PERC单晶硅光伏组件EL明暗不均的研究

晶澳太阳能有限公司 ■ 张志敏 刘苗 许志卫 张建军 张鹏程

0 引言

随着社会的发展，近年来各种电子设备层出不穷，每天的用电量也在不断上升。传统的火力发电虽然仍是世界上的主流发电方式，但是其所使用的不可再生资源——煤的逐渐枯竭及燃烧所造成的严重环境污染等问题已经引起了高度关注。现如今，人们不仅关心社会的发展，更加重视环境的保护和治理。因此，太阳能及水力、风力发电等清洁能源的利用让人们看到了可持续发展的希望。

光伏发电系统的核心部件是太阳电池。根据原料类型，太阳电池可分为晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池；而根据硅片的加工方式，晶硅太阳电池又可分为单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池[1]。目前在单晶硅太阳电池中，普通p型单晶硅太阳电池的平均转换效率可达20%以上，选择性发射极(selective emitter，SE)叠加钝化发射极和背面电池(Passivated Emitter and Rear Cell，PERC)太阳电池的量产效率可达22%以上。

然而，随着PERC太阳电池的逐步推广，PERC光伏组件电致发光(Electroluminescence，EL)明暗不均的现象层出不穷，尤其是PERC掺镓电池更为明显。过去，业内普遍认为造成这一现象的原因是由于电池功率差异导致电池串联之后失配，即常说的“混档”。但是经过验证后发现，相同档位的电池在层压之后仍然会出现不同程度的EL明暗不均现象。

本文通过对不同电阻率的硅片进行划分，加工成电池及相应组件后进行EL测试研究，发现影响组件EL明暗不均的因素除了“混档”之外，不同电阻率的太阳电池混合层压也是较大的影响因素。

1 实验设计

1.1 实验仪器

硅片电阻率测量采用上海星纳MS203硅片多功能参数检测仪；成品电池效率测量采用德国halm高精度I-V测量系统；电池EL测量采用沛德EL-C01太阳电池工艺缺陷检测仪；组件EL测量采用捷勒GST-EL-1000光伏组件EL检测仪。

1.2 实验样品及处理

硅片样品为河北松宫半导体有限公司生产的p型掺镓单晶硅片，硅片尺寸为156 mm×156 mm，电阻率范围为0.25～3.00 Ω·cm。首先将硅片按照电阻率0.25～1.00、1.00～1.80、1.80～3.00 Ω·cm这3个范围进行分类，每个档位选20片硅片，共60片；然后按照PERC太阳电池工艺流程进行制备。实验过程中有专人进行跟踪，以避免混片。60片硅片的实测电阻率数据如图1所示。

图1 60片硅片的实测电阻率数据

使用halm高精度I-V测量系统对制备好的60片成品电池进行检测分选。按照效率相差0.1%进行分档，在3个电阻率范围都抽选同一效率档位(20.26%～20.36%)的电池作为实验样品。

1)样品1：电阻率范围为1.80～3.00 Ω·cm，选取5片电池。

2)样品2：电阻率范围为1.00～1.80 Ω·cm，选取3片电池。

3)样品3：电阻率范围为0.25～1.00 Ω·cm，选取2片电池。

保留每片电池的详细电性能参数数据，按照串联电阻Rs值对以上3组样品电池进行由大到小编码排序，编号为①～⑩，然后进行串焊，并测试串焊后组件的EL。

2 结果与分析

2.1 实验结果

将本次实验选定的同一效率档位的样品电池根据串联电阻Rs值从大到小进行编码排序，每个样品对应的电性能参数分布图如图2～图6所示。

图2 每片电池的Rs分布图

图3 每片电池的Eta分布图

图4 每片电池的Isc分布图

图5 每片电池的Uoc分布图

图6 每片电池的FF分布图

实验数据显示，随着电阻率范围缩小，Rs呈下降趋势，对应的FF呈上升趋势，Uoc及Isc呈下降趋势。

对①～⑩号电池进行单片EL测试，结果如图7a所示。从测试图像可以看出，⑨号和⑩号电池的EL图像略显发暗，如图7b所示。

图7 单片电池的EL图像

按编号顺序将10片电池依次串焊在一起组成实验小组件，并测试其EL，结果如图8所示。从图中可以看出，⑨号和⑩号电池的EL发黑程度相对于其他电池较为严重，整串组件出现明暗不均的现象。

