晶體硅太陽能電池片老化特性研究

付 明，周 洪，華鍇瑋，汪小紅，范 琳

?

晶體硅太陽能電池片老化特性研究

付 明1,2，周 洪1,2，華鍇瑋1,2，汪小紅1,2，范 琳3

（1. 華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 華中科技大學(xué) 教育部信息功能材料重點實驗室（B類），湖北 武漢 430074；3. 武漢優(yōu)樂光電科技有限公司，湖北 武漢 430206）

利用鋁背場材料水煮特性的差異性，對4種鋁背場多晶太陽能電池片的水煮特性進行了研究，詳細分析了4種不同鋁背場電池片老化特性（冷-熱循環(huán)特性和濕熱特性）與水煮特性的關(guān)系，同時也探討了單晶與多晶電池片老化特性的差異性。結(jié)果表明：鋁背場水煮特性較好的電池片表現(xiàn)出較好的濕熱老化特性，但電池片的冷-熱循環(huán)老化特性與其水煮特性無直接關(guān)系；單晶電池老化特性略優(yōu)于多晶，且冷-熱循環(huán)約40周后電池效率衰減基本穩(wěn)定，濕熱老化450~500 h后電池效率衰減基本穩(wěn)定。

太陽能電池；鋁背場；水煮特性；冷-熱循環(huán)特性；濕熱特性；晶體硅

近年來，太陽能光伏應(yīng)用發(fā)展迅速，截止2016年底，全球光伏裝機量高達77.42 GW，在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例逐漸上升。然而，在快速發(fā)展的同時，太陽能電池的可靠性存在著較大的隱患，主要表現(xiàn)為兩種形式，一種是非太陽能電池片部分的老化，如封裝材料、互連材料、玻璃蓋板等材料的老化或損壞；另一種是太陽能電池片部分的老化，如p-n結(jié)內(nèi)的漏電現(xiàn)象、表面與界面處的缺陷增多等。為了研究太陽能電池在溫度反復(fù)變化下而引起的熱失配、疲勞和其他應(yīng)力的影響，以及在熱帶地區(qū)長期高溫高濕下的濕氣滲透能力。黃小融等[1]研究了冷-熱循環(huán)條件下CdS/CdTe太陽能電池的穩(wěn)定性，研究表明，25次冷-熱循環(huán)后轉(zhuǎn)換效率衰減2%。Ketola和Norris[2]研究了封裝材料EVA對電池組件的濕熱老化影響，結(jié)果表明，濕熱時間的增加會加劇電池組件功率衰減，濕熱7000 h后電池組件功率衰減高達80%以上。目前，對于太陽能電池組件的老化研究已頗有成果[3-4]，電池片作為太陽能電池組件的關(guān)鍵部件，對其本身的老化研究卻相對較少。電池片的鋁背場容易與水發(fā)生反應(yīng)，鋁背場的水煮特性（水煮試驗）對電池的老化有一定影響，水煮特性也是電池片的可靠性指標之一。因此，本文參考GB/T 9535-2005/IEC 61215-2005標準[5]中關(guān)于太陽能電池組件老化的冷-熱循環(huán)試驗[6-7]和濕熱試驗[8-9]方法，分別選用4種不同鋁背場水煮特性的多晶硅與單晶硅電池片，詳細地探索了晶體硅太陽能電池片的老化特性。

1 試驗方法

1.1 電池片制作

選取尺寸為6英寸（15.24 cm）1/9大小的多晶硅片和5英寸（12.7 cm）1/4大小的單晶硅片，經(jīng)清洗、制絨、擴散、刻蝕和鍍減反射膜制作初步的電池片，其電池的方阻為80 Ω/□。再利用4種不同水煮特性的鋁背場漿料（編號分別為AL-1、AL-2、AL-3、AL-4），用相同的背銀和正銀電極，經(jīng)絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)工藝制作出多晶硅電池片，類似地，用AL-1類型鋁漿與相同的背銀和正銀電極制作單晶電池片。其中印刷網(wǎng)版為360目（40 μm），柵線寬度為80 μm，9溫區(qū)紅外隧道燒結(jié)爐的各溫區(qū)設(shè)置分別為：320，340，350，520，570，610，650，790和900℃，燒結(jié)爐傳送帶速度為6.1 m/min[10]。

