太陽電池電勢誘導衰減效應表面復合速度機理

馬 遜，李 明，劉祖明，羅 熙，王云峰，徐永鋒，李國良

?

太陽電池電勢誘導衰減效應表面復合速度機理

馬 遜，李 明，劉祖明，羅 熙，王云峰，徐永鋒，李國良

（云南師范大學太陽能研究所，昆明650500）

電勢誘導衰減（potential induced degradation，PID）效應是導致光伏組件輸出效率下降的主要原因之一。為了研究PID太陽電池前表面非平衡載流子復合特性，該論文首先分析PID太陽電池表面能帶及電場變化情況，利用連續(xù)性方程以及電流密度方程建立PID太陽電池表面復合速度SPID與短波內量子效率（internal quantum efficiency，IQE()）之間的數(shù)學模型。其次，通過利用太陽電池常用計算模擬軟件PC1D模擬在不同工藝條件下晶體硅太陽電池IQE()，并且采用所構建的數(shù)學模型計算PID效應太陽電池前表面復合速度SPID，與未發(fā)生PID效應時前表面復合速度S以及-特性曲線進行對比。結果表明，利用短波IQE()測量PID太陽電池前表面復合速度SPID時，波長選擇范圍在310～360 nm之間誤差較小；當太陽電池發(fā)生PID效應，前表面復合速度增大，前表面雜質濃度低、鈍化效果好的太陽電池輸出-特性下降，對鈍化效果差、表面摻雜濃度高的太陽電池輸出-特性影響較小。論文的研究結果為制備抗PID效應組件提供理論基礎。

模型；波長；太陽能電池；PID；前表面復合速度；內量子效率；特性

0 引 言

光伏組件發(fā)生PID（potential induced degradation）效應是造成光伏電站輸出效率衰減的原因之一[1-2]。PID效應又稱電勢誘導衰減，是2005年由Sunpower在SiO2（二氧化硅）鈍化組件發(fā)現(xiàn)的，PID造成光伏電站發(fā)電量衰減最大可達30%以上[3-4]。在電站設計中為了安全考慮，組件邊框接地，由于多塊光伏組件串聯(lián)，因此與玻璃和邊框之間形成了較大的電勢差。組件長期工作在高電壓條件下，電池與玻璃、封裝材料、邊框之間存在漏電流，大量電荷聚集在電池表面，使得電池表面鈍化效果變差。在潮濕、高溫的環(huán)境中，水蒸氣通過封邊硅膠或背板進入組件內部，組件的EVA（乙烯—醋酸乙烯共聚物）水解產生醋酸，醋酸與玻璃表面析出的堿（Na2CO3）反應產生可以自由移動的Na+，電場作用下Na+移動至電池表面，使得組件轉換效率降低，發(fā)生PID效應[5-6]。

光伏組件在高溫、潮濕、外加高電壓的環(huán)境中，導致Na+積累在太陽電池表面，造成入射光面鈍化效果變差，從而造成光伏組件輸出電壓、電流以及最大輸出功率等參數(shù)下降[7]。因此有必要研究PID太陽電池材料前表面復合速度與太陽電池輸出特性之間的關系。Dominik Lausch等分析了當太陽電池發(fā)生PID效應時表面能帶結構的變化[8]，中科院電工所向昱任等[9]研究人員推測發(fā)生PID效應太陽電池中可動電荷Na+對于組件效率的影響同被SiNx（氮化硅）薄膜場鈍化作用所屏蔽的隱性缺陷密切相關，建立了可動電荷數(shù)量與太陽電池輸出效率數(shù)學模型。太陽電池的光生少數(shù)載流子在前表面（入射光面）復合速度大，將造成太陽電池暗電流密度J增大，開路電壓V降低，載流子收集率f減小，短路電流密度J降低，這是造成太陽電池的轉換效率降低的主要原因[10-11]。為了提高太陽電池轉換效率，在工藝上通常采用熱氧鈍化或者等離子體增強化學氣相沉積（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）鈍化來降低其前表面復合速度（S），鈍化效果的好壞通過測量太陽電池短波太陽電池內量子效率（internal quantum efficiency，IQE）進行檢驗[12-13]。通過研究已有的利用短波波長IQE()測量太陽電池前表面復合速度S的模型[14-16]，發(fā)現(xiàn)沒有適用于發(fā)生PID效應情況下的前表面復合速度的模型。

