晶体硅太阳能电池片老化特性研究

付 明，周 洪，华锴玮，汪小红，范 琳



晶体硅太阳能电池片老化特性研究

付 明1,2，周 洪1,2，华锴玮1,2，汪小红1,2，范 琳3

（1. 华中科技大学 光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074；2. 华中科技大学 教育部信息功能材料重点实验室（B类），湖北 武汉 430074；3. 武汉优乐光电科技有限公司，湖北 武汉 430206）

利用铝背场材料水煮特性的差异性，对4种铝背场多晶太阳能电池片的水煮特性进行了研究，详细分析了4种不同铝背场电池片老化特性（冷-热循环特性和湿热特性）与水煮特性的关系，同时也探讨了单晶与多晶电池片老化特性的差异性。结果表明：铝背场水煮特性较好的电池片表现出较好的湿热老化特性，但电池片的冷-热循环老化特性与其水煮特性无直接关系；单晶电池老化特性略优于多晶，且冷-热循环约40周后电池效率衰减基本稳定，湿热老化450~500 h后电池效率衰减基本稳定。

太阳能电池；铝背场；水煮特性；冷-热循环特性；湿热特性；晶体硅

近年来，太阳能光伏应用发展迅速，截止2016年底，全球光伏装机量高达77.42 GW，在能源结构中所占的比例逐渐上升。然而，在快速发展的同时，太阳能电池的可靠性存在着较大的隐患，主要表现为两种形式，一种是非太阳能电池片部分的老化，如封装材料、互连材料、玻璃盖板等材料的老化或损坏；另一种是太阳能电池片部分的老化，如p-n结内的漏电现象、表面与界面处的缺陷增多等。为了研究太阳能电池在温度反复变化下而引起的热失配、疲劳和其他应力的影响，以及在热带地区长期高温高湿下的湿气渗透能力。黄小融等[1]研究了冷-热循环条件下CdS/CdTe太阳能电池的稳定性，研究表明，25次冷-热循环后转换效率衰减2%。Ketola和Norris[2]研究了封装材料EVA对电池组件的湿热老化影响，结果表明，湿热时间的增加会加剧电池组件功率衰减，湿热7000 h后电池组件功率衰减高达80%以上。目前，对于太阳能电池组件的老化研究已颇有成果[3-4]，电池片作为太阳能电池组件的关键部件，对其本身的老化研究却相对较少。电池片的铝背场容易与水发生反应，铝背场的水煮特性（水煮试验）对电池的老化有一定影响，水煮特性也是电池片的可靠性指标之一。因此，本文参考GB/T 9535-2005/IEC 61215-2005标准[5]中关于太阳能电池组件老化的冷-热循环试验[6-7]和湿热试验[8-9]方法，分别选用4种不同铝背场水煮特性的多晶硅与单晶硅电池片，详细地探索了晶体硅太阳能电池片的老化特性。

1 试验方法

1.1 电池片制作

选取尺寸为6英寸（15.24 cm）1/9大小的多晶硅片和5英寸（12.7 cm）1/4大小的单晶硅片，经清洗、制绒、扩散、刻蚀和镀减反射膜制作初步的电池片，其电池的方阻为80 Ω/□。再利用4种不同水煮特性的铝背场浆料（编号分别为AL-1、AL-2、AL-3、AL-4），用相同的背银和正银电极，经丝网印刷、烧结工艺制作出多晶硅电池片，类似地，用AL-1类型铝浆与相同的背银和正银电极制作单晶电池片。其中印刷网版为360目（40 μm），栅线宽度为80 μm，9温区红外隧道烧结炉的各温区设置分别为：320，340，350，520，570，610，650，790和900℃，烧结炉传送带速度为6.1 m/min[10]。

1.2 水煮试验

将4种不同铝背场的多晶硅电池片同时放入80℃的数显恒温水浴锅中，记录电池片水煮40 min过程中，铝背场产生气泡、脱粉以及网带印的时间，并观察水煮后电池片的外观和测试其电学性能。

1.3 冷-热循环试验

在所制备的4种多晶硅及单晶硅电池片中，每组各自取8片，再根据GB/T 9535-2005/IEC 61215-2005中的冷-热循环试验条件进行冷-热循环试验，在相对湿度小于60%的情况下，电池片放置在minicool型高低温试验箱中，在 (–40±2)℃和(85±2)℃温度之间不断循环，并保证在两个极端温度的保持时间15 min，一次循环约4 h。每循环5次取出样品进行电性能测试。

