硅片質(zhì)量對太陽能電池性能的影響

1、硅片質(zhì)量對太陽能電池性能的影響尚德電力控股有限公司 張光春1.引言 2007年全球商業(yè)化光伏電池市場中，由單晶硅和多晶硅組成的晶體硅太陽能電池的市場份額達87.4%，是光伏市場的絕對主流產(chǎn)品，而且在可見的未來幾年內(nèi)，這種局面不會改變。 1999年-2007年全球商業(yè)化光伏電池市場份額硅片作為晶體硅太陽能電池的基礎(chǔ)材料，其質(zhì)量對電池性能具有很重要的影響。一方面，硅片的內(nèi)部缺陷和雜質(zhì)會直接影響電池的效率和穩(wěn)定性；另一方面，硅片的外觀缺陷和表面質(zhì)量對電池的制造和外觀等也具有很重要的影響。 只有通過硅片供應(yīng)商和電池片制造商的共同努力，不斷改善和提高硅片質(zhì)量，才能更好地為我們的客戶提供高質(zhì)量的電池和組件

2、。 2. 單晶硅片質(zhì)量對電池性能的影響 單晶硅由于其本身內(nèi)部完整的晶體結(jié)構(gòu)，其電池效率明顯高于多晶硅電池。然而，單晶硅內(nèi)部雜質(zhì)和晶體缺陷的存在會嚴重影響太陽能電池的效率，比如： (a)光照條件下B-O復合體的產(chǎn)生會導致單晶電池的早期光致衰減； (b)內(nèi)部金屬雜質(zhì)和晶體缺陷（位錯等）的存在會成為少數(shù)載流子的復合中心，影響其少子壽命，導致電池性能的下降。 21少子壽命對電池性能的影響 少子壽命是指半導體材料在外界注入（光或電）停止后，少數(shù)載流子從最大值衰 減到無注入時的初值之間的平均時間。 少子壽命是用于表征材料的重金屬沾污及體缺陷的重要參數(shù)，少子壽命值越大，相應(yīng)的材料質(zhì)量越好。少子壽命已成為生產(chǎn)

3、線上常規(guī)測試的一個參數(shù)。 我們選取某供應(yīng)商某批單晶硅片進行實驗，將硅片按不同少子壽命區(qū)分后，按正常電池工藝做成電池，其少子壽命和電池效率具有很好的對應(yīng)關(guān)系，如下圖所示。 2.2 早期光致衰減對電池性能的影響 早期光致衰減機理 P型摻硼晶體硅太陽電池的早期光致衰減現(xiàn)象最早在30多年前就有相關(guān)報道。大量的科學研究發(fā)現(xiàn)它與硅片中的硼氧濃度有關(guān)，大家基本一致的看法是光照或電流注入導致硅片中的硼和氧形成硼氧復合體，從而使少子壽命降低，但經(jīng)過退火處理，少子壽命又可恢復，其反應(yīng)為： 正是由于摻硼單晶硅在光照條件下硼氧復合體的生成，引起少子壽命的下降，最終導致太陽電池和組件功率的下降。 關(guān)于這方面的詳細研究，

4、尚德公司已在第十屆光伏大會上發(fā)表論文“P型晶體硅光伏電池和組件早期光致衰減問題的研究” 。 光致衰減的危害 光伏組件的早期光致衰減 （一）會引起組件功率在使用的最初幾天內(nèi)發(fā)生較大幅度的下降，使標稱功率和實際功率不符，使組件供應(yīng)商面臨客戶投訴或索賠。 （二）光伏組件的光致衰減主要是由電池衰減導致的，同一組件內(nèi)各個電池片由于光致衰減的不一致性造成原本分選時電性能一致的電池片，經(jīng)過光照后，電性能會存在很大偏差，引起組件曲線異常和熱斑現(xiàn)象，導致組件的早期失效。 低質(zhì)電池光致衰減不一致性實例 我們將某供應(yīng)商提供的質(zhì)量較差的硅片做成的初始分選效率為16%的電池片，經(jīng)弱光光照1.5小時后(光源為節(jié)能燈)，發(fā)