為了研究太陽電池發(fā)生PID效應后，其前表面復合速度的變化以及對太陽電池輸出特性的影響，獲得PID效應太陽電池前表面非平衡載流子復合特性相關信息，本文將利用太陽電池載流子連續(xù)性方程以及電流密度方程建立PID太陽電池前表面復合速度SPID與短波內量子效率IQE()之間的數(shù)學模型。

1 理論分析

1.1 PID太陽電池n區(qū)短路電流密度模型

本論文研究產生PID效應的晶體硅太陽電池結構為npp+型，前表面復合速度即研究光生空穴在區(qū)表面的復合速度S。利用短波照射太陽電池，光生載流子主要產生在發(fā)射區(qū)（區(qū)），所收集到的光生電流可近似認為是由發(fā)射區(qū)光生空穴提供。以穩(wěn)態(tài)電流密度連續(xù)性方程與電流密度方程式為基礎，可以得到發(fā)射區(qū)空穴的分布情況，再利用邊界條件即可求出PID太陽電池發(fā)射區(qū)光生空穴提供的電流密度。

由于Na+存在SiNX/Si界面處，且?guī)д?，因此表面感應等量負電荷，當界面附近的Na+數(shù)量增加時，可使界面態(tài)密度有明顯增加。由于晶體硅太陽電池區(qū)表面存在受主表面態(tài)，可以提供與Na+等量的負電荷。如果視體內為電勢零點，表面勢V<0，能帶將向上彎曲，形成表面勢壘，表面能帶如圖1所示[17]。如果表面態(tài)數(shù)量夠多，使得Si表面附近很薄的區(qū)域內空穴濃度高于電子濃度，表面變?yōu)樾蚚18]。同時，表面處產生由體內指向表面的電場E，方向與內建電場E相反，該表面電場將阻礙光生空穴Δ被-結的收集，使得表面復合速度增大，空穴的擴散長度減小。

注：ES為表面電場，Ein為p-n結內建電場，EF為費米能級，Ei為本征費米能級。

PID太陽電池表面存在電場E，令SiNx薄膜與Si樣品接觸面為原點，為距原點的距離，()為前表面處任意一點電勢，因此前表面泊松方程求解如（1）式。

式中為電荷密度，C/cm3，ε為材料的相對介電常數(shù)，0為真空中介電常數(shù)，數(shù)值為8.854×10-12F/m。積分一次后，得到距表面處任意一點的電場強度，如式（2）所示。

其中V為表面電勢，V，其表達式為

式中0為玻耳茲曼常數(shù)，數(shù)值為1.38×10-23J/K；為絕對溫度，K；為電子電量，數(shù)值為1.602×10-19C；n為本征載流子濃度，1/cm3；N是太陽電池區(qū)的摻雜濃度，1/cm3；n0，p0分別為表面處電子和空穴的濃度，cm-3，大小與表面處電勢V有關，如式（4）所示。

由于表面電場E的方向與-結內建電場E方向相反，因此E將阻礙光生載流子向-結區(qū)運動，從而造成太陽電池電特性衰減。PID太陽電池距表面處非平衡少數(shù)載流子的濃度可利用聯(lián)系性方程式（5）描述。

式中Δ()為非平衡載流子濃度，1/cm3；D為區(qū)空穴擴散系數(shù)，cm2/s；μ為區(qū)空穴遷移率，cm2·V/s；E為表面電場，V/m；τ為空穴壽命，s；N為入射光子數(shù)通量，cm-3；為太陽電池表面反射率，%；為材料吸收系數(shù)，cm-1。該方程的特解形式為

式中

式中L為空穴在區(qū)的擴散長度，m。求解待定系數(shù)和需要2個邊界條件。

考慮太陽電池短路情況下，邊界條件可以表示為

SPID為PID太陽電池前表面非平衡載流子復合速度，cm/s；x為區(qū)的厚度，m。通過求解邊界條件得到、值，代入式（6）得到區(qū)任意一點非平衡載流子濃度Δ()的值，再代入電流密度方程式可以得到在短路情況下，區(qū)空穴電流密度J見式（8）。