1.4 湿热试验

湿热试验也称双85试验，基于GB/T 9535-2005/ IEC 61215-2005中的湿热试验条件下，类比冷-热循环试验，每组各选取8片电池片，将其置于85℃，85%RH的恒温恒湿试验箱中，每湿热50 h取出进行电性能测试。

1.5 性能表征

电池性能测试用电池综合参数测试仪（型号：GSCT-B）在温度为25℃，光照强度为0.1 W/cm2下进行测试，分析太阳能电池老化前后转换效率ff、填充因子FF、开路电压oc、短路电流sc、串联电阻s、并联电阻sh等重要参数的变化；同时使用电致发光(EL)测试仪测试太阳能电池在不同老化时间的EL特性[11]。

2 结果与讨论

2.1 不同铝背场多晶硅电池片的水煮特性

4种不同铝背场多晶硅电池片的水煮变化状况如表1所示，从表1中可发现，AL-1、AL-2两种电池片在水煮过程中出现气泡、脱粉、网带印的时间比较接近，水煮40 min后这两种电池片呈现出较明显的网带印，而AL-3电池片水煮时发生反应的时间较长，水煮30 min后才发生反应，水煮后的网带印也很浅；AL-4电池片表现最好，整个水煮过程中都没有发生化学反应，其水煮后的外观如图1所示，可直观地看出4种电池片水煮性能由好到差为AL- 4、AL-3、AL-1、AL-2。水煮试验反应出铝背场的湿热稳定性，水煮时铝背场的化学反应如下：

表1 4种太阳能电池水煮试验中外观变化表

Tab.1 Appearances of different solar cells in boiling test

2Al(s)+6H2O(l)→2Al(OH)3(s)+3H2(g)­

用于制作铝背场的铝浆是由铝粉、玻璃粉和有机载体等组成的，4种铝浆的不同之处在于玻璃粉不同，玻璃在电池烧结过程中起助熔和形成牢固铝膜的作用，因此，4种铝背场的致密性和铝膜的氧化程度不同。致密度较差和氧化不够的铝膜，水煮时水分子易透过间隙，与铝颗粒发生反应，产生气泡，并脱粉，随后铝背场表面逐渐形成网带印。可见，电池片在烧结时，铝膜表面的氧化程度和致密度等因素对铝背场的水煮特性有直接的影响，铝背场耐水煮特性好，说明铝膜的稳定性好。

图1 4种太阳能电池水煮试验后外观图

表2反映出电池片水煮前后电学性能变化，可以看出AL-1、AL-2、AL-3、AL-4电池片的效率衰减率依次为–0.59%，–1.11%，–0.31%和0，基本上和电池片的水煮特性相一致。

表2 4种太阳能电池水煮试验中电性能对比表

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

2.2 4种多晶硅电池片的冷-热循环特性

在冷-热循环试验过程中，4种多晶硅电池片的效率衰减率的变化趋势如图2所示（衰减率是相对于老化前的初始效率）。从图2可看出，在0~40次冷-热循环过程中，电池片的效率衰减率明显增大，而在40次冷-热循环后其衰减趋于稳定，AL-2和AL-4电池片的冷-热循环老化特性较好，AL-3电池片所表现的老化特性最差。试验前后AL-2与AL-4的电池效率衰减率分别为–10.73%和–10.50%，而AL-1和AL-3样品的效率衰减率较大，为–12.36%和–12.98%。由此得出4种电池片的热循环老化特性由好到差依次为：AL-4、AL-2、AL-1、AL-3，说明电池的冷-热循环衰减特性与电池的铝背场的配方组分有较大关系，但与背场的水煮特性无直接关系。

图2 4种太阳能电池冷-热循环试验中的效率衰减曲线

图3为4种多晶硅电池片冷-热循环70次后的EL图，从图3可看出，4种电池片EL图都出现较多的黑斑，AL-2和AL-4电池片的黑斑相对较少，AL-3电池片的EL图既有大量黑斑又有少量裂纹，与图2中所得出的AL-2和AL-4电池片的冷-热循环老化特性较好，和AL-3的冷-热循环老化特性最差的结论相一致。电池片冷-热循环老化特性的较大差异，一是由于冷-热循环条件作用下，多晶硅片存在较多的晶界与位错缺陷得以恶化，形成少子复合中心，捕获大量的电子与空穴，使该区域没有激发出1150 nm的红外光子，导致CCD相机无法捕捉到红外光，EL图呈现较多黑斑缺陷；另外，由于4种铝浆制备过程中所引进的杂质元素含量与种类不同，不同浓度的杂质元素形成少子复合中心，会降低基区的少子寿命，从而使4种电池片EL图呈现不同程度的黑斑，表现出不同的冷-热老化特性。

