%～0.23%，其中光注入溫度越高，時(shí)間越長，兩組太陽電池衰減值越接近，說明在光注入充分的條件下，兩組都更接近再生處理狀態(tài)。各光注入條件下短路電流密度[Jsc]、開路電壓[Voc]和填充因子[FF]的變化趨勢基本與效率變化一致。對(duì)于原始太陽電池，[Voc]衰減百分比最小，基本僅在0.5%以內(nèi)，這說明開路電壓在光注入階段有一定程度的恢復(fù)；[FF]衰減百分比其次，在0.5%～1.0%之間；衰減最大為[Jsc]，整體上略高于填充因子。對(duì)于經(jīng)過CID的太陽電池，同樣[Voc]衰減百分比最小，約0.5%；而[Jsc]和[FF]衰減百分比接近，均在0.5%～1.2%之間。由此可說明[Jsc]和[FF]是影響太陽電池衰減-恢復(fù)過程的關(guān)鍵參數(shù)，而在熱輔助光照過程中在硅片體內(nèi)形成的缺陷引起的復(fù)合導(dǎo)致了光生載流子的損失，導(dǎo)致[Jsc]降低，同時(shí)由于復(fù)合導(dǎo)致暗電流的增加同樣降低了[Voc]和[FF]。

2.2 太陽電池LeTID效率穩(wěn)定性測試

采用光輻照系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過光注入之后的太陽電池進(jìn)行效率的穩(wěn)定性測試，LeTID測試的標(biāo)準(zhǔn)衰減條件為1 sun，溫度為75 ℃。在光照10、20以及100 h之后從各組不同光注入條件的樣品中分別取一片進(jìn)行光電性能測試，觀察太陽電池片的穩(wěn)定性。為了更直觀地觀察光注入效果，用未經(jīng)過光注入處理的原始和CID處理的mc-Si PERC太陽電池作為對(duì)比樣品同時(shí)進(jìn)行LeTID測試。圖4a為原始太陽電池進(jìn)行數(shù)十小時(shí)LeTID后的效率變化。從圖中可明顯看到，不同條件光注入之后的原始太陽電池在10 h LeTID后發(fā)生最大為1.13%的衰減（風(fēng)機(jī)功率70%，帶速4 m/min），而未經(jīng)光注入的原始太陽電池衰減則高達(dá)4.7%；20 h LeTID后最大衰減略微增大至1.65%，而未光注入的原始太陽電池100 h LeTID后衰減進(jìn)一步增大至8.5%。經(jīng)過CID的太陽電池的LeTID測試結(jié)果如圖4b所示，與圖4a所呈現(xiàn)的規(guī)律基本保持一致，隨著LeTID時(shí)間的延長，發(fā)生更嚴(yán)重的衰減，但在20 h后衰減幅度仍保持在1.15%以內(nèi)，而未經(jīng)光注入的CID太陽電池100 h后衰減達(dá)到4.8%，由此可看出光注入能有效抑制多晶硅太陽電池的LeTID現(xiàn)象。

值得注意的是，光注入的輻照時(shí)間和輻照溫度對(duì)LeTID均會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。對(duì)于輻照時(shí)間，不管是原始還是經(jīng)過CID處理的mc-Si PERC太陽電池，當(dāng)帶速低于1 m/min后，也就是光注入時(shí)間較長的情況下，經(jīng)過10和20 h的LeTID測試電池效率有0.5%～1.0%的提升，但繼續(xù)LeTID仍會(huì)發(fā)生衰減，但其衰減程度明顯低于其他高帶速樣品，由此說明足夠時(shí)間的光注入再生處理能有效控制太陽電池中的缺陷處在再生處理態(tài)，而不是處在衰減態(tài)，這使太陽電池不僅在光注入后的效率恢復(fù)到較高的水平，同時(shí)也能在LeTID過程中發(fā)生較低的衰減。對(duì)于輻照溫度，其影響與帶速的類似，也是較低的風(fēng)機(jī)功率，即較高的輻照溫度在初始LeTID階段能使mc-Si PERC有0.1%的效率提升，而更長時(shí)間的LeTID處理會(huì)發(fā)生衰減，但其程度低于較高風(fēng)機(jī)功率（輻照溫度）下的樣品，由此說明溫度更高的光注入條件下，衰減-恢復(fù)周期縮短，這種情況同樣也會(huì)使太陽電池中的缺陷更接近再生處理態(tài)，從而有效控制LeTID過程中的效率穩(wěn)定性。

