晶体硅光伏组件功率衰减机制研究-薛鸿斐-信阳师范学院.pdf

分类号 Ｏ４３ 学校代码 １ ０４７７ 密 级 公开 学 号 ２０１５２１０７０８ 硕 士学位 论文 晶 体 硅光 伏 组件 功率衰 减 机制研究 学位 申请人姓名 ： 薛鸿斐  申请学位学生类别 ： 全日制硕士 申请学位学科门类 ： 理学  申请学位学科专业 ： 学 导师姓名 、 职称 ： 刘江峰 副教授  所属院 （系、 所） ： 建筑节 能材料河南省协 同创新中心 论 文 提 交 日 期 ： ２０１ ８ 年 ６ 月  Study on Power degradation Mechanism of Crystal Silicon Photovoltaic Module A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate： Xue Hongfei Supervisor： Prof.Liu Jiangfeng Energy-Saving Building Materials Collaborative Innovation Center of Henan Province， Xinyang Normal University, Xinyang, China 独 创 性 声 明 本人声明 ， 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。 尽我所知 ， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得信阳 师范学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 签 名笼 日 期： 年 ｉ 月 Ｖ日 学位论文使用授权书 本人完全了解信阳师范学院有关保留、 使用学位论文的规定， 即学 校有权 保留并向国家有 关部门或机构 送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人 授权信阳 师范学院可以将本学位 论文的全部内 容编入有关数据库进行检索， 可以釆用影印、 缩印或其他复制手段保存 或汇编本学位论文。 同时授权经信阳师范学院认可的国家有关机构或论 文数据库使用或收录本学位论文， 并向社会公众提供信息服务。 （ 保 密的论文在解密后应遵守此规定） 研究生 （签名） 导师 （签名 期： ｗ ｉ？ 年 ＜ 月＞日 I 摘 要 随着晶体硅光伏电池组件在太阳能发电系统的大规模应用，光伏电站的真实 发电能力和光伏组件工作持久性成为了一个突出问题。业界通常用光伏电站系统 效率来作为评价光伏电站质量的一个重要指标。对于相同装机容量的电站，系统 效率越高，寿命越长，累计发电量就越多，投资回报率越高。光伏组件的功率衰 减是导致电站系统效率和发电量降低的主要原因，因此探究光伏组件的衰减机制 和改善方法对保障光伏电站的发电能力有现 实意义。 本文介绍了太阳电池的工作原理和技术发展历程，阐述了晶体硅光伏组件的 制造工艺和材料成分，分析了引起晶体硅太阳电池组件输出功率衰减的蜗牛纹、 电势诱导衰减（ PID）效应、热斑和光致衰减四个主要因素的成因。论文主要针 对目前光伏电站存在较为普遍的蜗牛纹、 PID 效应进行了实验研究。 首先对电站工作过程中产生的蜗牛纹组件进行电致发光检测、功率测试、红 外热成像检查，对比发现组件隐裂与蜗牛纹的对应关系，并对拆解开的蜗牛纹处 EVA 和 电池碎片的微观组态进行了显微分析和元素分布研究，得出了蜗牛纹的 成因机理，为光伏组件生产 企业提出了材料选择思路，为组件的安装及维护提出 了安全建议。 论文工作的第二部分主要针对光伏组件的修复技术进行了深入研究。通过对 在运行光伏电站实地检测统计，证实了 PID 衰减在光伏电站的普遍性和问题的 严重性。证明了利用反偏压技术现场修复 PID 组件的可行性及技术局限性。实 验过程中发现 PID 衰减的光伏组件在自然放置的条件下功率回升，并通过实验 验证了这一现象；探索了 PID 组件在干热、湿热条件下的变化，并在热环境中 施加偏压来修复 PID 组件 ；结果表明热环境不仅可以使 PID 组件功率回升，也 可以在组件偏压修复的过程中起到加速 和提升修复质量的作用。论文工作进一步 明确了光伏组件电势诱导衰减的机理，验证并优化了 PID 组件的修复方法，也 为光伏组件制造企业改善电池的抗衰减能力和在运行电站中对抗效率衰减的处 理方法提供了参考性建议。 