P型Cz-Si太阳能电池光致再生技术-豆维江-西安黄河光伏.pdf

豆维江，等P型Cz-Si太阳能电池光致再生技术 1 1 P型Cz-Si太阳能电池光致再生技术 豆维江，李小玄，王宝磊，郑新霞 （西安黄河光伏科技股份有限公司，陕西西安，710043） 摘 要 对P型Cz-Si太阳能电池进行光致再生（LIR）测试，探寻抑制光致衰减（LID）效应的 解决方案。选取A、B组电池样品各4片，在230℃下，A组分别采用[1, 10, 20, 30] kW/m 2 的光照 功率进行10 s的LIR处理、B组采用20 kW/m 2 的光照功率分别进行[10, 20, 30, 40] s的LIR处理； A、B组均在2 kW/m 2 光照功率、85℃温度下进行10 H的LID测试，考察LIR后和LID后的电池转 换效率相对变化值。随着光照功率的增大，LIR后的相对变化值由0.148提升至0.792，LID后 的相对变化值由-2.608改善至-0.396，效果显著；随着光照时间的推移， LIR后的相对变化 值由0.695提升至0.939，LID后的相对变化值由-0.794改善至-0.395，不甚显著。对现象 成因进行讨论，表明高光照功率激发了电池硅基体内部的H 、H 0 和H - ，其中H 0 和H - 存在的电子 能够分别对硅基体内部和表面进行钝化，提升其少子寿命；H 能够与B - 结合成BH复合体，阻碍 BO复合体的生成，从而抑制电池的LID效应。 关键词 P型Cz-Si太阳电池；光致衰减；光致再生；BO复合体；少子寿命 中图分类号 TM914 文献标识码 A 文章编号 2095-8412 2018 01-001-04 工业技术创新 URL http //www.china-iti.com DOI 10.14103/j.issn.2095-8412.2018.01.001 工业技术创新 第05卷 第01期 2018年2月 Industrial Technology Innovation Vol.05 No.01 Feb.2018 引言 光致衰减（LID， Light Induced Degradation） 效应一直是人们关注和期待解决的重点问题。该效 应最先是由Fischer和 Pschunde观察到的 [1] ，他们发现 掺硼的 Cz-Si太阳能电池在光照后，各项性能不断衰 减，最后趋于稳定 [2] ；经过200℃退火处理，电池各 项电性能又得到一定程度的恢复 [3] 。经过光伏行业众 多科研机构和相关人员的深入研究，认为晶体硅中 硼和间隙氧是引起该现象的主要因素 [4] 。在Cz单晶硅 中，氧是晶体硅中主要的杂质，原子氧在硅体中处 于填隙位置 [5] 。掺硼Cz-Si太阳能电池（又称P 型 Cz-Si 太阳能电池）经过光照或电流注入，硅体中的硼和 氧形成BO复合体，从而使少子寿命下降，导致了电 池转换效率及电性能的下降。经过退火处理，BO复 合体分开，少子寿命可恢复，但并非长久之计，因 为当电池再次接受光照时，仍然会产生LID效应 [6] 。 光致再生（LIR， Light/Carrier-injection Induced Regeneration）技术是为了有效解决LID效应而开发 的新技术 [7] 。该技术的报道源于 2014年 Konstanz大学 的研究成果。在H 原子参与的情况下，Cz-Si太阳能 电池中的硼和H 原子生成BSH复合体，它处于亚稳定 状态，在100℃以下可以长时间保持，避免了LID效 应的再次出现 [8] 。发展一种可以有效抑制和改善P 型 Cz-Si太阳能电池LID现象的工艺，对整个社会对光伏 发电的推广和应用具有积极而又深远的意义。本文 在一定温度下，采用不同光照功率LED光源，在不同 光照时间下对P 型 Cz-Si太阳能电池进行LIR实验，探 寻抑制LID效应的解决方案。 1 实验 采用相同工艺加工的，转换效率相近的P 型 Cz-Si 太阳能电池样品。将样品分为2 组，每组4 片。具体 方案如下 A组在230℃下分别采用1 kW/m 2 、10 kW/m 2 、 20 kW/m 2 、30 kW/m 2 的光照功率，对样品进行10 s的 LIR处理；再在光照功率为2 kW/m 2 、温度为85℃的 光致衰减测试箱中进行10 H的 LID测试，标定LIR后 和LID后的电池转换效率； B组在230 ℃下采用20 kW/m 2 的光照功率，对 样品分别进行 10 s、 20 s、 30 s、 40 s的 LIR处理；再 在光照功率为2 kW/m 2 、温度为85℃的光致衰减测试 箱中进行10 H的LID测试，标定LIR后和LID后的电池 转换效率。 