5、現(xiàn)電池片效率衰減很多，且離散性也很大，效率最高的為15.4%，最低的僅為13%，衰減比率達3.75%至18.75%。 低質(zhì)硅片做成的同一檔次電池經(jīng)弱光光照后效率分布圖上述經(jīng)弱光光照的電池片重新分選檢測后，按轉(zhuǎn)換效率的分布情況做成14 塊組件，經(jīng)太陽光光照1天和2天后的功率對比如下圖所示。 試驗結(jié)論： 此供應(yīng)商的硅片制作的電池片本身衰減較為嚴重，如果電池片不經(jīng)過光照和二次分選而直接做成組件，尤其是衰減較為嚴重的那部分電池片，會分散在各個組件內(nèi)，影響到組件的整體功率下降更多，并且將導致組件曲線異常和熱斑。 上述結(jié)果也說明，普通的節(jié)能燈沒有使該電池片衰減到穩(wěn)定的程度，因此做成的組件在太陽光光照后仍然

6、出現(xiàn)了較大的衰減。但是通過光照后二次分選剔出了效率極低的電池片，并使得每個組件內(nèi)電池片效率均勻性基本一致。 初始分選效率16%的電池片理論上可做成172W的組件，但經(jīng)過光致衰減后，最終的做成最大僅155.71W組件和最小僅143.78W的組件，衰減比率達9.47%至16.4%!因此，嚴格把控硅片質(zhì)量是保證電池和組件性能穩(wěn)定的根本措施。 早期光致衰減導致的組件臺階曲線和熱斑現(xiàn)象 臺階曲線和熱斑現(xiàn)象分析： 光伏組件的核心組成部分就是太陽電池，如果太陽電池發(fā)生光致衰減，就必然導致光伏組件的輸出功率下降，并極易在組件中引起熱斑。 若一串電池中產(chǎn)生的電流不一致時，通過這串電池的電流將在問題電池上引起熱斑

7、；若電池串與串之間電流不一致，在接了旁路二極管的組件特性曲線上可看到“臺階曲線”。 通過測量光照前后組件的輸出特性曲線和紅外成像分析,可以考察組件的初始光致率減現(xiàn)象。 如果組件中電池的衰減不一致，將導致IV曲線出現(xiàn)臺階。 對于出現(xiàn)臺階曲線的組件用紅外成像檢查，可發(fā)現(xiàn)有組件出現(xiàn)熱斑，如右圖所示，該組件溫差大于20 。 這種熱斑的溫度與周圍電池的溫度相差較大，過熱的區(qū)域可引起EVA加快老化變黃，使該區(qū)域透光率下降，從而使熱斑進一步惡化，導致組件的早期失效。 早期光致衰減的解決方案 （一）改善硅單晶質(zhì)量 硅片自身的性質(zhì)決定了太陽電池性能的早期光致衰減程度。 (A) 利用磁控直拉硅單晶工藝（MCZ）改

8、進單晶硅棒產(chǎn)品質(zhì)量； (B) 使用摻磷的N型硅片； (C) 改變P型摻雜劑，用鎵代替硼。 尚德公司與供應(yīng)商合作在摻Ga單晶方面做了大量研究工作，克服了相關(guān)技術(shù)難題，并于今年8月份聯(lián)合供應(yīng)商召開了摻Ga工藝推廣會，把這一技術(shù)成果無償提供給社會。 （二）電池片光照預衰減 通過對電池片進行光照預衰減,使電池的早期光致衰減發(fā)生在組件制造前，組件的衰減就完全可以控制在測量誤差之內(nèi)。同時也大幅度地減少了光伏組件出現(xiàn)熱斑的幾率，提高了光伏組件的輸出穩(wěn)定性，為我們的用戶帶來更多的效益。 尚德公司利用光照預衰減設(shè)備，將衰減比率大的電池片全部進行光照預衰減，主動承擔因電池衰減而造成的損失，保證了光伏組件輸出穩(wěn)定性

9、和客戶的利益。 2.3 位錯對電池性能的影響 組件EL和電性能測試 我們對大量低檔電池片及其組件進行了研究，某低檔電池片做成的組件其EL測試如下左圖所示。組件的電池片中存在著大量黑心和黑斑的情況。 電致發(fā)光EL（Electroluminescence）照片中黑心和黑斑反映的是在通電情況下該部分發(fā)出的1150nm紅外光相對弱，故在EL相片中顯示為黑心和黑斑，發(fā)光現(xiàn)象和硅襯底少數(shù)載流子壽命有關(guān)。由此可見，黑心和黑斑處硅襯底少數(shù)載流子壽命明顯偏低。 組件電性能測試如下右圖所示。由圖可見，組件短路電流Isc（4.588A）和最大功率Pmax（143.028W）明顯偏低；此類正常組件短路電流Isc一般為