关键词 ： 光伏组件；功率衰减； PID 效应；光伏系统效率 II Abstract The real power generation capacity of the photovoltaic power plant and the working durability of the photovoltaic modules have become a prominent problem, because of the large-scale application of the crystalline silicon photovoltaic cell components in the solar power generation system.In the industry, system efficiency is usually used as an important index to evaluate the quality of PV power station. For the same installed capacity of power plants, the higher the system efficiency， the longer life keeps,as well as the more total generating capacity offers, the higher the return gets on investment. The power degradation of the photovoltaic modules is the main reason for the inefficient power plant and the decreasing power generation. Therefore, it has practical significance to explore the degradation mechanism and the improvement method of photovoltaic module to ensure the power generation capacity of photovoltaic power plants. The principle working and development process of the solar cell is introduced in this paper. We also expounds the manufacturing process and the material composition of crystal silicon photovoltaic module, and analyses the causes of the four main factors that cause the snail-like striation, the potential induced degradation (PID) effect, the heat spot and the photoinduced attenuation that causes the output power degeneration of crystal silicon solar cell components. This paper is mainly about the experimental study of the current snail-like striation and PID effect in photovoltaic power plants. First of all, the snail-like striation components produced in the working process of the power station are detected by electroluminescence, maximum power test and infrared thermal imaging. The corresponding relationship between PV modules hidden crack