2018年第01期 工业技术创新 Industrial Technology Innovation 2 3 表 1 LIR、 LID 后 A组和B 组电池样品转换效率统计 A组 B组 序号 原始效率/ 光照功率/kW/m 2 LIR后效率/ LID后效率/ 原始效率/ 光照时间/s LIR后效率/ LID后效率/ 1 20.32 1 20.35 19.79 20.14 10 20.28 19.98 2 20.21 10 20.33 19.85 20.29 20 20.47 20.16 3 20.17 20 20.3 20.01 20.27 30 20.44 20.12 4 20.20 30 20.36 20.12 20.23 40 20.42 20.15 图 1 不同光照功率下LIR、 LID后转换效率相对变化值 图 2 不同光照时间下LIR、 LID后转换效率相对变化值 a 原始电池 b LIR工艺后 c LID测试后 图 3 电池PL测试图像 换效率相对变化值总体趋势是增大，尤其是20 s光照时 间下的LIR工艺相比10 s时增大了27.6。随着光照时间 从 20 s延长至40 s，相对变化值较为稳定。 尔后，进行LID测试，相对变化值分别为 -0.794、 -0.641、 -0.740、 -0.395。对比发现，随 着光照时间的推移，采用LIR工艺后，LID相对衰减值 整体变化趋势不大。 3 讨论 为了揭示第2 章所述现象的成因，对原始电池、 LIR工艺后和LID 测试后的样品进行光致发光（PL）测 试，发现了如图3 所示的明显差异。 2 结果 针对第1章的实验，统计数据如表1。 2.1 光照功率对转换效率的影响 根据表1 中 A组的实验数据计算电池样品在不同光 照功率下经LIR、 LID后转换效率的相对变化值，即 1 如图1 所示，LIR处理后的结果分别为0.148、 0.594、 0.645、 0.792。随着光照功率的增大，转 换效率相对变化值也在同时增大，尤其是从1 kW/m 2 提 高到10 kW/m 2 时增加了3 倍多。但其他情形下的相对变 化值增加不大。 尔后，进行LID测试，相对变化值分别为 -2.608、 -1.781、 -0.793、 -0.396。对比发现，随 着光照功率的增大，采用LIR工艺后，LID相对衰减值 分别约降低了31.7、 55.5和 50.0。可见高光照功率 下的LIR工艺可以有效地降低电池的LID效应。 2.2 光照时间对转换效率的影响 根据表1 中 B组的实验数据，通过式1计算电池样 品在不同光照时间下经LIR、 LID后转换效率的相对变 化值。如图2 所示，LIR处理后的结果分别为0.695、 0.887、 0.839和 0.939。随着光照时间的推移，转 PL测试图像反映了电池的少子寿命变化。很明 显，LIR工艺后电池少子寿命增大，再经LID测试后反 之。分析认为，其缘由是在电池制作过程的PECVD工 艺中，SiH 4 和 NH 3 气体的反应引入了大量的H 元素 [9] 。 H 元素主要以H 、 H 0 和 H - 三种形态存在于电池基体表面 [10] 。在高光照功率下，H 0 被激活，进入硅晶格内。由 于 H 0 存在一个电子，故能够对硅晶格的内部缺陷起到 一定的钝化作用，阻碍缺陷处的少子复合；H - 与硅基 体内部的P 相结合，形成了PH复合体，钝化了硅基体 的表面，降低了表面的少子复合；H 与硅基体内部的 B - 相结合，形成了BH复合体，其处于亚稳态，能够在 100 ℃以上长期稳定存在，且阻碍了硅基体内部O 和 B 的结合，一定程度上防止了BO 复合体的生成，从而抑 制电池的LID效应。 4 结论 （ 1）在温度和光照时间等条件一定时，随着光照 豆维江，等P型Cz-Si太阳能电池光致再生技术 2 3 功率的增大，P 型 Cz-Si太阳能电池LIR工艺后转换效率 相对变化值有显著的提升。 （ 2）在温度和光照功率等条件一定时，随着光照 时间的推移，P 型 Cz-Si太阳能电池LIR工艺后转换效率 相对变化值有一定的提升，但不甚明显。 （ 3）高光照功率能够激发电池硅基体内部的H、 H 0 和 H - 。其中 H 0 和 H - 存在电子，能够分别对硅基体内部 和表面进行钝化，提升其少子寿命；H 能够与B - 结合 成 BH复合体，阻碍BO复合体的生成，从而抑制电池的 LID效应。 参考文献 [1] Sopori B, Basnyat P, Devayajanam S, et al. Understanding light-induced degradation of c-Si solar cells[C]// Photovoltaic Specialists Conference. IEEE, 2012 1115-20. [2] 陈健生, 董方, 杨德仁, 等 . 