1.2 水煮試驗

將4種不同鋁背場的多晶硅電池片同時放入80℃的數(shù)顯恒溫水浴鍋中，記錄電池片水煮40 min過程中，鋁背場產(chǎn)生氣泡、脫粉以及網(wǎng)帶印的時間，并觀察水煮后電池片的外觀和測試其電學(xué)性能。

1.3 冷-熱循環(huán)試驗

在所制備的4種多晶硅及單晶硅電池片中，每組各自取8片，再根據(jù)GB/T 9535-2005/IEC 61215-2005中的冷-熱循環(huán)試驗條件進行冷-熱循環(huán)試驗，在相對濕度小于60%的情況下，電池片放置在minicool型高低溫試驗箱中，在 (–40±2)℃和(85±2)℃溫度之間不斷循環(huán)，并保證在兩個極端溫度的保持時間15 min，一次循環(huán)約4 h。每循環(huán)5次取出樣品進行電性能測試。

1.4 濕熱試驗

濕熱試驗也稱雙85試驗，基于GB/T 9535-2005/ IEC 61215-2005中的濕熱試驗條件下，類比冷-熱循環(huán)試驗，每組各選取8片電池片，將其置于85℃，85%RH的恒溫恒濕試驗箱中，每濕熱50 h取出進行電性能測試。

1.5 性能表征

電池性能測試用電池綜合參數(shù)測試儀（型號：GSCT-B）在溫度為25℃，光照強度為0.1 W/cm2下進行測試，分析太陽能電池老化前后轉(zhuǎn)換效率ff、填充因子FF、開路電壓oc、短路電流sc、串聯(lián)電阻s、并聯(lián)電阻sh等重要參數(shù)的變化；同時使用電致發(fā)光(EL)測試儀測試太陽能電池在不同老化時間的EL特性[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同鋁背場多晶硅電池片的水煮特性

4種不同鋁背場多晶硅電池片的水煮變化狀況如表1所示，從表1中可發(fā)現(xiàn)，AL-1、AL-2兩種電池片在水煮過程中出現(xiàn)氣泡、脫粉、網(wǎng)帶印的時間比較接近，水煮40 min后這兩種電池片呈現(xiàn)出較明顯的網(wǎng)帶印，而AL-3電池片水煮時發(fā)生反應(yīng)的時間較長，水煮30 min后才發(fā)生反應(yīng)，水煮后的網(wǎng)帶印也很淺；AL-4電池片表現(xiàn)最好，整個水煮過程中都沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其水煮后的外觀如圖1所示，可直觀地看出4種電池片水煮性能由好到差為AL- 4、AL-3、AL-1、AL-2。水煮試驗反應(yīng)出鋁背場的濕熱穩(wěn)定性，水煮時鋁背場的化學(xué)反應(yīng)如下：

表1 4種太陽能電池水煮試驗中外觀變化表

Tab.1 Appearances of different solar cells in boiling test

2Al(s)+6H2O(l)→2Al(OH)3(s)+3H2(g)-

用于制作鋁背場的鋁漿是由鋁粉、玻璃粉和有機載體等組成的，4種鋁漿的不同之處在于玻璃粉不同，玻璃在電池?zé)Y(jié)過程中起助熔和形成牢固鋁膜的作用，因此，4種鋁背場的致密性和鋁膜的氧化程度不同。致密度較差和氧化不夠的鋁膜，水煮時水分子易透過間隙，與鋁顆粒發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氣泡，并脫粉，隨后鋁背場表面逐漸形成網(wǎng)帶印。可見，電池片在燒結(jié)時，鋁膜表面的氧化程度和致密度等因素對鋁背場的水煮特性有直接的影響，鋁背場耐水煮特性好，說明鋁膜的穩(wěn)定性好。