and snail-like stiation is found, and the microcosmic configuration of EVA and the cell debris in the snail-like striation in the disassembly was studied. The cause mechanism of snail-like striation is put forward for material selection of PV module manufacturers, and safety suggestions for component installation and III maintenance are put forward. The second part of the thesis focuses on the restoration technology of PV modules. Based on the field test statistics of running photovoltaic power plants, the universality and the seriousness of PID in PV power station are confirmed. It is proved that the feasibility and technical limitation of using reverse bias technology to repair PV module with PID in situ. In the experiment, it was found that the power of the PV module with PID recovered in the natural condition, and then the phenomenon was verified by our experiments. We also explored the change of the PID modules under the dry and hot, wet and hot conditions, and then applied the bias in the thermal environment to repair the PV modules with PID. The result shows that the thermal environment can not only increase the power of the PV module with PID, but also speed up repairs and improve the repair quality in the process of component bias repair. The paper further clarifies the mechanism of the induced attenuation of the PV module, validates and optimizes the repair method of the PID components, and provides a reference for the photovoltaic component manufacturing enterprises to improve the anti attenuation ability of the battery and to solve the efficiency attenuation in the power station. Keywords: Photovoltaic module; Power Degradation; Potential Induced Degradation; PV system efficiency IV 目 录 摘 要 . I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 太阳电池发展历程 . 2 1.3 晶体硅光伏组件衰减的研究现状 3 1.4 本文主要研究内容与结构 . 5 第 2 章 晶体硅太阳电池的原理、制造工艺与衰减原因 6 2.1 晶体硅太阳电池工作原理 . 