光伏組件電池光致衰減效應(yīng)(LID)研究進(jìn)展

李天龍

摘要：隨著p型晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，由于光致衰減（LID）造成的效率損失問題也日益突顯。電池轉(zhuǎn)換效率的提升依賴硅片的質(zhì)量，而硅片的質(zhì)量則主要是由其中的雜質(zhì)和缺陷決定的，p型摻硼直拉單晶硅太陽電池在光照下會出現(xiàn)效率衰退現(xiàn)象，因此，提高晶體硅的品質(zhì)并抑制光衰的措施和機制成為光伏領(lǐng)域研究的重要課題。

關(guān)鍵詞：晶體硅太陽電池;光致衰減.

Abstract：With the continuous improvement of the conversion efficiency of the p-type crystalline silicon solar cell，the problem of efficiency loss due to photoreaction （LID） is also increasingly high.Battery conversion efficiency is increased depending on the mass of the silicon wafer，and the quality of the silicon wafer is mainly determined by the impurities and defects，and the p-type boron boron Dragonfly single crystal silicon solar cell will have an efficient recession under light，and therefore，Improve the quality of crystalline silicon and inhibit measures and mechanisms of light failure becomes an important topic of research in photovoltaic fields.

Keywords：Crystalline silicon solar cell;LID

1.引言

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著化石能源的日益枯竭，發(fā)展清潔綠色能源引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注。作為可再生能源的代表，太陽輻射能以其取之不盡、用之不竭、無污染等優(yōu)勢得到了科技界的高度關(guān)注與利用。其中，晶體硅太陽電池的科技進(jìn)步已向人類展示了其技術(shù)成熟性和強大的生命力以及未來作為替代能源的可行性。

晶體硅太陽電池工藝技術(shù)的發(fā)展主導(dǎo)著光伏發(fā)電的趨勢。從科學(xué)發(fā)展的導(dǎo)向分析，提高晶體硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率、抑制光衰、降低發(fā)電成本，是晶體硅太陽電池未來發(fā)展的方向。單晶硅太陽電池是目前晶體硅太陽電池中轉(zhuǎn)換效率最高的一類電池，在未來的光伏市場上占據(jù)著主導(dǎo)地位。單晶硅太陽電池分為兩類：一類是N型高效異質(zhì)結(jié)太陽電池（HIT），另一類則是全球普晶體硅太陽電池效率的光致衰減研究遍采用的p型單晶硅太陽電池工藝。

以硼摻雜的p型單晶硅已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于太陽電池在AM1.5的光線下照射12小時，其效率將呈指數(shù)下降（一般衰減達(dá)3～8%），然后達(dá)到一個飽和值;退火處理后，電池的性能又得到了完全的恢復(fù)，這就是現(xiàn)在常被提及的“光致衰減”現(xiàn)象[1]。晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的提高，光衰的降低主要取決于兩個工藝區(qū)段的科技進(jìn)步。（1）單晶硅：單晶硅晶格完整性好、氧碳含量低，非平衡少子壽命高、晶體硅中硼氧復(fù)合體的含量低，晶體生長速率快;（2）電池：高效晶體硅電池的制備工藝以及光電轉(zhuǎn)換效率衰減的抑制，是目前國內(nèi)外晶體硅電池發(fā)展的熱點問題[2]。

本文旨在分析影響晶體硅光伏組件產(chǎn)生LID效應(yīng)的因素和對比抑制LID效應(yīng)產(chǎn)生的措施，分析電池片生產(chǎn)工藝，確定組件研究方向;通過選取合適的抑制電池片的LID效應(yīng)手段，達(dá)到提升組件輸出功率，實現(xiàn)提高光伏行業(yè)運營效益的目的。

2.晶體硅太陽電池光致衰減的機理

太陽電池用的直拉單晶硅中，會存在著氧、碳和金屬雜質(zhì)和位錯缺陷，而雜質(zhì)和缺陷正是影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素。

2.1.直拉單晶硅中的氧

摻硼直拉單晶硅太陽電池普遍存在著光致衰減現(xiàn)象。對于p型摻硼直拉單晶硅太陽電池而言，其光致衰減的研究一直集中在西門子法提純的高純摻硼硅材料和電池上，且研究得到B-O復(fù)合體是導(dǎo)致光衰的主要原因[3]。

在直拉單晶硅中，氧是在晶體生長過程中與石英坩堝接觸而引入，是不可避免。引入反應(yīng)方式如下：

生成的SiO過程中，會有部分氧原子伴隨著凝固過程進(jìn)入了晶體硅中。氧原子在硅晶格中以Si-O-Si的結(jié)構(gòu)形式存在。

氧對直拉單晶硅的影響是多種形式的，直拉單晶硅中的氧與空位結(jié)合便會形成微缺陷;間隙氧也可以形成具有電活性的氧團簇;而在熱環(huán)境中，間隙氧可以轉(zhuǎn)變?yōu)檠醭恋恚纬烧T生缺陷;這些都會對單晶硅太陽電池的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。低溫下的間隙氧幾乎是不可動的，因此間隙氧在硅中可以保持嚴(yán)重的過飽和狀態(tài)。