1.2 利用太陽電池內量子效率（IQE）測量PID太陽電池前表面復合速度模型

量子效率（quantum efficiency，QE）是描述太陽電池對不同能量光子的響應能力，常用于研究太陽電池及其材料的內在特性。考慮表面反射的影響又分為外量子效率（external quantum efficiency，EQE）和內量子效率IQE。研究表明，PID效應光伏組件在400～600 nm波段EQE降低，而800～1100 nm波段EQE未受影響[19]。太陽電池的內量子效率IQE是消除太陽電池的表面反射的影響，如式（9）所示。通過測量太陽電池IQE隨波長的變化IQE()，可以了解光生載流子在基區(qū)的擴散長度[20-21]、表面復合速度[22-23]、-結收集幾率[24-26]以及其他相關參數(shù)[27-29]。

式中J()為波長單色光照射時太陽電池短路電流密度，A/cm2；N()為波長單色光的光子數(shù)通量。由于太陽電池的短路電流密度J()是由區(qū)的空穴電流密度J()、區(qū)的電子電流密度J()和勢壘區(qū)電流密度J()構成。短波單色光照射太陽電池，由于太陽電池對短波光子吸收系數(shù)較大，因此光生載流子主要產生在入射光前表面，即區(qū)附近，此時太陽電池短路電流密度可以近似認為全部由區(qū)空穴電流密度J()組成。

將式（8）代入式（9）可以得到利用短波單色光照射PID太陽電池前表面復合速度SPID與IQE()的數(shù)學模型，如式（10）所示。

對于特定樣品來說，在一定波長單色光入射條件下，樣品吸收系數(shù)，空穴的擴散系數(shù)D，遷移率μ，結深j以及L(E)為已知條件。通過利用量子效率測試儀測量樣品短波內量子效率IQE()，可以利用式（10）計算太陽電池前表面復合速度SPID值。

2 結果與分析

2.1 模擬樣品材料與條件

本文所選用的型組件，即單晶體硅片為（100）型CZ單晶硅片，面積為100 mm×100 mm，材料少數(shù)載流子壽命為7.2s，摻雜濃度N為1.5×1016/cm3。制作步驟按照常規(guī)工業(yè)化晶體硅太陽電池工藝，分別采用恒定源POCl3液態(tài)源進行擴散，鍍SiNX鈍化減反射膜且制作鋁背場，摻雜濃度N為1×1020/cm3。為了研究太陽電池發(fā)生PID效應前、后，其前表面復合速度變化對太陽電池輸出特性的影響，本文利用太陽電池常用模擬軟件PC1D[30]模擬不同擴散條件以及鈍化條件下樣品具有的發(fā)射區(qū)（區(qū)）雜質濃度N以及前表面復合速度S，并且得到在不同擴散及鈍化條件下樣品的輸出電特性參數(shù)，見表1。

太陽電池樣品1具有低表面摻雜濃度以及低表面復合速度；樣品2具有低表面摻雜濃度，但其表面復合速度相比樣品1有所增加；樣品3表面摻雜濃度高于樣品1與樣品2，前表面復合速度與樣品2近似；樣品4具有低表面雜質濃度，但表面復合速度高于其他3個樣品。對于表面雜質濃度是根據(jù)絲網印刷電極晶體硅太陽電池組件，為了使電極金屬材料與硅半導體表面接觸電阻率足夠小，同時兼顧減少磷擴散發(fā)射區(qū)高摻雜效應引起的非平衡少數(shù)載流子復合，通常期望磷擴散區(qū)的表面濃度在1020～1021cm-3范圍。這4類樣品的設計參數(shù)代表了商業(yè)化太陽電池常見的表面雜質濃度與前表面復合速度。

表1 太陽電池樣品參數(shù)與輸出電特性參數(shù)

從表1中樣品輸出電特性參數(shù)可以看出，當太陽電池沒有發(fā)生PID效應前，由于樣品1的前表面雜質濃度和前表面復合速度均低于其他3個樣品，因此樣品1的轉換效率、開路電壓V以及短路電流I高于其他3個樣品。樣品3的前表面雜質濃度高于其他3個樣品，前表面復合速度小于樣品4，測量后得到樣品3的轉換效率、開路電壓V以及短路電流I值是最小的。因此，在沒有發(fā)生PID效應前，太陽電池的轉換效率、開路電壓以及短路電流主要由前表面雜質濃度決定。

PID試驗設計型組件在雙85條件（溫度85 ℃，濕度85 %）下外接反向電壓1000 V，即組件正負極短接后接入外加電源負極，邊框接入電源正極，72 h后組件發(fā)生PID效應。