圖1 4種太陽能電池水煮試驗后外觀圖

表2反映出電池片水煮前后電學(xué)性能變化，可以看出AL-1、AL-2、AL-3、AL-4電池片的效率衰減率依次為–0.59%，–1.11%，–0.31%和0，基本上和電池片的水煮特性相一致。

表2 4種太陽能電池水煮試驗中電性能對比表

Tab.2 Cell performances of different solar cells in boiling test

2.2 4種多晶硅電池片的冷-熱循環(huán)特性

在冷-熱循環(huán)試驗過程中，4種多晶硅電池片的效率衰減率的變化趨勢如圖2所示（衰減率是相對于老化前的初始效率）。從圖2可看出，在0~40次冷-熱循環(huán)過程中，電池片的效率衰減率明顯增大，而在40次冷-熱循環(huán)后其衰減趨于穩(wěn)定，AL-2和AL-4電池片的冷-熱循環(huán)老化特性較好，AL-3電池片所表現(xiàn)的老化特性最差。試驗前后AL-2與AL-4的電池效率衰減率分別為–10.73%和–10.50%，而AL-1和AL-3樣品的效率衰減率較大，為–12.36%和–12.98%。由此得出4種電池片的熱循環(huán)老化特性由好到差依次為：AL-4、AL-2、AL-1、AL-3，說明電池的冷-熱循環(huán)衰減特性與電池的鋁背場的配方組分有較大關(guān)系，但與背場的水煮特性無直接關(guān)系。

圖2 4種太陽能電池冷-熱循環(huán)試驗中的效率衰減曲線

圖3為4種多晶硅電池片冷-熱循環(huán)70次后的EL圖，從圖3可看出，4種電池片EL圖都出現(xiàn)較多的黑斑，AL-2和AL-4電池片的黑斑相對較少，AL-3電池片的EL圖既有大量黑斑又有少量裂紋，與圖2中所得出的AL-2和AL-4電池片的冷-熱循環(huán)老化特性較好，和AL-3的冷-熱循環(huán)老化特性最差的結(jié)論相一致。電池片冷-熱循環(huán)老化特性的較大差異，一是由于冷-熱循環(huán)條件作用下，多晶硅片存在較多的晶界與位錯缺陷得以惡化，形成少子復(fù)合中心，捕獲大量的電子與空穴，使該區(qū)域沒有激發(fā)出1150 nm的紅外光子，導(dǎo)致CCD相機無法捕捉到紅外光，EL圖呈現(xiàn)較多黑斑缺陷；另外，由于4種鋁漿制備過程中所引進的雜質(zhì)元素含量與種類不同，不同濃度的雜質(zhì)元素形成少子復(fù)合中心，會降低基區(qū)的少子壽命，從而使4種電池片EL圖呈現(xiàn)不同程度的黑斑，表現(xiàn)出不同的冷-熱老化特性。

圖3 4種太陽能電池冷-熱循環(huán)試驗后EL圖

2.3 4種多晶硅電池片的濕熱特性

4種多晶硅電池片的濕熱老化特性如圖4所示，從圖4可發(fā)現(xiàn)，在0~450 h濕熱試驗中，電池效率衰減逐步加大，而在450 h后效率基本趨于穩(wěn)定。AL-3與AL-4樣品的濕熱老化特性相對較好，與其水煮特性表征相一致，濕熱700 h后，AL-2、AL-3與AL-4的效率衰減率依次是–5.22%，–4.76%，–4.91%，與之對比AL-1電池片的效率衰減率為–5.88%，比前三者多近1%的效率衰減率，4種電池片的濕熱老化特性由好到差依次為：AL-3、AL-4、AL-2、AL-1，這與電池的水煮特性基本相一致。

