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韩华
一文看懂单、多晶电池光衰原理
发表于:2018-11-19 08:58:21
来源:北极星太阳能光伏网作者:List
 1.晶硅组件的光衰

硼(B)掺杂的P型单晶硅(Cz-直拉法)电池的光衰现象早在1973年已发现,该光衰之后被发现可一定程度恢复的。Jan Schmidt发现了该光衰主要是“B-O对”引起的并给出了该缺陷的结构(2003)。Axel Herguth提出了“再生态”理论解释初始光衰后功率恢复并保持稳定的原理(2006)。P型多晶硅电池的衰减则因氧含量相对少而恢复过程不明显,该衰减被认为不仅与B-O对相关,同时也与金属杂质相关。



B-O引起的光衰经过一段时间的光照可有一定程度的恢复,如P型单晶硅组件在最初户外运行的2~3个月,会经历较明显的衰减与部分恢复过程,商业化产品首年的衰减可保持在3%以内,P型多晶组件的首年衰减则一般按 2.5%来质保,电池均无需经过“再生”处理。

2.PERC组件的光衰


P型PERC技术对晶硅电池背面做钝化,电子需要扩散更长的距离经过激光开槽处才能传输到背面的铝电极,因此缺陷与杂质会引起更加明显的光衰。如下图所示,P型单晶PERC电池的光衰均高于常规单晶,P型多晶PERC电池的光衰也高于常规多晶,单晶PERC电池光衰达到3%后开始恢复,多晶PERC电池在约40小时光衰快速达到约3%后继续衰减至5.5%以上,铸造单晶在400小时内也并未发生光衰恢复。


因此PERC电池需要经过“再生”处理,如下图所示,在130摄氏度1.2suns光照1小时的再生处理并稳定后,单晶PERC电池效率可恢复初始值的99.5%。2014年起单晶PERC技术开始规模应用的原因就是:1发现了具有很好钝化效果的AlOx,2通过产业化的“再生”处理可以对单晶PERC电池的光衰有效控制。研究人员也发现光致衰减实际上是载流子(Carrier)引起的光衰,LID也就可以称之为CID,高剂量光照或高电流注入均可以加速“再生”过程,生产出“B-O光衰”基本被消除的PERC电池。值得指出的是:常规单晶电池如经过再生处理后的光衰表现略优于单晶PERC电池,很可能是 “B-O光衰”光衰被基本消除后杂质引起的光衰所起的作用,所以制造单晶PERC电池有必要注意硅片的杂质含量。


UNSW(新南威尔士大学)认为(光致)再生过程的机理在于促使P型硅中存在的H+转化为H0,H0可以钝化BO+缺陷乃至金属离子如Fei+、Cri+,商业化的光致再生设备因需要高生产速率,因此需要利用到高强度的光照(如激光)以在几秒钟内完成再生过程。如下报告列举了5家提供光致再生(LIR,Light induecd regeneration)设备的企业,其设备均有很好的处理效果。


国内的晶宝、时创、昊建等均开发了电注入(电致再生)设备,不同于光注入设备需要在电池端与在线生产,电注入设备可以离线布置在电池端或组件端,多个电池片堆叠通电处理,在制造端也得到了大规模的应用。

另外,掺Ga的P型硅与掺磷的N型硅则可以根本上杜绝了“B-O”衰减,也可以解决单晶PERC技术的光衰风险。因此单晶PERC技术规模应用在理论上不存在问题,却对硅片品质与电池技术提出了更高的要求,光伏电站投资者需要选择技术可靠的供应商以避免风险。

3.多晶PERC光衰与LeTID

根据以下2012年的 研究,低氧与掺Ga均无法解决多晶PERC电池的光衰问题,并展示了不同温度下测试光衰的差别,75oC下的光衰明显高于25oC的结果,而75oC是组件户外工作时可能出现的温度。


因此Q-Cells在15年命名的LeTID(Light and elevated Temperature Induced Degradation,光与升温导致的衰减)并不是一个新的概念,不少文献还是坚持使用LID in mc-silicon(多晶光衰)来描述同一现象。Q-Cells发现多晶PERC电池的开路电压衰减在95oC高载流子注入的情况下在800小时后恢复至约99%,表明了多晶PERC电池再生态处理理论上的可行性,但由于耗时非常久,产业化付出的成本就会很高。


多晶PERC电池在暗退火处理(如150oC,10小时)时可发生类似的衰减行为,研究者认为该过程与LeTID有相同的机理,因此可以通过研究暗退火过程以确定LeTID的根本原理。UNSW发现P型Cz单晶硅、Fz单晶硅以及N型硅在暗退火后也会发生衰减(考虑到暗退火条件并不见于户外应用,没有必要因此担心单晶PERC技术的产业应用)。UNSW发现了LeTID与氢的相关性;M. A. Jensen认为LeTID是氢与硅片中的一种和几种缺陷共同作用导致的(evaluating root cause: The distinct roles of hydrogen and firing in activating light and elevated temperature-induced degradation,2018);Kenta Nakayashiki认为根本原因可能是两个:1氢和深能级施主缺陷共同形成的点缺陷;2含Cu复合缺陷的构型变化(Engineering Solutions and Root-Cause Analysis for Light-Induced Degradation in p-Type Multicrystalline Silicon PERC Modules, 2016);Mallory A. Jensen则发现杂质元素Cu和Ni在LeTID过程中起着关键作用 (Solubility and Diffusivity: important Metrics in the Search for the Root Cause of Light and Elevated Temperature-Induced Degradation, 2018)

总之,多晶PERC的LID(或称LeTID)的根本原因仍没有定论,考虑到各研究者都有实验依据,光衰很可能是多种因素共同作用导致的。对于产业化的解决上,多晶PERC生产商需要做的包括严控多晶硅片质量(采用高品质硅料),长时间'再生'处理以及严控电池出厂光衰测试(75oC测试,提高抽测频次)。考虑到18年下半年多晶硅片处于亏本销售的情况,差的硅料、回料很可能被用到,质量相对较差的硅片制成的多晶PERC组件在系统中存在较高的潜在风险。

目前晶硅电池LeTID的测试标准正在讨论中,对于多晶PERC的光衰管控只有出厂测试才有意义,仅仅看第三方的送样测试结果的参考价值不大,一方面多晶硅片来自铸锭不同位置,硅片内部缺陷的情况有不同;另一方面单片电池/组件是可以通过特殊处理做到低光衰的。

4.总结

A.P型PERC电池的光衰明显高于常规BSF电池,因此需要进行“再生”处理;

B.单晶PERC电池的光衰以“B-O”光衰为主,原理上可通过光注入、电注入及掺Ga来解决,但对制造商技术水平提出更高要求,投资者需选择可靠供应商。

C.多晶PERC电池的光衰机理复杂,也会发生“再生”过程但耗时很久,产业化需要使用高品质硅片并加强电池的出厂光衰管控。

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