多晶體硅太陽電池的PID效應(yīng)研究

王月勤　賀美亮　李會玲　王占友　于琨

摘 要：隨著多晶硅太陽電池的廣泛應(yīng)用，電池組件的電勢誘導衰減（PID）現(xiàn)象越來越引起大家的重視。本文主要研究了鑄錠電阻率、電池擴散方阻、前表面鈍化層折射率對電池組件的PID的影響。研究結(jié)果表明：PID現(xiàn)象和鑄錠電阻率、電池擴散方阻、前表面鈍化層折射率有關(guān)。在保證效率的基礎(chǔ)上，提高折射率到2.10就可以滿足抗PID要求，組件的封裝損失與普通電池的組件功率相當，因此具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電勢誘導衰減（PID效應(yīng)）；表面鈍化層；折射率；多晶電池。

中圖分類號： A 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）22-122-3

1 概述

近年來PID已經(jīng)成為國外買家投訴國內(nèi)組件質(zhì)量的重要因素之一，嚴重時候它可以引起一塊組件功率衰減50%以上，從而影響整個電站的功率輸出，因此組件的PID現(xiàn)象越來越受到光伏行業(yè)的重視。研究和解決光伏組件抗PID效應(yīng)問題可以有效提升光伏發(fā)電收益。

PID是英文potential Induced Degradation的縮寫，指的是組件電勢誘導衰減。組件在戶外多組串聯(lián)獲得高電壓，長期在高電壓作用下，邊框帶正電，玻璃上表面電子流向邊框，導致玻璃表面帶正電，且電池為負電，形成電場，方向指向電池。在PID效應(yīng)形成過程中，封裝材料比如EVA起到很關(guān)鍵的作用，水汽通過封邊的硅膠或背板進入組件內(nèi)部。EVA的酯鍵在遇到水后發(fā)生分解，產(chǎn)生可以自由移動的醋酸。醋酸（CH3COOH）和玻璃表面析出的堿反應(yīng)后，產(chǎn)生了Na+。Na+在外加電場的作用下向電池片表面移動并富集到減反層，甚至進入到電池發(fā)射極，造成先是表面鈍化減反射膜失效，然后PN結(jié)被破壞，導致PID現(xiàn)象的產(chǎn)生，串聯(lián)電阻增大，并聯(lián)電阻減小，最終導致FF、Jsc、Voc降低，功率衰減，電池EL圖像變暗變黑，開壓下降，意味著PN結(jié)分離電子和空穴的能力降低了。這種情況會造成組件最大功率減小，直接影響組件的發(fā)電效率，減低發(fā)電量，造成經(jīng)濟損失。

目前為了有效降低PID Loss值，主要從電池、組件、系統(tǒng)三個方面來實現(xiàn)。從組件端來看，主要方法是使用特殊玻璃而非普通鈉鈣玻璃和高電阻率的封裝材料做成，但這使得組件的成本大大提高，從工業(yè)生產(chǎn)的角度講，并不是首選方法，另外無邊框的雙波組件在試驗中體現(xiàn)了一定的抗PID特性，因此邊框也是解決PID效應(yīng)的一個考慮因素，而單純依靠材料供貨商提供的抗PID的EVA，PID測試并不能百分百通過；從系統(tǒng)端來看，主要方法是組件邊框接地、逆變器直流段負極接地等；從電池端來看，良好質(zhì)量的硅片源和嚴格的電池片工藝過程控制能有效地降低PID現(xiàn)象，另外關(guān)于抗PID性能研究多數(shù)集中于硅片電阻率、電池方塊電阻、電池氮化硅膜折射率、額外的氧化硅膜等內(nèi)容，其中改變電池片鈍化減反射膜層的工藝是主要研究方向之一。

研究發(fā)現(xiàn)，含Si多的減反層比含N多的減反層更可以抵抗PID現(xiàn)象。當減反層的折射率大于2.2后，PID現(xiàn)象不再被觀察到。有電池工廠在做針對電池和PID的關(guān)系的測試中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，結(jié)論是當折射率大于2.13后，幾乎所有的EVA都能通過PID測試，當折射率小于2.08后，通過PID測試的EVA寥寥無幾。但改變電池減反射層的折射率會降低電池片的發(fā)電效率。

