多晶体硅太阳电池的PID效应研究

摘 要：随着多晶硅太阳电池的广泛应用，电池组件的电势诱导衰减（ pid ）现象越来越引起大家的重视。本文主要研究了铸锭电阻率、电池扩散方阻、前表面钝化层折射率对电池组件的 pid 的影响。研究结果表明： pid 现象和铸锭电阻率、电池扩散方阻、前表面钝化层折射率有关。 在保证效率的基础上， 提高折射率到 2.10 就可以满足抗 pid 要求， 组件的封装损失与普通电池的组件功率相当，因此具有很好的应用前景。关键词：电势诱导衰减（ pid 效应） ；表面钝化层；折射率；多晶电池。中图分类号： a 文献标识码： a 文章编号： 1673-1069 （ 2016） 22-122-3 1 概述近年来 pid 已经成为国外买家投诉国内组件质量的重要因素之一，严重时候它可以引起一块组件功率衰减 50%以上，从而影响整个电站的功率输出，因此组件的 pid 现象越来越受到光伏行业的重视。研究和解决光伏组件抗 pid 效应问题可以有效提升光伏发电收益。pid 是英文 potential induced degradation 的缩写，指的是组件电势诱导衰减。组件在户外多组串联获得高电压， 长期在高电压作用下， 边框带正电， 玻璃上表面电子流向边框，导致玻璃表面带正电，且电池为负电，形成电场，方向指向电池。在 pid 效应形成过程中，封装材料比如 eva 起到很关键的作用，水汽通过封边的硅胶或背板进入组件内部。 eva 的酯键在遇到水后发生分解， 产生可以自由移动的醋酸。 醋酸 （ ch3cooh） 和玻璃表面析出的碱反应后，产生了 na+。 na+在外加电场的作用下向电池片表面移动并富集到减反层，甚至进入到电池发射极， 造成先是表面钝化减反射膜失效， 然后 pn 结被破坏， 导致 pid 现象的产生， 串联电阻增大，并联电阻减小，最终导致 ff 、 jsc 、 voc 降低，功率衰减，电池 el 图像变暗变黑， 开压下降， 意味着 pn 结分离电子和空穴的能力降低了。 这种情况会造成组件最大功率减小，直接影响组件的发电效率，减低发电量，造成经济损失。目前为了有效降低 pid loss 值，主要从电池、组件、系统三个方面来实现。从组件端来看，主要方法是使用特殊玻璃而非普通钠钙玻璃和高电阻率的封装材料做成，但这使得组件的成本大大提高，从工业生产的角度讲，并不是首选方法，另外无边框的双波组件在试验中体现了一定的抗 pid 特性，因此边框也是解决 pid 效应的一个考虑因素，而单纯依靠材料供货商提供的抗 pid 的 eva， pid 测试并不能百分百通过； 从系统端来看， 主要方法是组件边框接地、逆变器直流段负极接地等；从电池端来看，良好质量的硅片源和严格的电池片工艺过程控制能有效地降低 pid 现象，另外关于抗 pid 性能研究多数集中于硅片电阻率、电池方块电阻、电池氮化硅膜折射率、额外的氧化硅膜等内容，其中改变电池片钝化减反射膜层的工艺是主要研究方向之一。研究发现， 含 si 多的减反层比含 n 多的减反层更可以抵抗 pid 现象。 当减反层的折射率大于 2.2 后， pid 现象不再被观察到。有电池工厂在做针对电池和 pid 的关系的测试中也发现了类似的现象， 结论是当折射率大于 2.13 后， 几乎所有的 eva 都能通过 pid 测试， 当折射率小于 2.08 后， 通过 pid 测试的 eva 寥寥无几。 但改变电池减反射层的折射率会降低电池片的发电效率。本研究主要内容是，结合产线实际情况，探讨铸锭电阻率、电池扩散方阻、臭氧氧化的亲水性、氮化硅膜折射率对电池组件的 pid 的影响。综合各个因素，探讨在不提高生产成本并且基本不降低效率的情况下，电池产线达到抗 pid 目的的优选方案。2 实验部分采用相同的封装材料和工艺将电池片封装成市面上最常见的 60 片 pv 组件， 组件按钢化玻璃 +eva+电池 +eva+背板叠层层压并安装接线盒和铝合金边框。 其中 eva 采用非抗 pid 的 eva，f806 。封装好后，对实验组件进行 el 和 i-v 测试（ stc 条件下） ，将实验组件放在 damp heat实验条件 （ 85&85%rh） 下的环境实验箱中， 直流电源正极接铝边框， 负极接组件正极引出端，施加 1000v 电压 pid 实验持续 96h，取出组件完成 el 和 i-v 测试（ stc 条件下） ，与组件初始功率相比，功率衰减 5%以内合格。实验仪器： halm 测试仪、 3a 级 spire 测试仪、 1200 万高分辨率沛德 el 测试仪、爱斯佩克步入式环境试验箱。3 结果与分析3.1 铸锭电阻率对抗 pid 效果的影响为了验证铸锭的不同电阻率对组件 pid 影响，选取电阻率为 1.9 、 3.5 、 5 的铸锭，制作成电池组件，随后进行 pid 测试，结果如表 1 所示。掺杂浓度的变化会导致内建电场的变化，从而导致耗尽层宽度的变化。