掺硼p 型晶硅太阳电池LID恢复研究[J]. 半导体光电, 2016, 372 154-60. [3] 朱薇桦. 晶体硅太阳电池电极研究[D]. 广州 中山大学, 2010. [4] 王长贵. 太阳能光伏发电实用技术 第 2版 [M]. 北京 化学工业出 版社, 2011. [5] Schinke C, Peest P C, Schmidt J, et al. Uncertainty analysis for the coefficient of band-to-band absorption of crystalline silicon [J]. Aip Advances, 2015, 56 1151-5. [6] 闻震利, 郑智雄, 洪紫州, 等 . 低质量Si材料制备太阳电池[J]. 光电 子 激光, 20111 82-5. [7] Wilking S, Beckh C, Ebert S, et al. Influence of bound hydrogen states on BO-regeneration kinetics and consequences for high-speed regeneration processes [J]. Solar Energy Materials group B is treated by LIR under the 20 kW/m 2 light power and [10, 20, 30, 40] s, respectively; group A and B are both treated by LID under the 2 kW/m 2 light power, 85℃ and 10 H. The cells’ conversion efficiency variations are investigated. With the increase of light power, the variation is increased from 0.148 to 0.792 after LIR and improved from -2.608 to -0.396 after LID, which is significant. With the elapse of lighting time, the variation is increased from 0.695 to 0.939 after LIR and improved from -0.794 to -0.395 after LID, with less significance. The discussion of such phenomenon indicates that high light power stimulates the internal H , H 0 and H - of cells’ silicon substrate, where, electrons existed in H 0 and H - can passivate the inside and the surface of silicon substrate respectively to enhance its carrier lifetime; H and B - can be bound into BH complex, which will block the generation of BO complex, as to restrain the LID effect of cells. Key words P-type Cz-Si Solar Cell; Light Induced Degradation; Light/Carrier-injection Induced Regeneration; B-O Complex; Carrier Lifetime 勘 误 声 明 本刊2017年第1 期（总第18期）由郑州电力高等专科学校赵东辉、孙小芳同志发表的矿井救援及探测机器人 的设计与分析一文，需要做如下补正 第 43页基金资助中，原描述为“河南省博士后基金 一等资助（2013033）；国家自然科学基金 （ 59805017）。”现补正为“河南省博士后基金 一等资助（2013033）；国家自然科学基金（59805017）；2014年河 南省高校青年骨干教师资助基金（2014GGJS-195）。” 特此声明。