p/n型电池组件LeTID表现及光注入效果研究

2021-06-03张银环

电源技术 2021年5期

姜倩，苗林，雷柳，张银环，王勃

(国家电投集团西安太阳能电力有限公司，陕西西安 710100)

光伏行业高效电池技术在不断发展，PERC(passivated emitter and rear cell)、PERT(passivated emitter，rear totallydiffused cell)电池已成为主流产品。钝化技术的提升降低电池表面复合，电池对吸收光的利用率提高，转换效率提升。但高效率背后的稳定性是值得探索和验证的课题。目前p 型PERC、n 型PERT 电池组件是否存在热辅助光致衰减(LeTID，light elevated temperature induce degradation)以及其长期衰减性能的表现是行业讨论评估的热点问题，其中光致衰减(LID，light induced degradation)机理认识深入，光注入、退火等抗光衰方案已经得到不同程度的产业化应用，而LeTID 衰减是一个漫长的过程，双面电池在这方面的长期可靠性与稳定性尚未得到充分验证。新南威尔士大学(UNSW)、德国康斯坦兹大学(Konstanz)、弗劳恩霍夫研究所(Fraunhofer)等知名大学和机构对LeTID 进行了广泛而深入的研究，但尚未得出一致的认知。IEC 也未发布有关LeTID 评价标准。目前有关LeTID 评价仍在参考IEC 61215(草案)相关条款。

本文主要研究PERC、PERT 电池组件在LeTID 方面的性能表现和光注入在两种电池上的应用效果，以及其长期可靠性及稳定性。

1 LeTID 及光致再生的现状研究

1.1 p/n 型电池结构介绍

PERC 是利用SiNx、Al2O3在电池背面形成钝化层，作为背反射层，增加长波光的吸收，同时将p-n 极间的电势差最大化，降低载流子复合，提升转化效率。PERC 电池结构简图见图1。

图1 PERC电池结构简图

PERT 是钝化发射极背表面全扩散，背面浅磷扩散形成后表面场，正面硼扩散形成pn 结,前表面Al2O3形成钝化层，双面镀SiNx减反钝化层，增加光的吸收。PERT 电池结构简图见图2。

图2 PERT电池结构简图

新型高效电池的钝化技术不断优化，增加了长波段入射光子的有效吸收，然而电池背面产生的光生少数载流子需要经历较远的路径才可以被有效分离收集，载流子传输距离加长，复合几率高。电池双面钝化，表面复合速率低，光致衰减引起体寿命衰减占比加大。PERC 型电池缺少背部铝吸杂，金属复合中心会引起一定的衰减。n 型材料中的常见杂质对少子空穴的捕获能力低于p 型材料中的杂质对少子电子的捕获能力，对金属的杂质的容忍度高，因此这一因素导致的衰减较低。

1.2 LID 机理研究现状

光致衰减LID 主要指由p型硅中的杂质硼(B)和氧(O)形成的一种缺陷(简称BO 复合体)，在光照或者正偏压下产生，导致性能降低。其缺陷浓度与B 浓度成正比，与O 浓度平方成正比。形成速率与温度成Arrhenius(阿伦尼乌斯)关系，与硼浓度平方成正比[1]。BO-LID的加速光衰-暗退火循环见图3。

图3 BO-LID 的加速光衰-暗退火循环[2]

对于BO-LID，暗退火可以使已经再生的硼氧复合体被分解，再一次光照产生新的衰减循环。这样的循环被“加速光衰-暗退火”过程验证。循环过程周期，幅度接近，BO-LID 衰减可恢复。

1.3 LeTID 机理研究现状

热辅助光致衰减与p 型掺杂剂以及硅中的金属杂质有关，生成速率较慢，缺陷浓度与温度、硅片质量与掺杂情况、硅片热历史、光照强度、电池工作状态等均存在一定关系。衰减路径与LID 相似，缓慢衰减过程可达数千小时。目前认为可能的机制一是金属杂质(Cu、Fe、Ni 等过渡金属)引起的衰减[3]；二是氢致衰减，氢含量太高造成衰减；氢原子不仅可以起到钝化杂质和缺陷的作用，过多的氢可以诱发形成部分复合中心。钝化了杂质和缺陷部位的氢键很容易由于高温和光照受到破坏,以更快的速度释放弱键氢,从而导致衰减；三是背部电介质去钝效应引起衰减，即AlOx/SiNx钝化膜衰减[4]。LeITD 加速光衰-暗退火循环见图4。

图4 LeITD 加速光衰-暗退火循环

氢原子与其它杂质形成缺陷对的价态变化是衰减的根源。介质层是电池内部主要的氢来源。常用的介质层是SiNx/Al2O3,其中SiNx的氢含量较高、大于10%；Al2O3的氢含量较少、约3%。烧结时介质层释放的氢进入硅片,形成弱氢键，钝化了缺陷部位。这些氢键很容易由于高温和光照受到破坏,以更快的速度释放弱键氢H0,从而导致衰减。随着时间的推移,恢复进程被激活，然后达到饱和状态。释放的氢又会形成氢键，稳定的氢键会钝化缺陷部位。

