光伏组件电池光致衰减效应(LID)研究进展

李天龙

摘要：随着p型晶体硅太阳电池转换效率的不断提高，由于光致衰减（LID）造成的效率损失问题也日益突显。电池转换效率的提升依赖硅片的质量，而硅片的质量则主要是由其中的杂质和缺陷决定的，p型掺硼直拉单晶硅太阳电池在光照下会出现效率衰退现象，因此，提高晶体硅的品质并抑制光衰的措施和机制成为光伏领域研究的重要课题。

关键词：晶体硅太阳电池;光致衰减.

Abstract：With the continuous improvement of the conversion efficiency of the p-type crystalline silicon solar cell，the problem of efficiency loss due to photoreaction （LID） is also increasingly high.Battery conversion efficiency is increased depending on the mass of the silicon wafer，and the quality of the silicon wafer is mainly determined by the impurities and defects，and the p-type boron boron Dragonfly single crystal silicon solar cell will have an efficient recession under light，and therefore，Improve the quality of crystalline silicon and inhibit measures and mechanisms of light failure becomes an important topic of research in photovoltaic fields.

Keywords：Crystalline silicon solar cell;LID

1.引言

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，随着化石能源的日益枯竭，发展清洁绿色能源引起国内外广泛关注。作为可再生能源的代表，太阳辐射能以其取之不尽、用之不竭、无污染等优势得到了科技界的高度关注与利用。其中，晶体硅太阳电池的科技进步已向人类展示了其技术成熟性和强大的生命力以及未来作为替代能源的可行性。

晶体硅太阳电池工艺技术的发展主导着光伏发电的趋势。从科学发展的导向分析，提高晶体硅太阳电池的光电转换效率、抑制光衰、降低发电成本，是晶体硅太阳电池未来发展的方向。单晶硅太阳电池是目前晶体硅太阳电池中转换效率最高的一类电池，在未来的光伏市场上占据着主导地位。单晶硅太阳电池分为两类：一类是N型高效异质结太阳电池（HIT），另一类则是全球普晶体硅太阳电池效率的光致衰减研究遍采用的p型单晶硅太阳电池工艺。

以硼掺杂的p型单晶硅已经被广泛应用于太阳电池在AM1.5的光线下照射12小时，其效率将呈指数下降（一般衰减达3～8%），然后达到一个饱和值;退火处理后，电池的性能又得到了完全的恢复，这就是现在常被提及的“光致衰减”现象[1]。晶体硅太阳电池转换效率的提高，光衰的降低主要取決于两个工艺区段的科技进步。（1）单晶硅：单晶硅晶格完整性好、氧碳含量低，非平衡少子寿命高、晶体硅中硼氧复合体的含量低，晶体生长速率快;（2）电池：高效晶体硅电池的制备工艺以及光电转换效率衰减的抑制，是目前国内外晶体硅电池发展的热点问题[2]。

本文旨在分析影响晶体硅光伏组件产生LID效应的因素和对比抑制LID效应产生的措施，分析电池片生产工艺，确定组件研究方向;通过选取合适的抑制电池片的LID效应手段，达到提升组件输出功率，实现提高光伏行业运营效益的目的。

2.晶体硅太阳电池光致衰减的机理

太阳电池用的直拉单晶硅中，会存在着氧、碳和金属杂质和位错缺陷，而杂质和缺陷正是影响太阳电池转换效率的主要因素。

2.1.直拉单晶硅中的氧

掺硼直拉单晶硅太阳电池普遍存在着光致衰减现象。对于p型掺硼直拉单晶硅太阳电池而言，其光致衰减的研究一直集中在西门子法提纯的高纯掺硼硅材料和电池上，且研究得到B-O复合体是导致光衰的主要原因[3]。

在直拉单晶硅中，氧是在晶体生长过程中与石英坩埚接触而引入，是不可避免。引入反应方式如下：

生成的SiO过程中，会有部分氧原子伴随着凝固过程进入了晶体硅中。氧原子在硅晶格中以Si-O-Si的结构形式存在。

氧对直拉单晶硅的影响是多种形式的，直拉单晶硅中的氧与空位结合便会形成微缺陷;间隙氧也可以形成具有电活性的氧团簇;而在热环境中，间隙氧可以转变为氧沉淀，形成诱生缺陷;这些都会对单晶硅太阳电池的性能产生负面影响。低温下的间隙氧几乎是不可动的，因此间隙氧在硅中可以保持严重的过饱和状态。

在一定的热处理条件下，氧会以热施主和氧沉淀两种析出的形式从直拉单晶硅中析出;而相比于热施主，氧沉淀析出的氧不具备电学性能，但氧沉淀析出的主要成分是SiOx，体积大于硅原子;在形成氧沉淀的同时，会从沉淀体中发射自间隙硅原子，导致硅晶格中自间隙硅原子的过饱和，继而发生偏聚，产生缺陷、层错等二次缺陷，这些缺陷会使p-n结形成漏电流、击穿等，对太阳电池的性能造成极为不利的影响[2]。

2.2直拉单晶硅中的碳

与氧不同，碳的原子半径要小于硅的原子半径，所以碳的存在会引入晶格畸变，这种缺陷与氧结合就会促进硅中氧沉淀的形核，形成较高密度的沉淀，从而降低硅片的少子寿命，导致太阳电池效率的降低[4]。

