單晶硅片質(zhì)量對(duì)太陽(yáng)能電池性能的影響
近年來(lái)隨著光伏發(fā)電行業(yè)下游應(yīng)用市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，硅片市場(chǎng)的需求也在不斷提高。而太陽(yáng)能電池片主要由硅片組成， 其中硅片質(zhì)量的好壞直接影響太陽(yáng)能電池片的綜合性能。在晶硅系列太陽(yáng)能電池中，單晶硅電池內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)特征決定了其轉(zhuǎn)換效率明顯高于多晶硅電池。但是單晶硅電池內(nèi)部存在的晶體缺陷和內(nèi)部雜質(zhì)等質(zhì)量問(wèn)題，同樣也會(huì)影響太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。
一、 單晶硅片質(zhì)量對(duì)電池性能的影響
1、少子壽命的影響
少子壽命是目前晶硅電池特征常規(guī)測(cè)試的參數(shù)之一。本次研究選取某批單晶硅片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 將單晶硅片進(jìn)行初次分選后， 按正常生產(chǎn)工藝做成電池片，測(cè)量少子壽命對(duì)電池效率的影響關(guān)系如圖 1 所示。由圖可見(jiàn)，少子壽命值越大， 轉(zhuǎn)換效率越高， 相應(yīng)的晶硅材料的內(nèi)部雜質(zhì)和晶體缺陷也就越少。引起少子壽命降低的原因是光照或電流注入導(dǎo)致硅片中的硼和氧形成硼氧復(fù)合體，但經(jīng)過(guò)退火處理后，少子壽命即可恢復(fù)。
2、早期光致衰減的影響
大量科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)硅片中的硼氧濃度是造成電池片早期光致衰減的主要因素， 而光伏組件的光致衰減主要是由各個(gè)電池片的光致衰減不一致造成的。雖然分選電池片時(shí)各個(gè)電池片的電性能一致，但經(jīng)過(guò)光照后，電性能出現(xiàn)了較大偏差，從而引起組件特性異常和熱斑現(xiàn)象，最終導(dǎo)致組件的早期失效。
圖 1 少子壽命與電池效率對(duì)應(yīng)關(guān)系圖
將質(zhì)量較差的單晶硅片按正常生產(chǎn)工藝做成初始效率為 16% 的電池片，經(jīng)節(jié)能燈光照 1．5 h 后，測(cè)試效率最高的為 15．4%，最低的僅為 13．0%，衰減比率介于 3．75% ～ 18．75% ， 如圖 2 所示。把上述電池片重新分選， 按分選后電池片轉(zhuǎn)換效率的分布情況做成 14 塊組件， 陽(yáng)光光照 1 d 和 2 d 后的功率對(duì)比如圖 3 所示。早期光致衰減試驗(yàn)結(jié)果表明:
(1) 在光伏組件生產(chǎn)過(guò)程中，如果電池片不經(jīng)過(guò)預(yù)衰減和二次分選而直接做成組件，在各個(gè)組件內(nèi)會(huì)包含衰減較為嚴(yán)重的那部分電池片，直接導(dǎo)致組件特性異常和熱斑現(xiàn)象，從而影響組件的整體性能。
(2) 雖然普通的節(jié)能燈光照后的電池片做成的組件在陽(yáng)光光照后仍會(huì)出現(xiàn)較大的衰減，但是通過(guò)節(jié)能燈光照二次分選后的電池片效率的均勻性基本得到了保障。
(3) 初始分選效率 16% 的電池片經(jīng)過(guò)光致衰減后，最終做成的組件功率最大僅 155．71 W， 最小為143．78 W，而理論上可做成組件的功率為172 W，衰減比率達(dá) 9．47% ～ 16．40% 。
3、早期光致衰減的解決方案
(1) 改善硅單晶質(zhì)量。硅片自身的質(zhì)量對(duì)太陽(yáng)能電池的早期光致衰減有決定性作用，可采取的措施有: ①利用磁控直拉單晶硅工藝生產(chǎn)單晶硅棒; ②使用摻磷的 N 型硅片; ③改善摻雜工藝，比如摻雜工藝過(guò)程中用鎵元素代替硼元素。
(2) 光照預(yù)衰減后進(jìn)行二次分選。在組件制造前對(duì)電池片進(jìn)行光照預(yù)衰減后進(jìn)行二次分選，這樣不僅可以控制組件的衰減，同時(shí)還能大幅度減少光伏組件出現(xiàn)熱斑的幾率，從而提高光伏組件的整體性能。
二、位錯(cuò)對(duì)電池性能的影響
位錯(cuò)是晶體內(nèi)部缺陷之一，位錯(cuò)密度的大小直接影響電池片的性能。
1、組件 EL 測(cè)試
通過(guò)選用某低檔電池片做成光伏組件進(jìn)行EL測(cè)試，在通電情況下電池片中一部分發(fā)出的 1150nm紅外光相對(duì)較弱，說(shuō)明硅襯底少子壽命明顯偏低，造成了大量黑心和黑斑，如圖 4 所示。
圖 4 組件 EL 測(cè)試
2、組件電性能測(cè)試
圖 5 為上述組件電性能測(cè)試結(jié)果。圖中組件短路電流 Isc為 4．588A，明顯偏低此類(lèi)正常組件短路電流 Isc( 一般為 5．200 A) ，最大功率 Pmax 為 143．028 W明顯偏低于此類(lèi)正常組件最大功率 Pmax ( 一般大于175W) ，功率嚴(yán)重下降，說(shuō)明上述某低檔電池片做成的光伏組件中存在著大量低性能電池片。
圖 5 光照條件組件電性能測(cè)試
3、硅片少子壽命測(cè)試
上述電池片經(jīng)過(guò)工藝處理成硅片后，EL測(cè)試結(jié)果表明其存在大量黑心和黑斑區(qū)域， 說(shuō)明少子壽命明顯偏低，如圖 6 所示。
圖 6 電池片 EL 測(cè)試
4、硅片位錯(cuò)密度測(cè)試
選取上述 2 片硅片經(jīng)化學(xué)工藝腐蝕后，其形貌如圖7所示。
圖 7 化學(xué)腐蝕后硅片形貌
測(cè)試化學(xué)工藝腐蝕后的硅片位錯(cuò)密度。其中:一硅片“黑心內(nèi)” 位錯(cuò)密度高達(dá) 1E6 ～ 1E7個(gè)/cm2;另一硅片黑斑區(qū)域位錯(cuò)密度達(dá) 1E5 ～ 1E6 個(gè)/cm2。綜上所述，硅片中極高的位錯(cuò)密度最終會(huì)導(dǎo)致電池片性能的嚴(yán)重下降。
三、總結(jié)
硅片是晶體硅太陽(yáng)能電池片最基本的材料，其質(zhì)量直接決定了電池片的整體性能。一方面，硅片的外觀缺陷和表面質(zhì)量影響電池的制造和外觀;另一方面，硅片的晶體內(nèi)部缺陷和雜質(zhì)直接影響電池的效率和穩(wěn)定性。只有不斷改善和提高硅片的整體質(zhì)量，才能保障太陽(yáng)能電池片和組件的質(zhì)量和性能。
