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        多晶PERC太陽電池中的光衰減性質及解決方案

        首頁    光衰減    多晶PERC太陽電池中的光衰減性質及解決方案

        1. 研究背景與內容

        近來背鈍化技術(PERC)在晶體硅太陽電池上已經開始廣泛應用。其通過在電池背面沉積氧化鋁/氮化硅介質薄膜的方式,鈍化硅界面對少數載流子的復合活性,從而顯著提升電池的轉換效率。但是業界發現,使用PERC技術的太陽電池存在著比常規太陽電池更高的初始光衰減效應,特別是多晶PERC太陽電池。相較于常規多晶太陽電池光衰減率在1-2%的范圍,多晶PERC太陽電池的衰減率可達4-6%(相對值)甚至超過10%。該現象引起了產業界廣泛的關注,但是對其機理的認識尚未完全清楚。為此,本文將探究多晶PERC電池的光衰減機理以及探索相應的抑制光衰減的措施。本文的研究內容主要有:

        1)通過測試不同溫度下多晶PERC樣品的少數載流子變化曲線,研究其光衰減的動力學特性從而分析其機理。

        2)采用電流誘導氫鈍化技術(CIH)處理多晶PERC電池,研究其電學性能的變化以及光衰減行為。

         

        2. 研究結果與討論

        2.1 多晶PERC電池的光衰減特性及機理分析

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        1 a)多晶PERC樣品在70 oC,光強0.5sun的少數載流子壽命曲線,(b)復合缺陷濃度曲線

        本文實驗中測試了多晶PERC樣品在708090100oC下光照時的少數載流子壽命變化曲線,圖1a)顯示的是70oC時的少子壽命曲線。根據SRH復合理論,缺陷濃度正比于少數載流子壽命的倒數。因此本文使用等式N=1/τ-1/τinitial來反應光照時復合缺陷的形成過程,如圖1b)所示,其中N表示等效缺陷濃度,τinitial表示初始少數載流子壽命。對復合缺陷形成過程的擬合,發現需用兩個指數項N[1-exp(-Rt)]才能得到較好的擬合結果。該指數項通常用來描述具有一級動力學反應特性的產物形成過程,其中R表示反應速率常數。這就表明多晶PERC的光衰減包含有兩個過程,本文稱之為快過程和慢過程。

         

        222

        2 a)多晶PERC樣品在70 oC,光強0.5sun的少數載流子壽命曲線,(b)復合缺陷濃度曲線

        根據上述擬合得到的等效缺陷濃度以及反應速率常數,我們可以對多晶PERC電池的光衰減做進一步的分析。圖2a)所示為不同溫度下快過程對應的等效缺陷濃度在總等效缺陷濃度中所占的比重,可以看到之一部分所占比重介于1/3-2/3之間。圖2b)利用不同溫度下得到的反應速率常數擬合得到了快過程與慢過程對應的缺陷生成激活能,快過程對應的激活能為0.49±0.05eV,慢過程對應得到激活能為0.60±0.08eV。根據得到的激活能我們可以推斷,快過程對應于硅中BO復合體的生成過程,這與硅中所含有的B以及O元素有關。而慢過程對應的激活能與硅中間隙鐵的擴散激活能(0.67eV)接近。

        常規多晶太陽電池的光衰率一般低于1.5%,而多晶PERC電池的光衰率普遍大于5%,甚至接近10%(光衰率=(初始效率-光衰后效率)/初始效率),大于單晶PERC電池的光衰率。因此,單獨用BO復合體衰減機制難以解釋多晶PERC電池的嚴重的光衰行為。我們對幾種電池的不同特性進行分析,常規多晶電池與多晶PERC電池的區別是多晶PERC電池背面有帶有高密度負電荷的氧化鋁背鈍化層,單晶PERC電池與多晶PERC電池的區別是單晶硅中沒有缺陷且金屬雜質含量很低。因此我們推測,多晶PERC電池的光之衰減原因一部分為BO生成引起體壽命衰減導致效率降低,另一個重要原因是多晶硅中帶正電的間隙鐵雜質在光照下擴散到背鈍化界面,并中和或者屏蔽氧化鋁鈍化膜界面上的負電引起背面場鈍化效果大幅下降導致的效率衰減。

        2.2 多晶PERC電池光衰減的解決方案

        針對多晶PERC電池的光衰減,必須尋找一個合適的途徑可以同時解決BO復合體以及金屬雜質與背表面鈍化膜相互作用引起的光之衰減。本文中我們提出電流誘導氫化(Current induced hydrogenation, CIH)的方式來實現,本方法的基本科學思想為在一定溫度下對多晶PERC太陽電池通入正向電流,在正向電流的作用下降低內建電場的勢壘高度,在此基礎上使更多的負價氫離子從n型區擴散至p型區。需要說明的是在穩態下,n型區中氫的價態為負價,p型區中的氫價態為正價。在電流不斷通入的非平衡條件下,負價氫源源不斷注入p型區,再不斷的與帶正電的BO復合體以及帶正電的間隙態金屬雜質作用并形成復合體,使對應的缺陷變為電中性,從而消除或減弱它們的復合活性。

        3所示為典型的CIH處理前后多晶PERC電池效率的變化,處理前平均效率為19.64%,處理后平均效率提升為19.88。表1所示為典型的處理前后電池各參數的變化情況,從表中可以看出經過CIH處理后,多晶PERC電池的短路電流、開路電壓以及填充因子都有提升。CIH過程是一個電流誘導氫化的過程,因此,氫在鈍化BO復合體以及金屬雜質的基礎上,硅片體內的復合中心密度降低,引起短路電流以及開路電壓的上升,同時,由于結區復合的降低,填充因子也獲得進一步的提升。

        333

        3 CIH處理前后多晶PERC電池效率的變化

         

        1 CIH處理前后電池各項參數的變化


        短路電流

        (A)

        開路電壓

        (V)

        電池效率

        (%)

        填充因子

        (%)

        串聯電阻(ohm)

        并聯電阻(ohm)

        初始參數

        9.1843

        0.6439

        19.64

        77.76

        0.00257

        4.835

        CIH后參數

        9.2150

        0.6456

        19.88

        78.24

        0.00220

        4.974

           

        由以上結果可以看出,CIH過程可以有效提升多晶PERC電池的轉化效率,在此基礎上,我們再來對比光衰率的變化。圖4所示為經過CIH處理后以及未經處理的多晶PERC光衰率對比,從圖中可以看出,經過CIH處理的多晶PERC電池經過300KWH的光照后,光衰率為2.8%,而未經處理的多晶PERC電池光衰率在300KWH條件下為11.4%

        444

        4 經過CIH處理后以及未經處理的多晶PERC光衰率對比

        3. 結論

        本文研究了多晶PERC電池光衰的特性并對衰減機理進行了分析,提出了可能的光衰機制,并在此基礎上利用電流誘導氫化的方法將多晶PERC電池的光衰率由11.4%下降至2.8%,降低75%。同時,CIH過程可以有效提升多晶PERC電池的轉化效率0.2%以上。


        2018年10月31日 16:54
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