2.2 結果與分析

利用PC1D模擬入射單色光在300～380 nm波段下PID太陽電池樣品IQE()值，見表2。

表2 PID效應太陽電池樣品短波內量子效率IQE(λ)

將表2中各樣品在300～380 nm波段下的IQE()模擬值代入式（10）計算得到樣品前表面復合速度SPID，并與沒有發(fā)生PID效應時前表面復合速度S進行對比，結果見圖2。

a. 樣品1

a. Sample 1

b. 樣品2

b. Sample 2

c. 樣品3

c. Sample 3

d. 樣品4

d. Sample 4

注：SPID為發(fā)生PID效應后前表面復合速度，S為沒有發(fā)生PID效應前表面復合速度。

Note:SPIDrepresents surface recombination velocity of samples after PID test,Srepresents surface recombination velocity of samples before PID test.

圖2 樣品PID效應前后表面復合速度

Fig.2 Surface recombination velocity of samples before and after PID test

從圖2計算結果看出，無論表面雜質濃度高低以及表面鈍化效果好壞，當太陽電池發(fā)生PID效應后其前表面復合速度SPID比沒有發(fā)生PID效應前表面復合速度S增大102倍。從圖2看出利用310~360 nm波段的IQE()值計算得到的SPID值較為穩(wěn)定，計算結果變化范圍小于6%。入射單色光波長在300～310 nm時，樣品1測量結果波動大于其他3個樣品。本文推斷這是由于短波光子能量高，其中一部分光子被材料吸收產生光生載流子，另一部分光子被材料吸收釋放聲子，即加強晶格熱振動，造成短波光子損失[12]，因此使得測量結果隨波長變化大于310～360 nm波段測量結果的變化范圍。

當入射單色光波長大于360 nm，利用式（10）計算得到的SPID值變化范圍大約20%～200%。這是由于短波光子主要產生在前表面，前表面復合速度的大小對IQE()影響較大，隨著入射單色光波長的增加，吸收系數(shù)降低光子被樣品吸收的位置逐漸向結結區(qū)靠近，甚至進入區(qū)，此時如果太陽電池短路電流密度仍然用區(qū)空穴電流密度計算將會造成誤差，因此當入射單色光波長大于360 nm以后，計算結果波動范圍變大。波長大于360 nm計算得到的SPID值隨波長的變化本文不作討論。

由圖2可以看出，樣品1和樣品2在310～360 nm波段范圍內隨著波長增加，SPID的計算結果略有所下降，而樣品3與樣品4在相同波長范圍內SPID略有所上升。本文分析認為這是由于樣品1和樣品2具有較低的前表面雜質濃度，雜質在前表面區(qū)域幾乎完全電離。當發(fā)生PID效應后，樣品前表面電場s完全由表面態(tài)上的受主電荷提供。從表2模擬結果看出，隨著入射單色光波長增加，樣品吸收系數(shù)減小，IQE()值增大，由式（10）看出在其他參數(shù)不變的情況下，計算SPID值隨波長增大而降低，結果如圖3a、3b。樣品3前表面雜質濃度高，雜質在樣品前表面不能完全電離，將產生與前表面電場s方向完全相同的衰退電場，在這種情況下可以近似認為樣品3的前表面電場s強度增強，光生空穴在此區(qū)域的有效擴散長度降低。樣品4前表面復合速度大于其他3個樣品，可以認為樣品4受主表面態(tài)上的電荷數(shù)量多，造成前表面電場s強度增強，致使光生空穴在前表面區(qū)域有效擴散長度降低。因此，對于樣品3和樣品4，隨著波長增加，樣品吸收系數(shù)減小，IQE()值增大，與樣品1和樣品2不同的是前表面電場s強度增強，從式（10）計算得到SPID值隨波長增長而略增大。

為了研究不同參數(shù)太陽電池發(fā)生PID效應后，輸出電流-電壓（incurrent-voltage，-）特性的變化，本文將式（10）計算得到的SPID值代入PC1D程序，與沒有發(fā)生PID效應前輸出電特性參數(shù)與-特性曲線進行對比，結果如表3與圖3。

表3 太陽電池發(fā)生PID效應后輸出電特性參數(shù)

注：1PID~4PID代表樣品1~樣品4發(fā)生PID效應后的電特性參數(shù)。

Note: 1PID-4PIDrepresents the output characteristics of samples of 1-4 after PID effects.