本研究主要內(nèi)容是，結(jié)合產(chǎn)線實際情況，探討鑄錠電阻率、電池擴散方阻、臭氧氧化的親水性、氮化硅膜折射率對電池組件的PID的影響。綜合各個因素，探討在不提高生產(chǎn)成本并且基本不降低效率的情況下，電池產(chǎn)線達到抗PID目的的優(yōu)選方案。

2 實驗部分

電池片的制備是在產(chǎn)業(yè)化的多晶硅電池生產(chǎn)線上進行，用普通 156 mm×156 mm 的自產(chǎn)P型多晶硅硅片。經(jīng)清洗制絨、擴散、刻蝕、和臭氧氧化后，在 PECVD 鍍膜工序采用板式 PECVD 設(shè)備進行鍍膜，隨后正常的絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)，并在 STC 條件（即 AM1.5光譜 輻照為 1000 W/m2，溫度25℃）下進行I-V測試。

采用相同的封裝材料和工藝將電池片封裝成市面上最常見的 60 片PV組件，組件按鋼化玻璃+EVA+電池+EVA+背板疊層層壓并安裝接線盒和鋁合金邊框。其中EVA采用非抗PID的EVA，F(xiàn)806。封裝好后，對實驗組件進行EL和I-V測試（STC條件下），將實驗組件放在Damp Heat實驗條件（85&85%RH）下的環(huán)境實驗箱中，直流電源正極接鋁邊框，負極接組件正極引出端，施加1000V電壓PID實驗持續(xù)96h，取出組件完成 EL和I-V 測試（STC 條件下），與組件初始功率相比，功率衰減5%以內(nèi)合格。

實驗儀器：Halm測試儀、3A級Spire測試儀、1200萬高分辨率沛德EL測試儀、愛斯佩克步入式環(huán)境試驗箱。

3 結(jié)果與分析

3.1 鑄錠電阻率對抗PID效果的影響

為了驗證鑄錠的不同電阻率對組件PID影響，選取電阻率為1.9、3.5、5的鑄錠，制作成電池組件，隨后進行PID測試，結(jié)果如表1所示。

摻雜濃度的變化會導致內(nèi)建電場的變化，從而導致耗盡層寬度的變化。當擴散層做的一樣時，高電阻率會導致結(jié)內(nèi)耗盡區(qū)變寬，導致PID過程有較大的電阻，功率衰減值越小，抗PID效果越好。

目前產(chǎn)線多晶P型硅，摻雜濃度約Na=1016cm-3。

Na為受主雜質(zhì)濃度，Nd為施主雜質(zhì)濃度，ni為本征載流子濃度

空間電荷區(qū)總的來說呈現(xiàn)電中性。空間電荷由電離施主和電離受主組成?？拷黱區(qū)一側(cè)的電荷密度完全由施主濃度決定，靠近p區(qū)一側(cè)的電荷密度完全由受主濃度所決定，總的耗盡層寬度也隨摻雜濃度增大而減小。

雖然電阻率提高，抗PID效率越好，但電阻率高，會引起相應(yīng)的擴散方阻升高，填充下降，相應(yīng)的效率也下降。而且，實際生產(chǎn)過程中，鑄錠的電阻率整體并不是均一的，而是底部電阻率高，頂部電阻率低，頂部和底部的電阻率差異明顯，不能做到嚴格區(qū)分采用相同的電阻率硅片做電池組件。采用不同電阻率的電池片，差異很大的電阻率直接影響著該批電池片的其他電性參數(shù)的一致性。

因此，采用的鑄錠電阻率目標值2.5左右，來滿足既不降低電池片效率又能提高抗PID效果。

3.2 擴散方阻對抗PID效果的影響

為了驗證不同擴散方阻對組件PID影響，選取方阻為95、75、85的電池片做成組件進行PID測試，結(jié)果如表2所示。

方塊電阻反映擴散深度和擴散濃度。摻雜濃度高，結(jié)深，方塊電阻小，反之方阻大。方塊電阻較大時，光伏電池能輸出更高的電壓和電流，因此提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，可以通過優(yōu)化方塊電阻獲得轉(zhuǎn)換效率的提升。但增加方塊電阻會導致串聯(lián)電阻增大、填充因子降低。