10、5.2A，最大功率Pmax一般為175W以上。說明組件中存在著大量低效率電池片，導致組件功率的嚴重下降。 組件EL測試 光照條件組件電性能測試 電池片EL和電性能測試 電池片EL測試如下圖所示，其黑心和黑斑現(xiàn)象如組件EL測試所見。 光照條件電池電性能測試如下所示。 兩片電池效率和Isc均明顯偏低,而此類正常電池片效率約為17.5%左右，Isc為5.3A。 Uoc Isc Rs Rsh FF NCell Urev2 Irev2 樣片1 0.613 4.73 0.026 16.99 56.67 0.1106-12 1.041 樣片2 0.587 4.62 0.005 104.2176.6 0.13

11、99-12 0.165 硅片少子壽命測試 電池經(jīng)過去SiN膜、去正反電極、去鋁背場和n型層，再經(jīng)碘酒鈍化后，硅片少子壽命測試如下圖所示。 電池片EL測試黑心和黑斑區(qū)域少子壽命明顯偏低。 硅片位錯密度 硅片經(jīng)化學腐蝕后，其形貌如下圖所示。 硅片“黑心內(nèi)” 位錯密度均最高達1E61E7個/cm2左右；另一硅片，EL測試黑斑區(qū)域位錯密度達1E51E6個/cm2左右，如下圖所示。 “黑心內(nèi)”位錯密度1E61E7（×500倍） 另一硅片位錯密度1E51E6（×500倍） 綜上所述，正是由于硅片中存在著極高的位錯密度，成為少數(shù)載流子的強復合中心，最終導致電池性能的嚴重下降。 3. 多晶

12、硅片質(zhì)量對電池性能的影響 多晶硅太陽電池的市場份額已遠遠超過單晶硅太陽電池，成為光伏市場的主要產(chǎn)品。然而，與直拉單晶硅相比，多晶硅中存在著高密度的缺陷和雜質(zhì)，如晶界、位錯、氧碳和金屬等。 一方面，作為位錯、晶界和雜質(zhì)最集中的微晶區(qū)域會顯著影響材料的電學性能，并最終影響電池性能； 另一方面，由于多晶硅中各部分缺陷和雜質(zhì)分布的不均勻性，造成單片多晶硅片性能上的明顯差別，研究表明，其少子壽命最低區(qū)域?qū)﹄姵匦阅芫哂袥Q定性的影響。 3.1 少子壽命分布對電池性能的影響 由于多晶硅片內(nèi)部雜質(zhì)和缺陷的不均勻性，其少子壽命分布也具有很大的不均勻性，而最終決定所做電池效率的是硅片少子壽命最小值。 我們選取一批硅

13、片，每片測試五個點（邊角四個點和中心一個點）的少子壽命（去損傷層后碘酒鈍化），再按正常工藝做成電池測試其電池效率。 硅片少子壽命五點中最大值由小到大排列時,相應(yīng)電池片的效率如下圖所示。 硅片少子壽命五點平均值由小到大排列時,相應(yīng)電池片的效率如下圖所示。 硅片少子壽命五點中最小值由小到大排列時,相應(yīng)電池片的效率如下圖所示。 切方之后的硅錠需要通過少子壽命掃描，將頭尾少子壽命很低的區(qū)域切除，如下圖所示。否則，這些低少子壽命的硅片會嚴重影響電池的效率。 3.2 微晶和分布晶對電池性能的影響 微晶和分布晶的描述和形貌 微 晶 分布晶 微晶：晶粒尺寸小于2mm，呈連續(xù)分布，具有一定面積的晶體。 分布晶：