從表2可以計算得到，發(fā)生PID效應后，樣品1短路電流下降8.1%，開路電壓下降1.15%，最大輸出功率下降8.9%；樣品2短路電流下降約2.2%，開路電壓下降約0.22%，最大輸出功率下降3.13%。樣品3發(fā)生PID效應前、后的輸出電特性參數(shù)沒有變化。樣品4短路電流下降約0.21%，開路電壓下降約0.05%，最大輸出功率下降0.59%。

本文分析，這是由于樣品1前表面摻雜濃度以及前表面復合速度較低，當發(fā)生PID效應后，Na+沉積在SiNX/Si界面處。研究表明，當組件發(fā)生PID效應，電致發(fā)光（electroluminescence，EL）圖像顯示某些點處少數(shù)載流子擴散長度降低[31]，說明PID效應造成太陽電池界面態(tài)密度增加，鈍化效果惡化。因此樣品1發(fā)生PID效應后飽和電流密度D增加，導致開路電壓V、短路電流I以及最大輸出功率m下降。

樣品2發(fā)生PID效應后，開路電壓變化不明顯，這是由于樣品2前表面復合速度S為1.5×105cm/s，前表面復合速度大小標志著前表面未飽和懸掛鍵密度的多少，在樣品沒有發(fā)生PID效應前，其前表面懸掛鍵已經被電子填滿，形成電子勢壘。發(fā)生PID效應后，SiNX/Si界面處由于Na+沉積引起的負電荷與PID效應產生的Na+中合，使得Na+產生的負電荷減少[32-33]。因此樣品2發(fā)生PID效應后，前表面復合速度增加并未造成暗電流密度J增大，因此開路電壓V沒有變化；此外，樣品2前表面摻雜濃度較低，發(fā)生PID效應后，Na+沉積在界面處，增加前表面雜質濃度。經查詢文獻得知，利用飛行時間二次質譜分析（time of flight secondary ion mass spectrometry，TOF-SIMS）表明Na+積累在SiNX與Si的界面處并形成一個峰值，Na+主要沉積在（111）晶面層錯上，密度大約為6×1014cm-2 [34-35]。雜質濃度增大造成樣品短路電流降低，最大輸出功率以及轉換效率也均有所下降。

a. 樣品1 a. Sample 1b. 樣品2b. Sample 2 c. 樣品3c. Sample 3d. 樣品4d. Sample 4

樣品3具有較高前表面摻雜濃度，雜質濃度分布偏離余誤差或者高斯函數(shù)分布，該區(qū)域內光生載流子收集幾率f非常小，接近為0。當發(fā)生PID效應后，雖然表面復合速度增大，但光生載流子在前表面的收集幾率并未發(fā)生變化，其值接近于0，因此發(fā)生PID效應前后樣品短路電流、開路電壓以及轉換效率等輸出電特性幾乎沒有改變。

樣品4有較高前表面復合速度，表面懸掛鍵形成的電子勢壘可以完全屏蔽PID效應中Na+沉積的影響，因此PID效應后幾乎不改變樣品開路電壓。但是，樣品4發(fā)生PID效應后，Na+沉積增大前表面雜質濃度，使得樣品短路電流略有所下降。

從圖3可以看出，PID效應對表面鈍化效果較好且表面雜質濃度較低的太陽電池輸出電流-電壓特性影響較大，如樣品1；而對于鈍化效果較差但表面雜質濃度較低的太陽電池，前表面處形成的電子勢壘可以部分或者完全屏蔽PID效應中Na+沉積的影響，因此當發(fā)生PID效應時對開路電壓影響不大，而對短路電流有一定影響，如樣品2和樣品4；對于前表面雜質濃度較高的太陽電池，無論其前表面鈍化效果優(yōu)劣，光生載流子在此區(qū)域收集幾率非常低，發(fā)生PID效應后，對太陽電池輸出電流-電壓特性幾乎沒有影響，如樣品3。