6 2.2 晶体硅光伏组件制作 7 2.2.1 晶体硅片工艺 . 8 2.2.2 电池片工艺 . 8 2.2.3 电池组件工艺 . 12 2.3 晶体硅太阳电池功率衰减原因 13 2.3.1 光致衰减 13 2.3.2 电势诱导衰减 . 14 2.3.3 热斑 . 16 2.3.4 蜗牛纹 18 2.3.5 其它衰减 18 2.4 本章小结 . 18 第 3 章 晶体硅光伏组件蜗牛纹研究 20 3.1 蜗牛纹组件形貌与性能 20 3.1.1 蜗牛纹外观形貌研究 20 3.1.2 蜗牛纹对组件影响 21 3.2 蜗牛纹微观分析 . 23 3.3 本章小结 . 25 第 4 章 晶体硅光伏组件 PID 衰减修复 27 4.1 光伏电站 PID 衰减测试与分析 27 4.1.1 PID 衰减实地测试 . 27 4.1.2 PID 组件衰减分析 . 29 4.2 偏压修复 PID 组件及修复后稳定性 . 30 4.2.1 偏压下组件功率修复 . 30 4.2.2 偏压修复后组件功率的稳定性 . 33 V 4.3 自然状态修复 35 4.4 干热环境下修复 . 36 4.5 湿热环境下修复 . 40 4.6 干热与偏压同时修复 43 4.7 多次 PID 修复对组件电性能影响 46 4.8 本章小结 . 48 第 5 章 总结 49 致谢 50 参考文献 . 51 攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录 . 58 信阳师范学院硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景 随着社会进步以及科技发展，人类对能源的需求与日俱增。化石能源储量的逐 渐减少和生态环境的污染恶化，也使得清洁可再生能源倍受重视。太阳能以其分布 广泛、易于开采、清洁无污染、以及几乎无穷储量等优点，成为近年来迅速发展的 能源行业。 太阳对于人类来说几乎是一个取之不尽用之不竭 的能源。平均每秒钟地球接受 来自太阳辐射的能量功率约为 173000TW，约相当于燃烧 500 万吨煤所释放的能量。 这些巨额的能量一部分转化为其它形式能量留在地球上，比如风能、潮汐能、生物 质能等，一部分散失，回到宇宙空间，只有极少一部分被人类利用。人类对太阳能 的利用分为直接利用和间接利用。直接利用有光电利用和光热利用。间接利用如光 热电的利用等，甚至包括通过食物摄取的能量。广义的讲，化石能源、生物质能源 等能源利用形式也属于太阳能的间接利用，且经过多次能量形式转换，利用效率已 经非常低。 地球上各种形式的能源，几乎都直接 或间接来源于太阳能，而且光伏技术的日 渐成熟，以及所兼备的种种优点，给光伏市场带来了光明前景。据中国可再生能源 协会统计，我国 2017 年比 2016 年光伏新增装机 53.06GW，累计装机容量已达 130GW，其中分布式 29.66GW，光伏电站 100.59GW[1,2]。 光伏市场超预期增长，且光伏发电有望在 2020 年实现平价上网，届时光伏发 电将很快成为全球能源供给的核心力量 [3]。但目前在光伏组件及光伏电站的使用工 作过程中，组件功率的衰减是阻碍光伏发电的一个重要问题，其中以 PID（ Potential Induced Degradation）效应为主，蜗牛纹、光致衰减（ Light Induced Degradation）、 热斑衰减等次之 [4]。 热斑及光致衰减已存在相对有效的解决方法 ， 而 PID 效应在电 站中仍然大面积存在， 电站中由 PID 效应而导致单块组件功率衰减达到 50%以上的 已经屡见不鲜。本文主要对组件 蜗牛纹产生 机理及 PID 效应修复方法进行了研究。 信阳师范学院硕士学位论文 2 1.2 太阳电池发展历程 光生伏特效应（简称光伏效应）最早由法国物理学家贝克勒尔（ E.Becquerel） 发现于 1839 年，距今已近 180 年。贝克勒尔最早发现液体的光生 伏特效应，从光 伏效应的发现到光伏电池的出现经历了近 40 年时间 [5]。 1877 年，一片由硒制成的 光伏电池在世界上首次亮相，并且美国科学家查尔斯·弗里茨（ CharlesFritts）在 6 年后准确描述了硒太阳电池的工作原理。