圖4 4種太陽能電池濕熱試驗的效率衰減曲線

類似地，圖5為4種多晶硅電池片濕熱試驗后的EL圖。黑斑程度略微有差異，其中AL-1與AL-2的黑斑程度比AL-3與AL-4略差些，與冷-熱循環(huán)試驗相比，濕熱老化EL圖均呈現(xiàn)較少的黑斑，這是由兩種不同老化試驗條件所決定。從圖5可看出，不同鋁背場電池的濕熱老化特性有一定差別，除鋁背場的水煮特性外，還和鋁背場與電池片的脫層程度不同有關(guān)，根據(jù)有關(guān)文獻報道[12]，鋁背場的粘接強度不僅和鋁背場材料中原子間的鍵結(jié)有關(guān)，還和鋁背場材料中的內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。因此，在長期高溫高濕環(huán)境中，鋁背場中鋁粉部分氧化脫落，使其附著力降低，鋁背場易與電池片脫層，導(dǎo)致電池片濕熱老化特性有所改變。

2.4 單晶硅電池片的冷-熱循環(huán)與濕熱特性

為了進一步探索電池片冷-熱循環(huán)和濕熱老化特性，選取水煮特性適中的AL-1鋁漿的單晶硅電池片來研究其老化特性，在圖6中，圖6(a)為Boltzmann擬合冷-熱循環(huán)老化特性曲線，圖6(b)為Boltzmann擬合濕熱老化特性曲線，從中可看出，電池片在35次冷-熱循環(huán)和500 h濕熱試驗后效率衰減率的變化趨于穩(wěn)定，且熱循環(huán)試驗的效率衰減率幅度較濕熱試驗大，可見冷-熱循環(huán)溫度的變化更易影響電池片的老化性能。在表3中，從電池片的電學(xué)性能可發(fā)現(xiàn)，單晶硅電池片熱循環(huán)試驗的效率衰減率高達–10.86%，是濕熱試驗的近2倍。

圖5 4種太陽能電池濕熱試驗后EL圖

圖6 兩種老化試驗中電池效率衰減曲線

表3 兩種老化試驗中太陽能電池的電性能對比表

Tab.3 Cell performances of solar cells in two different aging tests

在圖7的EL圖中，圖7(a)為老化試驗前EL圖，圖7(b)為冷-熱循環(huán)80次的EL圖，圖7(c)為濕熱800 h的EL圖，從中可觀察到，老化試驗后EL圖中缺陷均比初始EL圖要多些，且冷-熱循環(huán)試驗的EL圖比濕熱試驗的黑斑要嚴重，與其電學(xué)性能的變化相一致。這主要在于環(huán)境惡劣變化促使晶體硅位錯缺陷的加劇、鋁背場的氧化脫落導(dǎo)致，但對比圖3與圖5中多晶硅電池片冷-熱循環(huán)與濕熱試驗EL圖，可看出，單晶電池EL圖中黑斑程度要少于多晶，這主要在于單晶硅電池片中存在的晶界與位錯遠遠少于多晶硅電池片，以致在老化試驗過程中所體現(xiàn)的熱循環(huán)與濕熱老化特性相對較好。

圖7 兩種老化試驗后電池EL圖

3 結(jié)論

（1）通過電池片的冷-熱循環(huán)試驗和濕熱老化試驗，發(fā)現(xiàn)電池片的濕熱老化衰減幅度較小，多晶硅電池片效率衰減為4.76%~5.88%，單晶硅電池片為5.6%；電池片的冷-熱循環(huán)老化衰減幅度較大，多晶硅電池片效率衰減為10.50%~12.98%，單晶硅電池片為10.86%。

（2）電池片的衰減特性表現(xiàn)為前期效率衰減較快，之后逐漸趨于穩(wěn)定，冷-熱循環(huán)約40周期后電池效率基本上趨于平穩(wěn)；濕熱老化450~500 h后效率基本穩(wěn)定。

（3）不同鋁背場材料的電池片水煮特性有所不同，水煮特性較好的電池片表現(xiàn)出較好的濕熱老化特性，但電池片的冷-熱循環(huán)老化特性與其水煮特性無直接關(guān)系，主要與電池的缺陷種類和雜質(zhì)含量有關(guān)。

[1] 黃小融, 鄭家貴, 蔡偉, 等. 溫度循環(huán)下CdS/CdTe太陽電池穩(wěn)定性的研究[J]. 半導(dǎo)體光電, 2004, 25(1): 16-18.

