10001241_N型高效抗PID太阳电池工艺研究

N 型高效抗 PID 太阳电池工艺研究 张伟 郎芳 王子谦 李锋 史金超 光伏材料与技术国家重点实验室 英利能源（中国）有限公司 摘要：电势诱导衰减（potential induced degradation, PID）效应是导致光伏组件输出功率下降的 主要原因之一。本文通过优化 N 型电池工艺，包括增加 PN 结的深度，提高减反射膜的介电常 数，采用叠层减反射膜等方式，可以阻挡钠离子破坏电池的 PN 结，将电池的 PID 衰减控制在 1.5%以内。同时结合离子注入技术，电池的量产效率可以达到 21%以上，形成了一套高效率高 稳定性的太阳电池制备工艺。 关键词：电势诱导衰减；PN 结；减反射膜；介电常数 通讯作者：张伟 研究方向：N 型高效太阳能电池技术 Email：wei.zhang@yingli.com 1、 引言 光伏组件发生 PID(potential induced degradation)效应是造成光伏电站输出功率衰减的主要原 因之一 [1-2]，PID 造成光伏电站发电量衰减最大可达 30%以上 [3-4]。无论是 P 型电池还是 N 型电 池，当电池对接地边框为负电压时，玻璃中的钠离子会穿过 EVA，向氮化硅减反射膜内迁移， 最终进入到电池中引起 PN 结的破坏，导致电池性能劣化 [5-6]。因此，可以从以下三个方面改进 N 型太阳电池工艺，降低 N 型光伏组件的 PID 衰减： （1）增加 PN 结深度，防止钠离子破坏 PN 结； （2）提高减反射膜的介电常数，可以减小电场的大小，从而减轻 PID 效应； （3）采用双层减反射膜，阻止钠离子的进入。 2、 结果与分析 2.1 PN 结深度优化 图 1 给出了 N 型电池的结构示意图。在后续的组件制作过程中，电池的正背面都将与封装 材料接触，封装材料以及环境中的 Na 离子有可能从电池的正背面进入电池内部，破坏电池正 面的 PN 结和背面的背场，引起电池效率的快速衰减。为了避免 Na 离子迁移破坏 PN 结和背场， 可以增加 PN 结和背场的深度，减少 Na 离子迁移造成的 PID 衰减。 图 1 N 型电池结构示意图 图 2 是电池制备工艺流程图。制备高效 N 型太阳电池需要进行两类制结：正面发射极和背 面的高低结。可以采用两次扩散的方式来实现，但是扩散过程中出现“绕扩散” ，使第二次扩散 面的杂质分布发生改变，甚至补偿，降低太阳电池的转换效率。为了解决绕扩散问题，可以采 用离子注入技术进行离子掺杂，但是由于目前硼离子注入技术尚未成熟，所以在本阶段，我们 只采用磷离子注入技术制备电池背场的高低结，同时磷离子注入可以改善背场掺杂的均匀性。 为了简化工艺流程先进行磷离子注入，之后进行硼扩散，利用硼扩散的高温进行退火。硼扩散 的工艺温度为 960℃，时间为 40min。图 3 为电池发射极和背场的掺杂曲线，发射极的 PN 结结 深约为 1μm，背场高低结的结深约为 0.6μm，明显高于常规电池 0.5μm 左右的结深。 图 2 电池工艺流程图 图 3 发射极和背场的掺杂曲线 2.2 增加氮化硅减反射膜介电常数 在电场作用下，氮化硅作为一种电介质，其内部电荷分布发生变化，这个过程称作极化， 极化电场方向与外加电场方向相反，可以削减外加电场，减缓 Na 离子向电池内部迁移。介电 常数 ε 是反应电介质极化强度的物理量。增加介质层的介电常数就意味着增加其极化电场强度。 介质的折射率与介电常数有关 ，增加介质层的折射率也可以相应的增加介质的介电常rn 数。 在 PECVD 沉积氮化硅膜的过程中，反应气体 SiH4 与 NH3 流量比是影响氮化硅膜性质的重 要因素。图 4 是在硅烷流量不变（流量为 450mL/min） ，只改变氨气流量，以 NH3：SiH 4 为 2:1、4:1、6:1、8:1、10:1 进行 5 组实验的氮化硅膜的折射率随气体流量比的变化曲线。 图 4 折射率随反应气体流量比变化趋势图 在实验过程中将 NH3：SiH 4 的流量比分别设定为 4:1 和 8:1，制备出氮化硅膜的折射率分别 为 2.15 和 2.07，将这批电池制备成组件，并在 1000V，RH 85%，85℃，96 小时条件下测试 PID 衰减情况。表 1 为不同折射率对应的电池参数以及对应组件 PID 衰减值，从实验结果看， 增加了折射率，电池效率降低，这是由于高折射率的氮化硅膜的减反射作用并不是最优状态， 到达电池的光减少，会造成电池电流减少，转化效率降低；同时高折射率对应着低的 PID 衰减， 这是由于折射率增加，氮化硅膜的致密性更好，更有利于阻挡 Na 离子的迁移。 可见单纯增加氮化硅膜的折射率虽然可以降低 PID 衰减，但是也会降低电池效率，为了在 不影响电池效率的前提下降低 PID 衰减，下节中将讨论叠层氮化硅膜工艺。 