在一定的熱處理條件下，氧會以熱施主和氧沉淀兩種析出的形式從直拉單晶硅中析出;而相比于熱施主，氧沉淀析出的氧不具備電學(xué)性能，但氧沉淀析出的主要成分是SiOx，體積大于硅原子;在形成氧沉淀的同時，會從沉淀體中發(fā)射自間隙硅原子，導(dǎo)致硅晶格中自間隙硅原子的過飽和，繼而發(fā)生偏聚，產(chǎn)生缺陷、層錯等二次缺陷，這些缺陷會使p-n結(jié)形成漏電流、擊穿等，對太陽電池的性能造成極為不利的影響[2]。

2.2直拉單晶硅中的碳

與氧不同，碳的原子半徑要小于硅的原子半徑，所以碳的存在會引入晶格畸變，這種缺陷與氧結(jié)合就會促進(jìn)硅中氧沉淀的形核，形成較高密度的沉淀，從而降低硅片的少子壽命，導(dǎo)致太陽電池效率的降低[4]。

2.3直拉單晶硅中的金屬雜質(zhì)

硅中的金屬雜質(zhì)以處于間隙位置和單個原子的狀態(tài)兩種方式存在于單晶硅中。當(dāng)金屬雜質(zhì)以單個原子的狀態(tài)存在于單晶硅時，金屬雜質(zhì)具備電活性，會形成具有不同電荷狀態(tài)的深能級;通過影響硅中載流子的濃度和壽命，影響硅材料和器件的性能。

目前，在太陽能級硅材料中，常見的金屬雜質(zhì)為Fe雜質(zhì)，F(xiàn)e在硅中以間隙態(tài)存在時會引入深能級，影響少數(shù)載流子的壽命;Geeligs L J[5]等人實驗發(fā)現(xiàn)，在室溫條件下，p型硅中的Fe原子與B結(jié)合形成Fe-B對;Fe-B對在光照下分解出的Fe對電池中的載流子具有很強的復(fù)合能力，載流子減少，電池中的少子壽命和擴散長度即會相應(yīng)縮短，導(dǎo)致太陽電池效率的降低。Ramappa D A等人[6]通過實驗證實，硅中的銅在光照下會導(dǎo)致太陽電池少子擴散長度的縮短;Osinniy V等人[7]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-B對、B-O復(fù)合體、Cu相關(guān)的缺陷[8]都會對太陽電池的效率產(chǎn)生影響。

2.4直拉單晶硅中的缺陷

晶體硅中雜質(zhì)、位錯、加工工藝等都有可能對太陽電池的效率產(chǎn)生影響，如污染、裂紋、擴散不均勻等，這類缺陷的存在會大大降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率，導(dǎo)致電池生產(chǎn)的成本增加。

3 抑制晶體硅太陽電池效率衰減的措施

為了抑制晶硅電池的光致衰減效應(yīng)，主要采用方法包括：（1）以摻磷的n型硅為基體制備n型電池;（2）應(yīng)用區(qū)熔單晶硅或通過磁場直拉法獲得低氧含量的單晶硅;（3）用Ga替代B制備摻鎵晶硅電池;（4）光照下熱退火使硼氧復(fù)合對轉(zhuǎn)變?yōu)榕c氫有關(guān)的再生態(tài)[9.10]。

摻磷的n型單晶硅中不存在B-O對，可以從根源上解決B-O造成的光致衰減問題，達(dá)到有效避免太陽電池的光致衰減;但使用摻磷的n型單晶硅，n型單晶硅中少數(shù)載流子是空穴，而p型單晶硅中則為電子，空穴的遷移率要低于電子的遷移率，因此，使用摻磷的n型單晶硅會對太陽電池的效率產(chǎn)生不利影響。

使用低氧單晶硅利用區(qū)熔法生長單晶硅，可以大幅減少單晶硅中氧的引入，使B-O復(fù)合體的形成濃度降低，降低了太陽電池效率光致衰減的發(fā)生率;但該方法制作成本較高。

太陽電池制備引入新工藝是在電池制備過程中，引入如升降溫工藝[11]、氧化工藝[12]和磷吸雜工藝[13]等都可以降低電池的光致衰減，新工藝對光衰的抑制主要是利用了這些工藝抑制了高溫條件下B-O復(fù)合體中雙氧的形成，降低了雙氧的濃度，亦即降低了B-O復(fù)合體的濃度。

再生態(tài)（第三態(tài)）轉(zhuǎn)變是通過光照和加熱兩種條件，或在電池上加正向偏壓的同時對太陽電池進(jìn)行加熱處理，經(jīng)過處理后的太陽電池在室溫下再進(jìn)行光照就不再發(fā)生效率衰減，實現(xiàn)再生態(tài)的轉(zhuǎn)變[4]。