2 PERC 与PERT电池LeTID 的性能表现

2.1 PERC 电池LeTID 衰减特性

利用稳态太阳模拟器进行电池LeTID 测试。依据IEC 61215(草案修改版)给出的组件LeTID 测试条件，测试温度75 ℃，辐照度1 000 W/m2。PERC 电池75 ℃LeTID 测试趋势图见图5。

图5 PERC电池75 ℃LeTID 测试趋势图

单面、双面PERC 电池衰减趋势类似，随着辐照量的增加呈现下降趋势；二者都存在一定的长期缓慢衰减现象。

2.2 PERT 电池LeTID 衰减特性

PERT 电池LeTID 测试，按测试温度75 ℃，高辐照1 300 W/m2，标准辐照1 000 W/m2进行。PERT 电池75 ℃LeTID 测试趋势图见图6。

图6 PERT电池75 ℃LeTID 测试趋势图

PERT 电池在初始阶段效率提升幅度较大，辐照量累积到90 kWh/m2时开始下降；长期的高辐照环境下电池的衰减增大，电池的性能下降较明显；与PERC 对比，PERT在初期并没有看到衰减的趋势，在LeTID 方面性能表现优。PERT 电池高温衰减电性能数据变化见表1，PERT电池EQE趋势对比见图7。

表1 PERT 电池高温衰减电性能数据变化

图7 PERT电池EQE趋势对比

从趋势结果来看效率前期会有一个提升，其参数变化主要是开路电压的影响，在EQE曲线中表现出短波段的增益；提升原因考虑是温度及辐照有利于氢原子(H)在硅晶体中扩散，使得氢原子(H)对缺陷的钝化能更加有效和快速地进行；Al2O3/SiNx中的氢原子(H)扩散到硅片表面与悬挂键结合实现钝化，改善了氢原子(H)钝化效果[5]。

2.3 PERC/PERT 组件LeTID 测试

两种组件LeTID 测试，测试温度75 ℃，电流Isc-Impp，进行4 个循环，每个循环162 h。PERC 组件LeTID 衰减趋势见图8，PERC 组件LeTID 测试前后EL 图对比见图9。

图8 PERC组件LeTID 衰减趋势

对比PERC 组件前后的EL 图，明显可以看出LeTID 测试后，个别电池片对应的EL 图明显发暗，可以说明电池的发电性能变差。

PERT 组件LeTID 衰减趋势见图10，PERT 组件LeTID 测试前后EL 图对比见图11。

图10 PERT组件LeTID衰减趋势

图11 PERT组件LeTID 测试前后EL图对比

PERC 组件在LeTID 循环测试过程中功率呈现下降趋势，在4 个LeTID 循环测试过程中功率略有下降，总衰减率正面为1.36%，背面为2.53%；PERT 组件LeTID 循环测试过程中并未出现衰减，4 个LeTID 循环测试过程中功率保持较好，648 h 后功率反而略有提升，正面提升了0.49%，背面提升了0.71%。从图8 和图10 的电池组件EL 测试结果来看，PERC组件在LeTID 测试前后部分电池出现发灰发黑等失效现象，PERT 组件EL 前后没有明显变化。PERT 组件抗LeTID 优势明显，性能稳定。

3 光注入PERC 及PERT 电池

3.1 光注入PERC 电池效果

PERC 电池有一定程度的LeTID 衰减，且经过降衰减处理后仍然存在一定的衰减，因此下文研究验证了光注入的效果。对比了不同注入条件后衰减的趋势变化。

光注入测试，测试温度75 ℃，辐照度1 000 W/m2，样品处理，17 倍太阳光照1 次注入(17 SUN、200 ℃、35 s)，17 倍太阳光照2 次注入(17 SUN、200 ℃、70 s)，40 倍太阳光照1 次注入(40 SUN、200 ℃、35 s)。PERC 电池不同光注入条件后高温衰减趋势见图12。

图12 PERC电池不同光注入条件后高温衰减趋势

从光注入后的衰减曲线来看光注入处理后还会有一个缓慢的衰减过程，不同注入条件后衰减曲线大致相同，在初期衰减较快；17 倍太阳光的强度2 次注入处理后总衰减为0.34%，40 倍太阳光的强度1 次注入后总衰减为0.29%，17 倍太阳光的强度1 次注入处理后总衰减为0.38%；多次光注入会减缓后期的高温衰减。组件通过光注入，可以改善电池抗衰减能力，用更强的光注入会取得更佳的抗衰减效果。

3.2 不同预处理PERC 电池光注入效果

为了考虑电池在使用或者放置较长时间后效率的恢复问题，将未预处理、60 h LID、200 h LID 处理的PERC 电池片，用40 倍太阳光的光强进行光注入后，进行高温(75 ℃)衰减测试。不同预处理PERC 电池光注入后高温(75 ℃)衰减见图13，不同预处理PERC电池光注入后高温(75 ℃)衰减率见图14。