使光伏电池能够投入实际应用的事件已经 到了 20 世纪中叶， 1954 年初，贝尔实验室有三位科学家：富勒（ Calvin Fuller）家 皮尔森（ Gerald Pearson）和乔宾（ Daryl Chapin） 三个人共同发现了效率 4.5%的硅 太阳电池，并用来带动了玩具和无线电报机的运转。光伏电池从理论进 入实际应用 也从此开始。这三位科学家在同年将电池的效率提升到了 6%[4]，并且在贝尔实验室 发明的第一块光伏电池至今仍在发电。图 1.1[10]为贝尔实验室研制的第一批太阳电 池。 图 1.1 贝尔实验室研制的第一批太阳电池 光伏电池在投入使用后的近 40 年间一直处于半休眠状态，发展速度较慢。我 国自 1958 年开始自主研发光伏电池，初期光伏电池大多应用在空间领域和地面小 型器件，比如人造卫星、指示灯和小型器件供电等。 20 世纪 90 年代，光伏发电才 开始迅速发展，我国的技术和生产线经过引进、消化、吸收和创新，生产量不断增 长， 满足了国内应用需求，而且开始向外出口。 目前，市场上常见的太阳电池主要有薄膜电池和晶体硅电池。晶体硅电池分为 单晶和多晶硅电池。晶体硅电池使用硅材料作为基底制成，而硅元素在地壳中占据 着 26.3%的比例，仅次于氧，含量及其丰富。电池绿色无污染，不含任何有毒物质， 因此晶体硅电池成为目前技术最为成熟、应用最广的光伏电池，在光伏市场上长期 占据约近 90%份额 [6]。相同工艺下单晶硅以其 晶体 缺陷较少的特点而比多晶硅电池 信阳师范学院硕士学位论文 3 效率高约 2%，目前 P 型单晶硅电池的产业化效率约为 18%-20%，多晶硅约为 16%-18%， N 型单晶硅电池 的产业效率约为 21-24%[7]，但 N 型硅电池成本较高，生 产成本又是光伏行业的热点问题，因此在实际应用中，常规 P 型晶体硅电池占据着 最大的比例。除了晶体硅电池之外，还有包含砷化镓电池、铜铟镓硒电池、碲化镉 电池和非晶硅电池在内的薄膜电池 [117]。但晶体硅电池材料储量丰富，与半导体产 业相通，技术成熟，晶体硅电池在光伏界的主角地位短时间内很难被薄膜电池取代。 这些年来，电池效率不断提升，电池类型不断增多，应用领域也在不断扩大。 从空间领域到地面领域，从交通信号灯、小型设备等到家庭供电、光伏路灯以及大 型光伏电站。 2006 年我国光伏电池产量已超越美国，仅次于日本及德国，位居世界 第三，到 2007 年，产量已经超越日本，一跃成为全球光伏电池产量最高的国家 [8]。 目前晶体硅太阳电池转换效率实验室最高记录已超过 26%[9]，光伏技术不断发 展，不断创新，但人们从未停下追逐太阳的脚步。 1.3 晶体硅光伏组件衰减的研究现状 晶体硅光伏组件在使用过程中，转换效率的高低是评价光伏组件和光伏电站优 劣的重要指标，而组件的功率随着使用时间的增长会不断衰减，降低转换效率，因 此功率衰减是光伏组件运行过程面临的严重问题 [10]。对功率进行测量，是 判断组件 是否有功率衰减的主要方式，在室外环境中，光的入射辐照度、光谱、环境温度等 影响组件实际功率的因素都在不断变化，因此对组件功率的测量就需要在特定的条 件下进行，或将测量的结果修正到特定条件，结果才有意义。这个特定的条件被称 为 STC（ Standard Test Condition） 环境，定义为光谱 AM1.5，光强 1000W/m2，温 度 25℃的条件。组件工作 25 年之后，功率的衰减比例不超过初始功率的 20%，这 是光伏企业对出厂组件做出的一致承诺，也逐渐成为用户心中的标准。 组件实地工作过程中，环境条件和气候条件 十分复杂，所以导致常规 晶体硅光 伏 组件功率衰减的原因也有很多：电势诱导衰减（ PID）、光致衰减（ LID）、蜗牛 纹、热斑、封装材料老化等。 其中 PID 效应是一个产生范围广、衰减程度高的衰减途径，困扰着很多电站工 作者。光伏电站工作时，光伏阵列两极的直流电压很高，一般都在 600V 以上，出 于安全，光伏组件边框和支架必须接地 [11-13]，但正因为如此，接地后电池与边框之 间的电势差，引起了光伏组件中老化产生的离子的漂移并聚集在电池表面，使电池 信阳师范学院硕士学位论文 4 表面钝化失效 [27]，从而加速了电池中电子空穴的符合，导致并联电阻 Rsh 降低， 内 部漏电流增大， 功率衰减 [14-18]。 这是目前光伏界对于组件 PID 衰减的主流解释。 对 于 PID 所导致的功率衰减，目前一般通过 改善 电池工艺、组件工艺来一定程度避免， 或通过修复等方式缓解。