当扩散层做的一样时，高电阻率会导致结内耗尽区变宽，导致 pid 过程有较大的电阻，功率衰减值越小，抗pid 效果越好。目前产线多晶 p 型硅，掺杂浓度约 na=1016cm-3。na 为受主杂质浓度， nd 为施主杂质浓度， ni 为本征载流子浓度空间电荷区总的来说呈现电中性。空间电荷由电离施主和电离受主组成。靠近 n 区一侧的电荷密度完全由施主浓度决定，靠近 p 区一侧的电荷密度完全由受主浓度所决定，总的耗尽层宽度也随掺杂浓度增大而减小。虽然电阻率提高，抗 pid 效率越好，但电阻率高，会引起相应的扩散方阻升高，填充下降，相应的效率也下降。而且，实际生产过程中，铸锭的电阻率整体并不是均一的，而是底部电阻率高，顶部电阻率低，顶部和底部的电阻率差异明显，不能做到严格区分采用相同的电阻率硅片做电池组件。采用不同电阻率的电池片，差异很大的电阻率直接影响着该批电池片的其他电性参数的一致性。 因此， 采用的铸锭电阻率目标值 2.5 左右， 来满足既不降低电池片效率又能提高抗 pid 效果。3.2 扩散方阻对抗 pid 效果的影响为了验证不同扩散方阻对组件 pid 影响， 选取方阻为 95、 75、 85 的电池片做成组件进行pid 测试，结果如表 2 所示。方块电阻反映扩散深度和扩散浓度。掺杂浓度高，结深，方块电阻小，反之方阻大。方块电阻较大时，光伏电池能输出更高的电压和电流，因此提高光伏电池的转换效率，可以通过优化方块电阻获得转换效率的提升。 但增加方块电阻会导致串联电阻增大、 填充因子降低。优化电池效率而采取的增加方阻会使电池片更容易衰减，导致容易发生 pid 现象，但现在高效电池的高方阻密栅工艺是提高效率的有效途径，降低电池片方阻，功率衰减也降低，即降低 pid ，但也会引起电池效率降低，这是一个矛盾的集合体。针对印刷三主栅网版，方阻值 85 或者 95 都合适，但随着高效电池印刷四主栅的推广，方阻值定在 95 左右，既能制备高效电池片，又能避免 pid 效应。3.3 镀膜折射率对抗 pid 效果的影响为增强前表面的钝化效果， 一低温氧化的薄层 siox 薄膜被引入到正面扩散层表面。 除了提供钝化效果，该氧化层还具有一定的抗 pid 效果。低温氧化工艺使得增加该工艺步骤所需的成本较低。 由于 p 型晶体硅电池的扩散层是 n 型导电层， 使用目前的 sinx 减反射薄膜内带有固定正电荷，能够起到良好的场钝化效果，使用 siox/sinx 薄膜能够进一步提高界面的介质钝化效果。采用臭氧发生装置，在刻蚀后的硅片表面形成一层 sio2 ，随后在板式 pecvd ，镀氮化硅膜双层膜，最终，在硅片前表面形成氧化硅 / 氮化硅 / 氮化硅的钝化层。对于硅而言，由于硅 / 氮化硅结构界面应力大，且界面态密度高，悬挂键面密度为1015cm-2 量级。在硅的表面生长 sio2 ，大量悬挂键能被氧原子饱和，其表面态密度在1010-1012cm-2 量级。但单纯的一层 sio2 ，不能替代氮化硅膜，也不能保证电池组件通过抗 pid 测试。氮化硅薄膜致密性好，抗杂质扩散能力强，氮化硅对碱金属离子的阻挡能力很强，且还有捕获 na+的作用， 是目前所采用的绝缘介质膜中对 na+的阻挡作用最强的介质薄膜。 氮化硅不仅能掩蔽 sio2 所能掩蔽的杂质，而且能掩蔽 sio2 不能掩蔽的杂质，如 h2o。氮化硅也不能替代 sio2 ， 当不选用臭氧发生装置时， 即使折射率调到 2.14 ， 组件端采用抗 pid 的 eva，依然不能保证全部通过抗 pid 测试， sio2 为满足抗 pid 要求，增加保障。总的来说，采用氧化硅 / 氮化硅 / 氮化硅的结构，可以有效综合两种膜的优点，得到较好的抗 pid 效果。为了验证不同折射率的前表面钝化层对电池组件 pid 的影响，选取折射率 2.07 、 2.10 、2.13 ，制作成的电池组件进行 pid 测试，结果如表 3 所示。高的 si/n 比例，对组件 pid 有益，功率衰减降低，但折射率在 2.13 时，效率与生产片相比降低了 0.2%左右。综合电池效率因素，前表面钝化层的折射率定在 2.10 。采用该参数，生产 30 万片实验电池片，电池效率与生产产线电池片效率持平，实验组件端封损与生产片持平，同时，组件端反馈无异常色差组件。选用 2.10 折射率制作的电池组件， 采用非抗 pid 的 eva， 实验组件的抗 pid 测试全部合格。4 结束语实验表明 pid 现象和铸锭电阻率、电池扩散方阻、氧化硅 / 氮化硅膜折射率有密切关系。选用电阻率 2.5 左右， 扩散方阻 95 左右， 氧化硅 / 氮化硅膜折射率 2.10 左右， 制备的高效电池片，能避免 pid 效应。pid 现象作为光伏技术发展过程中正常出现的一个技术问题，完全可以通过技术手段解决，而不会成为阻碍光伏事业发展的障碍。而通过解决 pid 问题，使光伏组件更为可靠，使光伏产业更能长久地发展。