3 結 論

本論文針對晶體硅太陽電池發(fā)生PID效應后，光生載流子在前表面復合速度以及太陽電池輸出電流-電壓特性變化進行了研究。通過分析PID太陽電池SiNX/Si界面處能帶結構的改變，利用泊松方程和載流子連續(xù)性方程建立了適用于PID太陽電池內量子效率IQE()與表面復合速度SPID的數(shù)學模型。利用該數(shù)學模型與PC1D軟件模擬相結合的方法，研究不同前表面雜質濃度與不同前表面復合速度太陽電池樣品發(fā)生PID效應后，前表面復合速度的變化以及太陽電池輸出電流-電壓特性的變化。得到如下結論：

1）發(fā)生PID效應的樣品前表面復合速度SPID比相同工藝條件下沒有發(fā)生PID效應樣品表面復合速度S增大，這是由于Na+存在SiNX/Si界面處，使界面態(tài)密度增加，前表面復合速度增大102倍；

2）PID效應對鈍化效果好、表面雜質濃度低的太陽電池影響最為嚴重，如樣品1，短路電流下降8.1%，開路電壓下降1.15%，最大輸出功率下降8.9%。對于前表面鈍化效果差的太陽電池，如樣品2和樣品4，發(fā)生PID效應后，短路電流下降約0.2%～2.2%，開路電壓下降約0.05%～0.2%，最大輸出功率下降0.6%～3.13%。對于前表面雜質濃度高的樣品，如樣品3，發(fā)生PID效應前后，輸出電特性參數(shù)與電流-電壓特性曲線沒有變化。

本文獲西南地區(qū)可再生能源研究與開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心（05300205020516009）和云南省可再生能源研究創(chuàng)新團隊的資助，在此致以誠摯的感謝。

[1] 何登虎，曹向武，韓沖，等. 薄膜太陽電池組件PID影響研究[C]//第十四屆中國光伏大會暨2014中國國際光伏展覽會論文集. 北京，2014：211－216.

He Denghu, Cao Xiangwu, Han Chong, et al. Potential induced degradation study on thin film PV modules[C]//14th China Photovoltaic Conference, Bei Jing, 2014: 211－216. (in Chinese with English abstract)

[2] 肖慧萍，周浪，曹家慶，等. 多晶體硅太陽電池的PID效應研究[J]. 江西化工，2015，12(1)：77－78. Xiao Huiping, Zhou Lang, Cao Jiaqing, et al. Study on the phenomenon of potential induced degradation of polycrystalline silicon solar cells[J]. Jiangxi Chemical Industry, 2015, 12(1): 77－78. (in Chinese with English abstract)

[3] Nagel H , Metz A，Wangemann K. Crystalline Si Solar Cells and Modules Featuring Excellent Stability Against Potential-induced Degradation[C]// 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, September 2011, Hamburg, Germany.

[4] 曾雪華，張志根，蔣建平，等. PID效應及影響因素[J]. 太陽能，2013，24(3)：25－30.

Zeng Xuehua, Zhang Zhigen, Jiang Jianping, et al. Study on potential induced degradation of PV modules[J]. Solar Energy, 2013, 24(3): 25－30. (in Chinese with English abstract)

[5] 葛云華. 基于光伏組件電位誘發(fā)功率衰減的研究[D]. 長春：吉林大學，2013.

Ge Yunhua. Study on Potential Induced Power Attenuation Based on PV Module[D]. Changchun: Jilin University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[6] Goranti S, TamizhMani G. Potential induced degradation study on accelerated stress tested PV modules[C]// 2012 38th IEEE in Photovoltaic Specialists Conference//Spain, 2010, 124－127.

[7] Hara K, Jonai S, Masuda A. Potential-induced degradation in photovoltaic modules based on n-type single crystalline Si solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2015, 140(2): 361－365.

[8] Dominik Lausch, Volker Naumann, Andreas Graff, et al. Sodium out diffusion from stacking faults as root cause for the recovery process of potential-induced degradation (PID)[J]. Energy Procedia, 2014, 55: 486－493.

[9] 向昱任，周春蘭，王文靜. 太陽電池PID現(xiàn)象的數(shù)值模擬分析[J]. 太陽能學報，2015，36(6)：1517－1521.

Xiang Yiren, Zhou Chunlan, Wang Wenjing. Numerical simulation of potential induced degradation in silicon solar cell[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2015, 36(6): 1517－1521. (in Chinese with English abstract)

[10] Van Sark W, Meijerink A, Schropp R E. Modeling improvement of spectral response of solar cells by deployment of spectral converters containing semiconductor nanocrystals[J]. Semiconductors, 2004, 38(8): 962－969.