电池工艺方面可通过调控表面氮化膜的折射率，使其在一 定程度上起到对漂移离子的阻挡作用。从组件工艺方面，可以使用无金属边框的双 玻组件，减小电池和大地之间的电势影响，也可改进封装胶膜，阻挡离子向电池表 面漂移 [21]。而对于电站中已经发生 PID 衰减的电池组件，则可以通过施加与工作时 相反的偏压，使离子向外漂移，一定程度上使组件功率和填充 因子回升。目前也有 少部分逆变器采用直流端负极接地的方法，减小光伏阵列负极端与大地和边框之间 的电势差来缓解负极端的 PID 效应，但这种方法会导致光伏阵列正极端对地偏压很 高， 存在安全隐患 。 PID 效应所导致的衰减，虽然可用一定手段从一定程度上减小 损失，但对于常规带边框组件来说， PID 效应无法完全避免。 光伏组件的光致衰减（ LID）由硼氧复合体导致，之所以被称为光致衰减， 正 是因为人们发现常规的全新 P 型硅组件在光照一段时间以后，都会有一定程度的功 率衰减 [19]。有研究表明，在外部能量注入的条件下，硅中的单个硼原子与两个 间隙 氧原子结合成为一个硼氧复合体， 硼氧复合体属于 深能级复合中心，加速电子空穴 复合而降低 光电转换 效率。对光致衰减的解决方法一般为降低电池中硼元素掺杂浓 度，或使用其它同组元素来代替硼元素进行掺杂，或降低硅中的间隙氧浓度等。光 致衰减在加热的条件下有可逆的特性。 LID 只在 P 型硅电池中存在 [20]。 组件的蜗牛纹是指在组件表面出现的如蜗牛爬过痕迹一般的纹路，也被成为闪 电纹。研究表明蜗牛纹的出现与电池的隐裂和水的进入有关。蜗牛纹是电池栅线位 置的变色，只占组件面积的很小部分，对组件透光率没有大的影响，但蜗牛纹本身 就是组件 的隐裂衰减造成的，蜗牛纹的出现也会加速组件的老化衰减。 封装材料的老化一般以 EVA 发黄、玻璃磨损等光学性能下降为主，也有 EVA 分层、背板分层、背板粉化等 [22-24]。通常从替换材料种类或改善材料性质方面来解 决，比如使用不易氧化发黄的 EVA、更稳定更耐老化的封装背板、机械强度和透光 率都比较好的玻璃等 [25]。 热斑效应是由于各种原因所导致的电池局部输出能力下降 [43]，消耗电能而发 热。对于热斑效应，目前除了从电站建设过程中避免遮挡、防止磕碰、加强维护之 外，也可以使用智能组件 [44-46]，当某路电池电流减小 到临界值时，直接被旁路二极 管所旁路，防止过多消耗电能或温度过高导致火灾等 [47]。 信阳师范学院硕士学位论文 5 综上来看，对于光伏组件功率衰减问题，人们已经采取各种方法进行改善和解 决，都取得了一定的效果，但并未完全解决，电站中 以 PID 和蜗牛纹为主的 衰减形 式依然存在，功率的衰减依然是深深困扰着电站工作者的问题 [60]，在如何减小衰减 损失这个问题上，科研工作者们仍然有很长的路要走。 1.4 本文主要研究内容与结构 本文针对光伏组件功率的衰减机制，着重从 PID 衰减角度展开研究。一共分为 四章： 第一章：对于本文的研究背景，做简单的介绍。列出 了太阳电池的发展历程， 概述了目前晶体硅光伏组件衰减的种类和针对各种衰减的研究现状。 第二章：晶体硅太阳电池的原理、制造工艺及衰减原因。首先从微观层面详细 阐述了太阳电池的工作原理，从光能到电能的转化过程。随后描述了晶体硅太阳电 池片以及晶体硅光伏组件的生产流程。然后从 LID 衰减、 PID 衰减、蜗牛纹以及热 斑的问题上叙述了组件功率输出衰减的主要途径及导致各种衰减的原因。这些基础 知识为本文的研究工作提供了重要的理论依据。 第三章：对光伏组件的蜗牛纹进行了一系列研究。先在电站实地研究中发现了 一定比例的蜗牛纹，发现蜗牛纹 组件都伴随着功率的衰减和电池的裂片，并且裂片 与蜗牛纹有着十分吻合的对应关系。通过微观观察与元素分析，得出了蜗牛纹的产 生原因。 第 四 章：光伏组件 PID 衰减效应的修复与稳定性。本章首先展示了在实际电站 使用中所遇到普遍的 PID 衰减现象。随后在电站中实地做了 PID 反偏压修复，观察 偏压对 PID 衰减组件的修复效果。随后将组件带进实验室继续进行偏压修复，观察 不同衰减程度组件的修复效果和修复时间。并且探究组件在修复过程中功率及 EL （ Electroluminescent）照片随着修复时间的变化规律。并证明了发生过 PID 衰减的 组件即使通过修复可以使功率回升，但不稳定，使用过程中非常容易再次发生 PID 衰减。