[2] KETOLA B, NORRIS A. Degradation mechanism investigation of extended damp heat aged PV modules [C]//Proceedings of the 26th EU PVSEC (2011). Brussels, Belgium: EU Science Hub, 2011: 3523-3528.

[3] WOHLGEMUTH J H. Reliability testing of PV modules [C]// Photovoltaic Energy Conversion, 1994. Conference Record of the Twenty Fourth. IEEE Photovoltaic Specialists Conference. 1994 IEEE First World Conference on. NY, USA: IEEE, 1994: 889-892.

[4] MEYER E L, DYK E E V. Assessing the reliability and degradation of photovoltaic module performance parameters [J]. IEEE Trans Reliab, 2004, 53(1): 83-92.

[5] 全國太陽光伏能源系統(tǒng)標準化技術(shù)委員會. 地面用晶體硅光伏組件-設(shè)計鑒定和定型: GB/T 9535-2005/IEC 61215-2005 [S]. 北京: 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 2005.

[6] PAGGI M, SAPORA A. Numerical modelling of microcracking in pv modules induced by thermo-mechanical loads [J]. Energy Proc, 2013, 38: 506-515.

[7] PAGGI M, CORRADO M, RODRIGUEZ M A. A multi-physics and multi-scale numerical approach to microcracking and power-loss in photovoltaic modules [J]. Compos Struct, 2013, 95(1): 630-638.

[8] PARK N, HAN C, KIM D. Effect of moisture condensation on long-term reliability of crystalline silicon photovoltaic modules [J]. Microelectron Reliab, 2013, 53(12): 1922-1926.

[9] OH W, KIM S, BAE S, et al. The degradation of multi-crystalline silicon solar cells after damp heat tests [J]. Microelectron Reliab, 2014, 54(9/10): 2176-2179.

[10] 付明, 程思國, 王玥, 等. Te-Bi玻璃對晶體硅太陽能電池正銀電極性能的影響[J]. 無機材料學(xué)報, 2016, 31(8): 785-790.

[11] FRAZ?O M, SILVA J A, LOBATO K, et al. Electroluminescence of silicon solar cells using a consumer grade digital camera [J]. Measurement, 2017, 99: 7-12.

[12] 梁哲, 王國峰, 朱景兵. 晶體硅太陽電池鋁背場附著力測試與分析[C]//第十四屆中國光伏大會暨2014中國國際光伏展覽會. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2014: 119-124.

（編輯：陳豐）

Aging characteristics of crystalline silicon solar cells

FU Ming1,2, ZHOU Hong1,2, HUA Kaiwei1,2, WANG Xiaohong1,2, FAN Lin3

(1. School of Optics and Electronics Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Ministry of Education Key Laboratory of Information Materials(B), Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074; 3. Wuhan Supernano Optoelectronic Co., Ltd, Wuhan 430206, China)

Used the difference of boiling characteristics of aluminum back surface field (Al-BSF) materials, the boiling characteristics of four different Al-BSF polycrystalline solar cells were studied.The relationship between their aging characteristics (cold-thermal cycling characteristics and hygrothermal characteristics) and boiling characteristics was analyzed. The differences of aging characteristics between the monocrystalline silicon solar cell and the polycrystalline were also discussed. And the results show that the cell with better boiling characteristics behaves better damp heat aging properties. However, the cold-thermal cycling characteristics of the cell is not directly related to its boiling characteristics. The aging characteristics of monocrystalline solar cell are slightly superior to those of polycrystalline solar cell. After about 40 cycles of cold-thermal cycle or 450－500 h of hygrothermal aging, the efficiency decay of cell is basically stable.

solar cell; aluminum back surface field; boiling characteristics; cold-thermal cycling characteristics; hygrothermal characteristics; crystalline silicon

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.12.014

TM914.4

A

1001-2028（2017）12-0079-05

2017-09-27

付明

國家自然科學(xué)基金項目（No. 51302093）

付明（1967－），男，四川遂寧人，副教授，主要從事光伏太陽能電池關(guān)鍵材料及高性能太陽能電池的研究工作，E-mail: fuming@hust.edu.cn。

2017-11-30 14:13

網(wǎng)絡(luò)出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171130.1413.014.html