图3 4种太阳能电池冷-热循环试验后EL图

2.3 4种多晶硅电池片的湿热特性

4种多晶硅电池片的湿热老化特性如图4所示，从图4可发现，在0~450 h湿热试验中，电池效率衰减逐步加大，而在450 h后效率基本趋于稳定。AL-3与AL-4样品的湿热老化特性相对较好，与其水煮特性表征相一致，湿热700 h后，AL-2、AL-3与AL-4的效率衰减率依次是–5.22%，–4.76%，–4.91%，与之对比AL-1电池片的效率衰减率为–5.88%，比前三者多近1%的效率衰减率，4种电池片的湿热老化特性由好到差依次为：AL-3、AL-4、AL-2、AL-1，这与电池的水煮特性基本相一致。

图4 4种太阳能电池湿热试验的效率衰减曲线

类似地，图5为4种多晶硅电池片湿热试验后的EL图。黑斑程度略微有差异，其中AL-1与AL-2的黑斑程度比AL-3与AL-4略差些，与冷-热循环试验相比，湿热老化EL图均呈现较少的黑斑，这是由两种不同老化试验条件所决定。从图5可看出，不同铝背场电池的湿热老化特性有一定差别，除铝背场的水煮特性外，还和铝背场与电池片的脱层程度不同有关，根据有关文献报道[12]，铝背场的粘接强度不仅和铝背场材料中原子间的键结有关，还和铝背场材料中的内应力有关。因此，在长期高温高湿环境中，铝背场中铝粉部分氧化脱落，使其附着力降低，铝背场易与电池片脱层，导致电池片湿热老化特性有所改变。

2.4 单晶硅电池片的冷-热循环与湿热特性

为了进一步探索电池片冷-热循环和湿热老化特性，选取水煮特性适中的AL-1铝浆的单晶硅电池片来研究其老化特性，在图6中，图6(a)为Boltzmann拟合冷-热循环老化特性曲线，图6(b)为Boltzmann拟合湿热老化特性曲线，从中可看出，电池片在35次冷-热循环和500 h湿热试验后效率衰减率的变化趋于稳定，且热循环试验的效率衰减率幅度较湿热试验大，可见冷-热循环温度的变化更易影响电池片的老化性能。在表3中，从电池片的电学性能可发现，单晶硅电池片热循环试验的效率衰减率高达–10.86%，是湿热试验的近2倍。

图5 4种太阳能电池湿热试验后EL图

图6 两种老化试验中电池效率衰减曲线

表3 两种老化试验中太阳能电池的电性能对比表

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

在图7的EL图中，图7(a)为老化试验前EL图，图7(b)为冷-热循环80次的EL图，图7(c)为湿热800 h的EL图，从中可观察到，老化试验后EL图中缺陷均比初始EL图要多些，且冷-热循环试验的EL图比湿热试验的黑斑要严重，与其电学性能的变化相一致。这主要在于环境恶劣变化促使晶体硅位错缺陷的加剧、铝背场的氧化脱落导致，但对比图3与图5中多晶硅电池片冷-热循环与湿热试验EL图，可看出，单晶电池EL图中黑斑程度要少于多晶，这主要在于单晶硅电池片中存在的晶界与位错远远少于多晶硅电池片，以致在老化试验过程中所体现的热循环与湿热老化特性相对较好。

图7 两种老化试验后电池EL图

3 结论

（1）通过电池片的冷-热循环试验和湿热老化试验，发现电池片的湿热老化衰减幅度较小，多晶硅电池片效率衰减为4.76%~5.88%，单晶硅电池片为5.6%；电池片的冷-热循环老化衰减幅度较大，多晶硅电池片效率衰减为10.50%~12.98%，单晶硅电池片为10.86%。

（2）电池片的衰减特性表现为前期效率衰减较快，之后逐渐趋于稳定，冷-热循环约40周期后电池效率基本上趋于平稳；湿热老化450~500 h后效率基本稳定。

（3）不同铝背场材料的电池片水煮特性有所不同，水煮特性较好的电池片表现出较好的湿热老化特性，但电池片的冷-热循环老化特性与其水煮特性无直接关系，主要与电池的缺陷种类和杂质含量有关。

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（编辑：陈丰）

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

国家自然科学基金项目（No. 51302093）

付明（1967－），男，四川遂宁人，副教授，主要从事光伏太阳能电池关键材料及高性能太阳能电池的研究工作，E-mail: fuming@hust.edu.cn。

2017-11-30 14:13

网络出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171130.1413.014.html