同时发现了 PID 衰减组件在室内自然放置的情况下功率也会缓慢回升，对于 修复问题，通过偏压修复、加热修复、偏压与加热同时修复的方法探究不同方法对 组件功率修复的效果，分析了不同方法修复 PID 组件的理论依据。 并对 PID 组件反 复老化、修复过程中的电性能进行了试验。 第 五 章：对硕士研究生期间主要工作进行总结，对未来做出展望。 信阳师范学院硕士学位论文 6 第 2 章 晶体硅太阳电池的原理、制造工艺与衰减原因 晶体硅太阳电池 最初制作材料为硅，经过多种工艺环节制成具有光伏效 应的太 阳电池，再经过串接和封装，成为可供使用的光伏组件。光伏组件的功率衰减机制 与组件制作工艺息息相关。 2.1 晶体硅太阳电池工作原理 太阳电池的本质是由两种或两种以上禁带宽度 Eg 不同的材料进行接触，从而 形成的单个或多个串联的 PN 结。半导体材料的带宽一般由掺杂元素的种类及掺杂 浓度来进行调控。 半导体硅中掺入三价元素硼时，硼原子最外层的 3 个电子与硅原子之间形成共 价键，但最外层没有达到 8 个电子的稳定结构，多出一个空穴，这种材料中自由电 子数量远远小于空穴数量，空穴为多子，自由电子为少子，主要依靠价带中的空穴 导电 ，这种掺杂的半导体叫做 P（ Positive）型半导体。同理，使用五价元素如磷对 硅材料进行掺杂时，自由电子数量远远大于空穴数量，自由电子为多子，空穴为少 子，这些电子来自半导体中的施主，这种主要依靠自由电子导电的杂质半导体被称 为 N（ Negative）型半导体。 P 型半导体和 N 型半导体相互接触时， P 区和 N 区的多子都是对侧的少子，因 此浓度差会使 P 区空穴向着 N 区扩散， N 区自由电子向着 P 区扩散。扩散的结果使 P 区和 N 区交界处产生一个势垒区，如图 2.1 中的内建电场。势垒区会阻碍多子的 扩散，同时少子在内建电场的作用下会向着对 侧漂移，漂移运动使对侧多子增加， 又会一定程度促进多子的扩散运动。在恒定的环境条件下，扩散运动和漂移运动达 成动态平衡。这样一个 P 型半导体和 N 型半导体接触形成的区域被称为 PN 结。 当光照射到半导体材料时，拥有能量 Eph 比带宽 Eg 小的光子，和半导体材料 的相互作用非常小，大部分直接穿透。而当光子携带能量大于带宽时（ EphEg）， 它的能量将会破坏半导体材料的共价键，使电子脱离共价键的束缚而成为自由电 子，从而在半导体中形成新的电子空穴对，每个光子最多只能激发出一个自由电子， 多余能量将转变成热。能量越高的光子，在越靠近 材料表面被吸收，能量越小的光 子，在电池中被吸收的部位越深。因此调整半导体材料的禁带宽度是调控太阳电池 吸收光谱特性的途径之一。 信阳师范学院硕士学位论文 7 在 PN 结中，多子的扩散运动和少子的漂移运动原本处于动态平衡。当光照射 到电池以后，大于半导体禁带宽度的光子使半导体中产生新的电子和空穴，多子浓 度变化相对较小，而少子浓度却变化很大，所以主要考虑光生少子的运动。由于在 PN 结的势垒区存在着由 N 区指向 P 区的内电场，于是光生少子在内电场的作用下 会朝着对侧漂移，形成光生电流 Ig ，如果少子在复合之前漂移到另一侧成为对侧 的多子，使 PN 结两端多子浓度 增加，那么 PN 结两端将会产生电动势。相当于在 PN 结两端施加了一个正向电压，使势垒降低，并有正向电流 Id 产生，当 PN 结开 路时，光生电流与正向电流达成动态平衡， PN 结两端有稳定电势差，即开路电压 Voc。此时若将 PN 结两端连成回路，电子与空穴将通过回路复合，漂移电流大于扩 散电流，于是 P 区的电子和 N 区的空穴继续朝着对侧漂移，然后又通过回路复合。 电池不停受到光的照射，则有源源不断的电流通过。电池中产生的电流并不能完全 用于电路输出，其中一部分会经过刻蚀不到位的边缘、内部缺陷等短路通道进行分 流（ Ish），相当于在电池内部 并联了一个等效电阻 Rsh，因此并联电阻 Rsh 的大小 表示着电池内部的漏电程度，理想状态下的 Rsh 是无穷大的，较小的 Rsh 会使开路 电压一定程度减小。而电池的基体电阻、接触电阻以及烧结电阻等等，则相当于串 联在电池两端的电阻 Rs，较大的串联电阻 Rs 将直接使短路电流 Isc 减小。如图 2.1 及 2.2 所示。 图 2.1 太阳电池工作原理 图 2.2 太阳电池等效电路 要对太阳电池进行利用，就要把产生的载流子引出。因此还需要对电池进行印 刷电极、串联封装等处理。 