2.3直拉单晶硅中的金属杂质

硅中的金属杂质以处于间隙位置和单个原子的状态两种方式存在于单晶硅中。当金属杂质以单个原子的状态存在于单晶硅时，金属杂质具备电活性，会形成具有不同电荷状态的深能级;通过影响硅中载流子的浓度和寿命，影响硅材料和器件的性能。

目前，在太阳能级硅材料中，常见的金属杂质为Fe杂质，Fe在硅中以间隙态存在时会引入深能级，影响少数载流子的寿命;Geeligs L J[5]等人实验发现，在室温条件下，p型硅中的Fe原子与B结合形成Fe-B对;Fe-B对在光照下分解出的Fe对电池中的载流子具有很强的复合能力，载流子减少，电池中的少子寿命和扩散长度即会相应缩短，导致太阳电池效率的降低。Ramappa D A等人[6]通过实验证实，硅中的铜在光照下会导致太阳电池少子扩散长度的缩短;Osinniy V等人[7]研究发现，Fe-B对、B-O复合体、Cu相关的缺陷[8]都会对太阳电池的效率产生影响。

2.4直拉单晶硅中的缺陷

晶体硅中杂质、位错、加工工艺等都有可能对太阳电池的效率产生影响，如污染、裂纹、扩散不均匀等，这类缺陷的存在会大大降低电池的光电转换效率，导致电池生产的成本增加。

3 抑制晶体硅太阳电池效率衰减的措施

为了抑制晶硅电池的光致衰减效应，主要采用方法包括：（1）以掺磷的n型硅为基体制备n型电池;（2）应用区熔单晶硅或通过磁场直拉法获得低氧含量的单晶硅;（3）用Ga替代B制备掺镓晶硅电池;（4）光照下热退火使硼氧复合对转变为与氢有关的再生态[9.10]。

掺磷的n型单晶硅中不存在B-O对，可以从根源上解决B-O造成的光致衰减问题，达到有效避免太阳电池的光致衰减;但使用掺磷的n型单晶硅，n型单晶硅中少数载流子是空穴，而p型单晶硅中则为电子，空穴的迁移率要低于电子的迁移率，因此，使用掺磷的n型单晶硅会对太阳电池的效率产生不利影响。

使用低氧单晶硅利用区熔法生长单晶硅，可以大幅减少单晶硅中氧的引入，使B-O复合体的形成浓度降低，降低了太阳电池效率光致衰减的发生率;但该方法制作成本较高。

太阳电池制备引入新工艺是在电池制备过程中，引入如升降温工艺[11]、氧化工艺[12]和磷吸杂工艺[13]等都可以降低电池的光致衰减，新工艺对光衰的抑制主要是利用了这些工艺抑制了高温条件下B-O复合体中双氧的形成，降低了双氧的浓度，亦即降低了B-O复合体的浓度。

再生态（第三态）转变是通过光照和加热两种条件，或在电池上加正向偏压的同时对太阳电池进行加热处理，经过处理后的太阳电池在室温下再进行光照就不再发生效率衰减，实现再生态的转变[4]。

在p型单晶硅中使用其它受主杂质（如镓）代替硼。张三洋[14]等人采用掺镓晶硅和掺硼晶硅制备的寿命片和太阳电池片分别进行光致衰减实验，采用掺镓晶硅与掺硼晶硅两种材料制备SiNx和Al2O3/SiNx钝化的寿命片和相应的单晶PERC电池和多晶常规电池;实验发现，掺镓单晶寿命片的少子寿命衰减率比掺硼单晶寿命片低50%左右，掺镓单晶PERC电池和掺镓多晶常规电池转换效率的衰减率比掺硼单晶PERC电池和掺硼多晶常规电池分别降低3.41%和0.92%。这些结果表明晶硅太阳电池的光致衰减效应主要是晶硅中少子寿命降低导致的，晶硅掺镓后能有效抑制太阳电池的光致衰减现象。

陈健生[15]等人通过光辐照的方式分别对电池片和经过光衰处理后的电池片进行抑制光衰和光衰恢复处理;结果表明，相比于电池片，经过光衰处理后的電池片光衰得到很好的恢复，并且达到了一个相对稳定的状态，这说明光恢复处理可以很好地改善掺硼p型晶体硅太阳电池的LID现象。本次实验发现，针对p型高效电池结构钝化发射区和背表面电池PERC技术来说，光恢复处理工艺基本上克服了LID的现象，24h光衰幅度仅为0.03%。

4.结论

目前，晶体硅太阳电池是光伏发电的主体，而晶体硅太阳电池中的光致衰减现象已成为制约高效太阳电池发展的一个重要因素。本文通过从机理分析晶体硅光伏组件产生LID效应的因素，对比抑制LID效应产生的措施，采用在p型单晶硅中使用其它受主杂质代替硼措施可以有效增强晶体利用率;其中，掺镓单晶硅既可以利用低电阻率条件制作较高效太阳电池，又可以通过抑制光致衰减来避免光电转换效率的降低，是一种非常理想的选择。

参考文献：

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[3]Schmidt J，Bothe K.Structure and transformation of the metastable boron-and oxygen-relateddefect center in crystalline silicon[J]Phys Rev B，2004，69：024107.

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