14、大晶粒上分布具有一定特征的小晶粒。 微晶和分布晶的SEM分析 微晶和分布晶的EDS分析 微晶和分布晶的少子壽命和漏電分析 硅片少子壽命掃描圖 電池片Rsh掃描圖 微晶和分布晶區(qū)域大量晶粒的形成，必然有大量雜質(zhì)作為形核中心參與形核，甚至造成硅熔液中成分過冷，而形成大量微晶和分布晶。另一方面，由于微晶和分布晶區(qū)域大量雜質(zhì)和晶界的存在，必然也伴隨著大量位錯的存在，因此，微晶和分布晶區(qū)域是晶界、位錯和雜質(zhì)三者的聚集區(qū)。 反過來，晶界和位錯對雜質(zhì)具有很強的偏聚和沉淀作用，而且低溫熱處理過程，會加速晶界和位錯對雜質(zhì)的偏聚和沉淀。所以，微晶和分布晶區(qū)域是少數(shù)載流子的強復合中心，會導致材料電學性能的嚴重下降。

15、如上圖硅片少子壽命掃描圖。 對微晶和分布晶區(qū)域SEM和EDS分析顯示，在微晶和分布晶區(qū)域尤其是其晶界處具有很深的腐蝕坑，而且存在大量長條狀SiC和SiN。一方面說明了微晶和分布晶區(qū)域晶界處存在大量的位錯、雜質(zhì)和缺陷，所以具有很高的腐蝕速度，容易形成較深的腐蝕坑。 另一方面，如下圖所示，太陽能電池可認為是無數(shù)二極管的并聯(lián)，但是由于貫穿PN結(jié)的長條狀導電型SiC的存在，會造成電池的嚴重漏電Ileak甚至PN結(jié)短路，使電池性能嚴重下降甚至報廢。如上圖電池片Rsh掃描圖所示漏電。 典型微晶和分布晶模擬光強電池性能測試 Uoc Isc Rs Rsh FF NCell Irev2 0.248 7.324

16、-0.035 0 24.906 0.0186 12.177 結(jié)論： 在多晶硅片上，作為晶界、位錯和雜質(zhì)三者聚集的微晶區(qū)域，是少數(shù)載流子的強復合中心，會嚴重影響硅片的少子壽命。 而微晶區(qū)域，尤其是晶界處垂直于PN結(jié)的長條狀導電型SiC的存在，會造成多晶硅電池的嚴重漏電甚至PN結(jié)局部短路，使電池性能嚴重下降甚至報廢。 4. 硅片各種不良對電池性能的影響 4.1 硅錠研磨拋光對電池性能的影響 作為脆性材料，多晶大錠切方后，在小硅錠表面會有機械損傷層存在，包括碎晶區(qū)、位錯網(wǎng)絡(luò)區(qū)和彈性應(yīng)變區(qū)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。碎晶區(qū)又稱微裂紋區(qū)，是由破碎的硅晶粒組成的；位錯網(wǎng)絡(luò)區(qū)存在大量位錯；彈性應(yīng)變區(qū)則存在彈性應(yīng)變，

17、硅原子排列不規(guī)整。 由于損傷層的存在，尤其有大量微裂紋的碎晶區(qū)的存在，在后續(xù)的切片、電池片生產(chǎn)和組件生產(chǎn)過程中，很容易成為裂紋的起始點，引起硅片或電池片的隱裂、微裂紋、崩邊和碎片。 因此，多晶大錠在切方成小硅錠后一般都需要通過機械研磨或化學拋光，去除或減小硅錠表面損傷層。 如下圖所示，我公司某供應(yīng)商四五月份硅錠未經(jīng)機械研磨或化學拋光的硅片在電池線生產(chǎn)的平均碎片率約為1.5%左右，而其硅錠經(jīng)過機械研磨之后的硅片，平均碎片率僅為0.7%，降低了一倍多。 4.2 硅片鋸痕、臺階和厚薄不均對電池性能的影響 我公司針對某供應(yīng)商的鋸痕、臺階和厚薄不均片等不良硅片進行了批量實驗。其中鋸痕片凹凸深度大于30um，臺階片深度為3040um，厚薄不均片范圍為130330um。 鋸痕、臺階和厚薄不均片由于在硅片上存在局部區(qū)域的高低起伏和厚度差異，在電池制造的各道工序會因受力不均而引起碎片率的上升。在絲網(wǎng)印刷工序，尤其對于硅片局部區(qū)域高低突變的鋸痕和臺階片，很容易造成電極或背場的漏印，引起電極不良。 如下圖所示，鋸痕、臺階和厚薄