2.2 晶体硅光伏 组件 制作 从提纯后的硅 材 料到晶体硅光伏组件 主要 分为 三步，首先要将硅材料进行铸锭 信阳师范学院硕士学位论文 8 多晶，或拉制单晶，将制成的晶体硅进行切片，处理成制作太阳电池的合适形状和 厚度； 然后把 切好的 硅片 进行工艺处理，制成能够把光能转换为电能的太阳电池片； 最后把电池片根据需求的电压电流进行串联设计和封装处理，成为可供使用的光伏 组件。 2.2.1 晶体硅片 工艺 由硅料到晶体 硅 要经历晶体的生长过程 ，晶体硅的生长 方法有 铸锭法 、 直 拉法 、 区熔法等 。 晶体硅 在生产时要掺入一定类型、一定量的杂质来改变晶体硅的导电类 型或电阻率 [53]。如 P 型硅太阳 电池 的 硼 掺杂就在这一步完成 ，将硅料和硼硅合金按 照预定的比例混合 ， 进行 加热，达到熔融状态。 熔融的硅经过 不同的结晶方法会得 到不同类型的晶体硅 。 铸锭法在冷却凝固时，硅原子会以金刚石的晶格形态排列成 很多晶核，并长成晶面取向不同的晶粒， 生长起来就结晶成了多晶硅 [54]。直拉法是 将 籽晶放入熔融的硅中熔接，并 转动籽晶，向上提 拉 ，经过引晶、放大、转肩、等 径生长、收尾等过程， 即 得到单晶硅 [58,59]。 区熔法是 利用高纯柱状多晶硅制作， 将 通有射频电流的线圈沿多晶柱状方向移动，线圈以电磁炉的原理在晶体中形成涡流 并发热，使线圈附近的晶体 熔化并结为单晶 [55]。 结晶的工艺决定着晶体硅中的缺陷 程度，缺陷越少的硅非平衡载流子寿命越长，制成的太阳电池效率越高。 长成的 晶体 硅经过开方 和 切磨的工序，加工成符合要求的 形状和外观 ，随后使 用钢线对多晶硅块或单晶硅棒进行切割。 使用钢线切割是由高速运转的导轮带动细 钢线运转，切割的同时将包含有碳化硅磨料的研磨液喷在钢线上，钢线带动砂浆形 成研磨的切割方式。 切割后的硅片进行清洗和分检 ，方成为成品硅片 。 2.2.2 电池片 工艺 从硅片到太阳电池，要经历一系列较为复杂的工艺。如图 2.3。 图 2.3 太阳电池工艺流 程 初始的硅片是 已经在结晶过程中就 掺杂了硼元素的 P 型硅。首先对其制绒和清 信阳师范学院硕士学位论文 9 洗。制绒过程是利用较低浓度的碱溶液，由于其对于晶体硅在不同的晶体取向上的 腐蚀速率不同 [61]，所以经过碱溶液处理后的硅表面会形成密集的金字塔形状的锥体 结构，形成绒面，所以称为“制绒”。化学反应如式 2.1。制绒处理后的表面有金 字塔型结构和倒金字塔型结构。光线照射到表面后，一部分被电池吸收，一部分反 射光可以照射到另一金字塔结构的斜面，被表面二次吸收 [65]，一定程度上起到了减 少反射的作用。表面腐蚀处理除了产生绒面增加光线吸收效果外，同时可 以去除硅 片表面的机械损伤，以及去除表面杂质、污染等 [61]。 如图 2.4 为制绒工艺照片（ a）、 制绒金字塔型结构（ b）和制绒减反射原理（ c）。 Si+2KOH+H2O →K2SiO3 +2H2 ↑ a.制绒工艺 b.制绒 金字塔结构 c.制绒减反射原理 图 2.4 制绒 工艺照片（ a）、 制绒 金字塔型结构（ b）和减反射原理（ c） 制绒后的硅片经过 HF、 HCl 的清洗之后，有了较好的光吸收性能 [70,71]。紧接着 将使用 POCl3 进行扩散。 POCl3 在高温下分解后产生 P2O5 再与硅反应，生成磷原子， 如式 2.2-2.3。并且生成的磷原子会在硅片表面形成磷硅玻璃，磷原子会继续向硅中 扩散。 5253 OP3 PCl5 PO C l C6 0 0 +⎯⎯ →⎯  +=+ 4P5 S i O5 S iO2P 252 磷原子扩散到一定浓度和深度后与先前掺杂了硼原子的硅形成 PN 结。 PN 结是 光伏电池的基础，所以这是太阳电池工艺中最为核心的一步，影响扩散质量的因素 有扩散时通入气体的杂质浓度、扩散温度以及扩散时间。 在扩散过程中，硅片一般采用背靠背的方式进行。但是硅片的边缘部分会不可 避免的也扩散上磷 [63]。那么电 池在光照后，光生电流就会经过边缘含磷区域到达电 池背面正极，形成短路，该部分并联电阻会减小， 发电效率 降低。因此要对边缘部 分进行 绝缘 处理，即使用等离子体对其进行刻蚀处理。刻蚀采用高频的等离子体辉 （式 2.2） （式 2.3） （式 2.1） 信阳师范学院硕士学位论文 10 光放电使反应气体变成活性离子，并和需要刻蚀的部位发生