優(yōu)化電池效率而采取的增加方阻會使電池片更容易衰減，導致容易發(fā)生PID現(xiàn)象，但現(xiàn)在高效電池的高方阻密柵工藝是提高效率的有效途徑，降低電池片方阻，功率衰減也降低，即降低PID，但也會引起電池效率降低，這是一個矛盾的集合體。

針對印刷三主柵網(wǎng)版，方阻值85或者95都合適，但隨著高效電池印刷四主柵的推廣，方阻值定在95左右，既能制備高效電池片，又能避免PID效應(yīng)。

3.3 鍍膜折射率對抗PID效果的影響

為增強前表面的鈍化效果，一低溫氧化的薄層SiOx薄膜被引入到正面擴散層表面。除了提供鈍化效果，該氧化層還具有一定的抗PID效果。低溫氧化工藝使得增加該工藝步驟所需的成本較低。由于P型晶體硅電池的擴散層是N型導電層，使用目前的SiNx減反射薄膜內(nèi)帶有固定正電荷，能夠起到良好的場鈍化效果，使用SiOx/SiNx薄膜能夠進一步提高界面的介質(zhì)鈍化效果。

采用臭氧發(fā)生裝置，在刻蝕后的硅片表面形成一層SiO2，隨后在板式PECVD，鍍氮化硅膜雙層膜，最終，在硅片前表面形成氧化硅/氮化硅/氮化硅的鈍化層。

對于硅而言，由于硅/氮化硅結(jié)構(gòu)界面應(yīng)力大，且界面態(tài)密度高，懸掛鍵面密度為1015cm-2量級。在硅的表面生長SiO2，大量懸掛鍵能被氧原子飽和，其表面態(tài)密度在1010-1012cm-2量級。

但單純的一層SiO2，不能替代氮化硅膜，也不能保證電池組件通過抗PID測試。

氮化硅薄膜致密性好，抗雜質(zhì)擴散能力強，氮化硅對堿金屬離子的阻擋能力很強，且還有捕獲Na+的作用，是目前所采用的絕緣介質(zhì)膜中對Na+的阻擋作用最強的介質(zhì)薄膜。氮化硅不僅能掩蔽SiO2所能掩蔽的雜質(zhì)，而且能掩蔽SiO2不能掩蔽的雜質(zhì)，如H2O。

氮化硅也不能替代SiO2，當不選用臭氧發(fā)生裝置時，即使折射率調(diào)到2.14，組件端采用抗PID的EVA，依然不能保證全部通過抗PID測試，SiO2為滿足抗PID要求，增加保障。

總的來說，采用氧化硅/氮化硅/氮化硅的結(jié)構(gòu)，可以有效綜合兩種膜的優(yōu)點，得到較好的抗PID效果。

為了驗證不同折射率的前表面鈍化層對電池組件PID的影響，選取折射率2.07、2.10、2.13，制作成的電池組件進行PID測試，結(jié)果如表3所示。

高的Si/N比例，對組件PID有益，功率衰減降低，但折射率在2.13時，效率與生產(chǎn)片相比降低了0.2%左右。

綜合電池效率因素，前表面鈍化層的折射率定在2.10。采用該參數(shù)，生產(chǎn)30萬片實驗電池片，電池效率與生產(chǎn)產(chǎn)線電池片效率持平，實驗組件端封損與生產(chǎn)片持平，同時，組件端反饋無異常色差組件。

選用2.10折射率制作的電池組件，采用非抗PID的EVA，實驗組件的抗PID測試全部合格。

4 結(jié)束語

實驗表明PID現(xiàn)象和鑄錠電阻率、電池擴散方阻、氧化硅/氮化硅膜折射率有密切關(guān)系。選用電阻率2.5左右，擴散方阻95左右，氧化硅/氮化硅膜折射率2.10左右，制備的高效電池片，能避免PID效應(yīng)。

PID現(xiàn)象作為光伏技術(shù)發(fā)展過程中正常出現(xiàn)的一個技術(shù)問題，完全可以通過技術(shù)手段解決，而不會成為阻礙光伏事業(yè)發(fā)展的障礙。而通過解決PID問題，使光伏組件更為可靠，使光伏產(chǎn)業(yè)更能長久地發(fā)展。

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