[11] Kittidachachan P, Markvart T, Bagnall D M, et al．A detailed study of p-n junction solar cells by means of collection efficiency[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2007, 91(9): 160－166.

[12] Sivoththaman S, Rodot M, Sarti D, et al. Spectral response and dark I-V characterization of polycrystalline Si solar cells with conventional and selective emitters[J]. 23rd IEEE PVSC, USA: Louisville, 1993: 122－126.

[13] 趙富鑫，魏彥章. 太陽電池及其應用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1985：1－9，186－209.

[14] Sharma A K, Agarwal S K, Singh S N, et al．Determination of front surface recombination velocity of silicon solar cells using the short-wavelength spectral response[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2007, 91(6): 1515－1520.

[15] Mackel H, Cuevas A. The spectral response of the open-circuit voltage: A new characterization tool for solar cells[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2004, 81(6): 225－237.

[16] Uematsu T, Nagata T, Ohtsuka H, et al. Characterization of surface recombination velocity at Si solar cell surface under high injection level[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 1994, 34(6): 169－174.

[17] 葉良修. 半導體物理學：2版[M]. 北京：高等教育出版社，2007，342－347.

[18] Hara K, Jonai S, A Masuda. Potential-induced degradation in photovoltaic modules based on n-type single crystalline Si solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2015, 140(4): 361－365.

[19] Naumann V, Lausch D, Grober S, et al. Microstructural analysis of crystal defects leading to PID of Si solar cells[J]. Energy Procedia, 2013, 33(6): 76－83.

[20] Wawer P, Rochel M. Unambiguous distinction between diffusion length and surface recombination velocity of solar cells at different excitation levels[J]. Journal of Applied Physics, 1999, 85(11): 7764－7767.

[21] Masafumi Y, Tatsuya T. Analysis of the anomalous spectral response of InP solar cells induced by high fluence proton irradiation[J]. Journal of Applied Physics, 1997, 81(3): 1116－1119.

[22] Matinescu R, Tazlauanu M. The spectral response of BSF silicon solar cells fabricated through masked on implantation[J]. IEEE Electron Device Letters, 1983, 4(6): 164－166.

[23] Van Sark W, Meijerink A, Schropp R E. Modeling improvement of spectral response of solar cells by deployment of spectral converters containing semiconductor nanocrystals[J]. Semiconductors, 2004, 38(8): 962－969.

[24] Kittidachachan P, Markvart T, Bagnall D M, et al. A detailed study of p-n junction solar cells by means of collection efficiency[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2007, 91(9): 160－166.

[25] Vishnu G, Sudha G. Effect of dislocations on the zero-bias resistance-area product, quantum efficiency, and spectral response of LWIR HgCdTe photovoltaic detectors[J]. IEEE Transctions on Electron Devices, 2003, 50(5): 1220－1225.

[26] Keevers M J, Green M A. Absorption edge of silicon from solar cell spectral response measurements[J]. Applied Physics Letter, 1995, 66(2): 174－176.

[27] Sommeling P M, Rieffe H C, Roosmalen J A M. Spectral response and I-V characterization of dye-sensitized nanocrystalline TiO2solar cells[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2000, 62(3): 399－410.

[28] Cabanillas G J, Yeates S, Bradley D, et al. Solar cells from thermally treated polymer/dye blends with good spectral coverage[J]. Synthetic Metals, 2003, 139(2): 637－641.

[29] Wataru K, Ayumi S, Takayuki K. Dye-sensitized solar cells：Improvement of spectral response by tandem structure[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2004, 164(2): 33－39.

[30] 鄒凱，和江變，李建，等. 物理冶金多晶硅太陽電池疊層鈍化減反射結構模擬[J]. 電子元件與材料，2015，34(6)：28－32.

Zou Kai, He Jiangbian, Li Jian, et al. Simulation on stack-layer passivation antireflection structure of metallurgical grade silicon solar cells[J]. Electronic Components and Materials, 2015, 34(6): 28－32. (in Chinese with English abstract)

[31] Naumann V, Hagendorf C, Grosser S, et al. Micro structure root cause analysis of potential induced degradation in c-Si solar cells[J]. Energy Procedia, 2012, 27(3): 1－6.