此外，在LeTID 100 h的條件下，未經(jīng)過CID和LS處理的多晶硅PERC太陽電池轉(zhuǎn)換效率衰減8.5%，經(jīng)CID處理可很大程度上抑制LeTID（衰減4.8%），而采用光注入之后LeTID的衰減率大約為0.5%，CID+LS的復(fù)合工藝則能進(jìn)一步將衰減率縮減到0.1%～0.2%。因此，對(duì)于mc-Si PERC太陽電池，光注入再生方法對(duì)于降低LeTID程度更明顯，而電注入CID結(jié)合光注入LS再生處理的處理方式則會(huì)進(jìn)一步降低衰減率。

3 結(jié) 論

本文采用電注入處理CID、光注入LS這兩種目前太陽電池生產(chǎn)線上常用的再生處理手段，著重從光注入工藝條件上對(duì)多晶PERC太陽電池性能的影響和LeTID效應(yīng)的抑制作用進(jìn)行研究，具體分析了光注入工藝對(duì)電池效率、填充因子、開路電壓、短路電流4個(gè)電學(xué)參數(shù)的影響。通過對(duì)處理后的太陽電池的LeTID穩(wěn)定性進(jìn)行測試，提出電注入組合光注入的抗LeTID疊加再生處理手段。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在光注入和電注入再生處理階段：1）光注入對(duì)多晶PERC太陽電池中的缺陷狀態(tài)變化起著至關(guān)重要的作用，其工藝條件對(duì)電池衰減-恢復(fù)規(guī)律影響巨大，光注入溫度越高，光注入時(shí)間越長，體內(nèi)缺陷的狀態(tài)越接近穩(wěn)定非復(fù)合活性的再生處理態(tài)，因此太陽電池在光注入前后的效率衰減值越小，恢復(fù)得更好；2）對(duì)于電注入處理的影響，能將原始太陽電池的效率提高0.1%，但是CID+LS處理后的衰減幅度比原始太陽電池LS處理后的衰減幅度大，說明電注入處理引入了非復(fù)合活性且不穩(wěn)定的LeTID缺陷前驅(qū)體。而對(duì)于這兩種再生處理方法對(duì)太陽電池后期LeTID穩(wěn)定性的影響方面，對(duì)于mc-Si PERC太陽電池，光注入再生方法對(duì)于降低LeTID程度更明顯，在LeTID 100 h的條件下，未經(jīng)過CID和LS處理的多晶硅PERC太陽電池轉(zhuǎn)換效率衰減8.5%，而CID處理可很大程度上抑制LeTID（衰減4.8%）；而采用光注入之后LeTID的衰減率大約為0.5%，CID+LS的復(fù)合工藝則能進(jìn)一步將衰減率縮減到0.1%～0.2%。結(jié)合兩種工藝，能使LeTID效應(yīng)得到更好的抑制，一定程度增加光注入的時(shí)間和溫度，可讓太陽電池在LeTID過程中獲得更好的效率穩(wěn)定性。

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EFFECT OF REGENERATION METHODS ON PERFORMANCE OF P-TYPE MULTICRYSTALLINE SILICON PERC SOLAR CELLS AND LIGHT ELEVATED TEMPERATURE INDUCED DEGRADATION（LeTID）

Yu Xunzhe1，2，Ji Fangxu3，Zhou Chunlan1，2

（1. Key Laboratory of Solar Thermal Energy and Photovoltaic System， Institute of Electrical Engineering， Chinese Academy of Sciences，

Beijing 100190， China； 2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China；

3. Changdian Xinneng Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract：In this study， the effect of regeneration methods on the performance and the light and elevated temperature induced degradation （LeTID） of p-type multicrystalline silicon PERC（mc-Si PERC） solar cells is researched. The temperature and time of light soaking are controlled by adjusting the cooling powers and belt speeds of the chain light soaking equipment in the processing line. The results show that increasing the time and temperature of light soaking can make the solar cell obtain better LeTID stability. The effects of" light soaking and electrical injection followed by light soaking on the thermal assisted LeTID of p-type multicrystalline silicon PERC solar cells is compared. Light soaking can make the non-composite active defect precursor in solar cells disappear or convert into stable defects under high-intensity photothermal conditions. Under the standard LeTID stability test conditions of 75 ℃ and 1 sun， light soaking presents the better result of reducing LeTID， and the methods combined with current injection process and light soaking regeneration show the best LeTID stability of mc-Si PERC solar cells.

Keywords：solar cells； multicrystalline silicon； defects； LeTID； light soaking process； stability