在p型單晶硅中使用其它受主雜質(zhì)（如鎵）代替硼。張三洋[14]等人采用摻鎵晶硅和摻硼晶硅制備的壽命片和太陽電池片分別進(jìn)行光致衰減實驗，采用摻鎵晶硅與摻硼晶硅兩種材料制備SiNx和Al2O3/SiNx鈍化的壽命片和相應(yīng)的單晶PERC電池和多晶常規(guī)電池;實驗發(fā)現(xiàn)，摻鎵單晶壽命片的少子壽命衰減率比摻硼單晶壽命片低50%左右，摻鎵單晶PERC電池和摻鎵多晶常規(guī)電池轉(zhuǎn)換效率的衰減率比摻硼單晶PERC電池和摻硼多晶常規(guī)電池分別降低3.41%和0.92%。這些結(jié)果表明晶硅太陽電池的光致衰減效應(yīng)主要是晶硅中少子壽命降低導(dǎo)致的，晶硅摻鎵后能有效抑制太陽電池的光致衰減現(xiàn)象。

陳健生[15]等人通過光輻照的方式分別對電池片和經(jīng)過光衰處理后的電池片進(jìn)行抑制光衰和光衰恢復(fù)處理;結(jié)果表明，相比于電池片，經(jīng)過光衰處理后的電池片光衰得到很好的恢復(fù)，并且達(dá)到了一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這說明光恢復(fù)處理可以很好地改善摻硼p型晶體硅太陽電池的LID現(xiàn)象。本次實驗發(fā)現(xiàn)，針對p型高效電池結(jié)構(gòu)鈍化發(fā)射區(qū)和背表面電池PERC技術(shù)來說，光恢復(fù)處理工藝基本上克服了LID的現(xiàn)象，24h光衰幅度僅為0.03%。

4.結(jié)論

目前，晶體硅太陽電池是光伏發(fā)電的主體，而晶體硅太陽電池中的光致衰減現(xiàn)象已成為制約高效太陽電池發(fā)展的一個重要因素。本文通過從機理分析晶體硅光伏組件產(chǎn)生LID效應(yīng)的因素，對比抑制LID效應(yīng)產(chǎn)生的措施，采用在p型單晶硅中使用其它受主雜質(zhì)代替硼措施可以有效增強晶體利用率;其中，摻鎵單晶硅既可以利用低電阻率條件制作較高效太陽電池，又可以通過抑制光致衰減來避免光電轉(zhuǎn)換效率的降低，是一種非常理想的選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hashigami H，Itakura Y，Takaki A，et al.Light degradation of minority carrier lifetime for multicrytalline cast silicon substrates[C]. European Photovoltaic Solar Energy Conference Germany：Munich，2001，22.

[2]楊淑云.晶體硅太陽電池效率的光致衰減研究[D].河北工業(yè)大學(xué)，2014.

[3]Schmidt J，Bothe K.Structure and transformation of the metastable boron-and oxygen-relateddefect center in crystalline silicon[J]Phys Rev B，2004，69：024107.

[4]陳鵬.晶體硅太陽電池中的光致衰減研究[D].浙江大學(xué)，2013.

[5]Geeligs L J，Macdonald D.Dynamics of light-induced Fe B pair dissociation in crystalline silicon[J].Appl Phys Lett，2004，85（22）：5227-5229.

[6]Ramappa D A.Surface photovoltage analysis of phase transformation of copper in p-type silicon[J].Appl Phys Lett，2000，76：3756-3760.

[7]Osinniy V，Bomholt P，Nylandsted Larsen A.et al.Factors limiting minority carrier lifetime in solar grade silicon produced by the metallurgical route[J].Solar Energy Mater Solar cells，2011，95（2）：564-567.

[8]Fischer H，Pschunder W.Investigation of photon and thermal induced changes in silicon solarcells[C].IEEE PV Specialists Conference. USA：CA，1973：404-411.

[9]Glunz S W，Rein S，Warta W，et al.On the degradation of Czochralski silicon solar cells[C].Proceedings of the 2nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion，1998：1343-1346.

[10]Nozaki T，Yatsuring Y，Endo N，e tal.Behavior of light impurity elements in production of semiconductor silicon[J].Journal of Radioanalytical Chemistry，1974（19）：109-128.

[11]Lee J Y，Peters S，Rein S，et al.Improvement of charge minority- carrier lifetime in p-typeboron-doped Czochralski silicon by rapid thermal annealing[J].Progress in Photovoltaics，2001（9）：417-424.

[12]Glunz S W，Rein S，Warta W，et al.Degradation of carrier lifetime in Cz silicon solar cells[J].Solar Energy Materials and Solar cells，2001（65）：219-229.

[13]Caballero L J，Canizo C，Sanchez-Friera P，et al.Influence of P gettering thermal step onlight-induced degradation in Cz-Si[J].Solar Energy Materials and Solar Cells，2005（88）：247-256.

[14]張三洋，沈鴻烈，魏青竹，等.晶硅摻鎵抑制太陽電池光致衰減效應(yīng)的研究[J].人工晶體學(xué)報，2016，45（004）：1100-1105.

[15]陳健生，董方，楊德仁，等.摻硼p型晶硅太陽電池LID恢復(fù)研究[J].半導(dǎo)體光電，2016，37（002）：154-160.