[32] Osenbach J W, Voris S S, Sodium diffusion in plasma deposited amorphous oxygen-doped silicon nitride (a·SiON:H) films[J]. Journal of Applied Physics, 1988, 63(9): 4494－4500.

[33] Naumann V, Lausch D, Graft A, et al. The role of stacking faults for the formation of shunts during potential-induced degradation of crystalline Si solar cells[J]. Physica Status Solidi-Rapid Research Letters, 2013, 7(5): 315－318.

[34] Naumann V, Lausch D, Hahne A, 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 and Solar Cells, 2014, 120(9): 383－389.

[35] Sohutze M, Junghanel M, Koentopp M, et al. Laboratory study of potential induced degradation of silicon photovoltaic module[C]//37th IEEE in Photovoltaic Specialists Conference, Seattle, Washington, USA, 2011: 236－239.

Mechanism of front surface recombination velocity of solar cell with potential-induced degradation (PID) effect

Ma Xun, Li Ming, Liu Zuming, Luo Xi, Wang Yunfeng, Xu Yongfeng, Li Guoliang

(650500,)

Potential-induced degradation (PID) is one of the most important and prominent module degradation mechanisms leading to significant yield losses. It was shown that Na decorated stacking faults at the SiNX/Si interface region are responsible for the mechanism of increasing non-saturation hanging states density at the front surface. In order to investigate the characteristics of recombination of non-equilibrium minority carriers at the front surface, the paper analyzes the band gap structure and electrical field at surface of solar cells material after PID test, and then deduces the model of front surface recombination velocityby measuring internal quantum efficiency (IQE) of solar cells under short wavelength monochromatic light, which is derived by Poisson equation, and continuity equation and current density equation of semiconductor physics. For the certain sample, the parameters of the materials are known, such as absorbance coefficient, and hole diffusion coefficient, and-junction depth, and hole diffusion length, which is modified by electrical field at front surface. And then, the front surface recombination velocityof the samples after PID test is calculated by the IQE model, which is measured by QE (quantum efficiency) equipment. In this paper, the experiment is carried out at the-type base region with (100)type CZ monocrystalline silicon, whose impurity density is 1.5×1016cm-3, minority carrier lifetime is 7.2s, and area is 100 mm × 100 mm. The samples are prepared using constant source for the POCl3diffusion, which is followed by plating SiNXas passivation and anti-reflection film. The last procedure is printing aluminum slurry at the back surface of samples as black electric field, where impurity densityis 1×1020cm-3. At the same time, different diffusion conditions and front surface velocity are simulated by PC1D software, in order to study the influencing mechanism of impurity and velocity at front surface of samples after PID test. And then, the front surface recombination velocity of the samples is calculated and compared with the samples which are PID-free, which shows that the values of surface recombination velocityare more reliable when using wavelengths in range of 310-360 nm than other wavelengths. Additionally,-characteristics of the samples before and after PID test are simulated by PC1D. It is obvious that the output characteristics of the sample 1, which has good passivation and low front surface velocity, are degraded most seriously after PID test than others. It is assumed that Na ions drift through the SiNx layer under the influence of a strong electric field and increase the impurity density at front surface, which leads to-characteristics degradation. For the sample 2 and the sample 4, which have poor passivation and low impurity density at front surface, electron barrier at front surface region can reduce the impacts from Na ions. Correspondingly, the open circuit voltage of these samples has few effects, however short circuit current of the samples is decreased. The result of the sample 3 shows that PID has little influence on the output electric characteristics of solar cell with higher impurity density at front surface, whether the passivation condition is good or not. In general, the experiments indicate that surface recombination velocityof PID solar cells is higher than that of PID-free, and-characteristics of solar cells, which have good passivation conditions and low front surface recombination velocity, are deteriorated, however, PID has few effects on the solar cells with the poor passivation conditions and high front surface recombination velocity.

models; wavelength; solar cells; PID; front surface recombination velocity; internal quantum efficiency;-characteristics

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.021

TK514

A

1002-6819(2017)-18-0157-08

2017-01-02

2017-08-07

云南省科技計劃面上項目“光伏組件PID效應與熱斑效應機理研究”（2017FB089）

馬 遜，女，云南昆明人，博士，講師，主要從事太陽能光伏系統(tǒng)相關研究工作。昆明 云南師范大學太陽能研究所，650500。Email：maxun80313@126.com