图8 串焊后的EL图像

2.2 结果分析

对于p型单晶硅太阳电池而言，EL探测到的主要是p区发的光。图9给出了在不同温度下(77 K、300 K、400 K)，p型硅中少子寿命与掺杂浓度的关系[2]。从图中可以看出，少子寿命随着掺杂浓度的增加而降低，俄歇复合的比例增加导致EL图像发暗。所以，相对于高电阻率硅片，低电阻率硅片会呈现EL图像发暗的现象。这种差异在电池串联，归一化电流密度后会变得更加明显[2]。

图9 p型单晶硅太阳电池的少子寿命与掺杂浓度之间的关系

从电学角度分析，给太阳电池串加上正向电流后，每片太阳电池会像发光二极管一般，发出近红外的光，在回路处于稳定的状态时，流过每片电池的电流Iel是一致的；若能计算出每片电池在回路中的电压降U1～U10的值，根据公式P=UI，即可计算出每片电池的等效发光功率P1～P10；而等效发光功率的大小就决定了EL图像的亮度。因此，如何计算出每片电池的电压降U1～U10是问题的核心。

根据《halm光伏高精度I-V测量系统基础培训》中的部分测量原理，串联电阻Rs是根据亮场正向和暗场正向曲线来计算的，如图10所示。串联电阻Rs的计算公式为：

式中，U0为太阳电池在暗场正向对应电流为Isc的电压降。

根据式 (1)，U0的计算公式为：

图10 I-V特性测量串联电阻Rs

给光伏组件正向通入约1倍于Isc的电流Iel进行EL测试。对于每片电池都处于暗场正向的工作状态，曲线对应Isc～Iel范围内，单片电池的电压Un与Iel基本呈线性关系变化，Un的变化幅度主要取决于电池的串联电阻Rs[2]。

以①号电池为例，其电压降U1满足：

则：

等效发光功率的计算公式为：

由此可见，等效发光功率除了正比于Iel外，还与Rs和Uoc有关。按照EL通入电流Iel为9 A，可根据每片电池的电性能参数计算出各自的等效发光功率值。按等效发光功率从大到小排列，实验组件在测试EL过程中每片电池的等效发光功率值如表1所示。

表1 实验组件在测试EL过程中每片电池的等效发光功率

从表1可以看出，⑨号和⑩号电池的等效发光功率值与其他电池相比，相差较大，所以其EL图像会发暗，这2片电池对应的电阻率范围为0.25～1.00 Ω·cm，Uoc和Rs均较小。

综上所述，对硅片进行电阻率档位区分后再投入后续生产，可以有效减少光伏组件EL明暗不均的现象；另外，在对电池成品进行电性能测试时，增加Rs和Uoc条件，并进行有效分层，也可以减少EL明暗不均的现象。

3 结论

本文从EL原理和电学理论推导2个层面解释了不同电阻率硅片制成的同功率档位(效率在0.1%偏差内)太阳电池串焊为组件后会出现EL明暗不均现象的原因：每片电池的明暗程度除了与电流成正比外，还与单片电池的串联电阻Rs和Uoc有关。硅片电阻率与基体掺杂浓度会直接影响这2个参数，硅片电阻率过低，掺杂浓度过大，基体本身过量的辐射复合及较低的载流子迁移率会导致电池的Uoc和Isc较小，但由于电池的Rs大小会使FF获得极大提升，从而使电池具有较高的Eta，因此，只通过Eta对电池进行分档已不能很好地进行区分。而通过对电池电性能参数Rs和Uoc进行有效分层，可以减少光伏组件EL明暗不均的现象。