表 1 不同折射率 N 型电池参数以及对应的 PID 衰减情况 组分 折射率 Voc（V） Jsc（ mA/cm2） FF（%） Eff（% ） PID 衰减 G1 2.15 0.6485 39.24 80.55 20.50 1.31% G2 2.07 0.6507 39.52 80.50 20.70 2.37% 2.3 双层氮化硅膜工艺优化 在实验中分别制备折射率为 2.07 的单层氮化硅膜太阳电池 G1 和叠层氮化硅膜太阳电池 G2。G2 制备过程中通过改变 PECVD 设备的气体流量制备叠层氮化硅膜，第一层氮化硅膜的折 射率设定为 2.2，厚度为 20nm，第二层氮化硅的折射率为 2.07，厚度为 60nm。表 2 中列出了 两种电池的电学参数以及在-1000V，85℃，85%，96h 条件下测试的 PID 衰减。采用叠层氮化 硅膜的 N 型太阳电池可以同时满足高效和低 PID 衰减的要求，电池效率在 21%左右，衰减可以 控制在 1.5%以内。 表 2 单层与叠层氮化硅膜太阳电池的电学参数及对应的 PID 衰减 Voc （V） Jsc（mA/cm 2） FF（% ） Eff（% ） PID 衰减 G1 0.655 39.54 80.89 20.95 2.57% G2 0.657 39.66 80.67 21.02 1.41% 3、 结论 结合目前太阳能组件应用过程中出现的 PID 现象及 PID 发生的机理，对 N 型太阳电池工 艺进行优化，使其在高效的同时具有高的稳定性，即具有低的 PID 衰减。通过增加发射极和背 场深度，并且结合叠层氮化硅膜，目前 N 型电池的量产效率可以达到 21%以上，PID 衰减可以 控制在 1.5%以内。 参考文献： [1] R. Swanson, M. Cudzinovic, D. Deceuster, et al. The surface polarization effect in high efficiency silicon solar cells[A]. 15th International Photovoltaic Science &Engineering Conference[C], Shanghai, 2005. [2] P. Hacke, R. Smith, K. Terwilliger, et al. Development of an IEC test for crystalline silicon modules to qualify their resistance to system voltage stress[J], Progress in Photovoltaics Research and Applications, 2014, 22 (7): 775– 783. [3] S. Pingel, O. Frank, M. Winkler, et al. Potential induced degradation of solar cells and panels[A]. 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference[C], Honolulu, 2010. [4] P. Hacke, M. Kempe, K. Terwilliger, et al. Characterization of multicrystalline silicon modules with system bias voltage applied in damp heat[A]. 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition[C], Valencia, 2010. [5] S. Yamaguchi, A.Masuda, K. Ohdaira, Changes in the current density-voltage and external quantum efficiency characteristics of n-type single-crystalline silicon photovoltaic modules with a rear-side emitter undergoing potential-induced degradation[J], Solar Energy Materials & Solar Cells, 2016, 151 (3): 113–119. [6] V. Naumann, D. Lausch, A. Hahnel, et al. Explanation of potential induced degradation of the shunting type By Na decoration of stacking faults in Si solar cells[J], Solar Energy Materials & Solar Cells, 2014, 120 (2): 383–389.