組件殺手太陽電池的熱擊穿

組件殺手太陽電池的熱擊穿第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日序言組件損傷的照片。經(jīng)過我們初步研究后判定組件損傷是由組件內(nèi)太陽電池?zé)釗舸┧隆?第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日序言3第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日P-N結(jié)的擊穿分為兩類電擊穿和熱擊穿4第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日P-N結(jié)的擊穿1.P-N結(jié)的電擊穿當(dāng)P-N結(jié)施加反向偏壓增大到某一數(shù)值VBR時，反向電流密度突然開始增大，這個現(xiàn)象稱為P-N結(jié)擊穿。BRVⅠPNA-+A+-5第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日P-N結(jié)的擊穿1.1雪崩擊穿雪崩擊穿是指由于載流子雪崩般大量增加，而產(chǎn)生的電擊穿。擊穿電壓大于6伏時，主要是雪崩擊穿。當(dāng)P-N結(jié)上的反向電壓增加，耗盡層中的電場也增加。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到105伏/cm以上時，耗盡層中熱產(chǎn)生的電子和空穴在電場的作用下加速，獲得相當(dāng)大的能量。它們與晶格原子碰撞，把能量傳給晶格原子中的價電子，使之脫離原子的束縛而成為載流子。這就產(chǎn)生了一對電子一空穴對。新老載流子在電場作用下加速，再重復(fù)上述載流子倍增過程，結(jié)果是耗盡層中的載流子雪崩般地倍增，使反向電流迅速增大。P-N結(jié)的電擊穿有兩種機(jī)理：一是雪崩擊穿，二是齊納擊穿。6第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日1.2齊納擊穿P-N結(jié)的齊納擊穿是本質(zhì)上不同于雪崩擊穿的一種電擊穿機(jī)理。它主要依靠耗盡層中的強(qiáng)電場（約106伏/cm）直接把晶格原子中的價電子從束縛狀態(tài)中解放出來為載流子，從而使反向電流劇增。它適用于擊穿電壓在4伏以下的鍺、硅PN結(jié)的電擊穿。P-N結(jié)的擊穿7第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日P-N結(jié)的擊穿2.PN結(jié)的熱擊穿因P-N結(jié)的反向電流是由結(jié)兩邊擴(kuò)散區(qū)內(nèi)熱激發(fā)的少數(shù)載流子的擴(kuò)散運動及耗盡層內(nèi)熱激發(fā)的電子、空穴的溧移運動形成的。這些載流子密度隨溫度迅速增大，因而反向電流也隨溫度而迅速增大。在適當(dāng)條件下，反偏P-N結(jié)的功耗引起結(jié)溫的升高，使P-N結(jié)的反向電流增大。PN結(jié)的功耗進(jìn)一步增大，結(jié)溫進(jìn)一步升高，因而P-N結(jié)的反向電流又進(jìn)一步增大。如此循環(huán)，反向電流可無限增大，結(jié)果使P-N結(jié)燒毀。這種現(xiàn)象稱為熱擊穿。8第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日P-N結(jié)的擊穿

3.熱斑與熱擊穿對太陽電池組件而言，熱斑與熱擊穿都是指太陽電池的發(fā)熱都是在反向偏壓作用下產(chǎn)生的。即便是高效太陽電池（η≥17%），一旦有樹木、建筑物、樹葉、省屎鳥糞、天空浮云被部份或全部遮擋就會產(chǎn)生。而熱擊穿多數(shù)是組件中摻有低效率≤16.5%，有問題的太陽電池在陽光照射下，即使沒有被任何物體遮擋，也會由局部發(fā)熱直到損傷。而從實踐來看，由高效太陽電池（η≥17%）熱阻較小，裝配組件基本上不會產(chǎn)生熱擊穿的。

綜上所述，熱擊穿和熱斑是有所關(guān)聯(lián)的，后果雖然一致，但概念完全不一樣。換言之，熱擊穿是由內(nèi)因造成的熱損壞，熱斑效應(yīng)是由外因造成的熱損壞。9第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿10第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日相關(guān)圖片發(fā)熱點造成了組件背板被燒穿和大的鼓包。11第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日123456123456789101112發(fā)熱點位置分布12第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日121110987654321123456EL測試照片及發(fā)熱點位置分布對應(yīng)圖13第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日原始測試相關(guān)數(shù)據(jù)14第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日退回后重測數(shù)據(jù)15第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿1、EL測試照片顯示組件電池片碎片、裂片非常嚴(yán)重。72片中只有11片完整沒有碎裂。第三串、第四串紅點處均為熱擊穿造成P-N結(jié)損壞。從EL照片上看，因沒有電注入少數(shù)載流子顯現(xiàn)黑色。2、假設(shè)3-11處橙紅處，由于原先是隱裂，在環(huán)境作用下變?yōu)槊髁褦嚅_。引用Wenham教授應(yīng)用光伏學(xué)5-5熱點過熱（如圖）?！皦摹彪姵睾投O管上消耗的能量約等于一個“好”電池的輸出能量，這個消耗的能量是使“壞”電池發(fā)熱的能量?！皦摹彪姵靥幱跓釗舸┑倪^程中，由于熱產(chǎn)生大量載流子，這些載流子使晶片處于負(fù)阻狀態(tài)，在反偏電壓作用下又產(chǎn)生熱，使結(jié)溫升高直至P-N損壞。分析：16第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿3、在這個過程中EVA加熱分解，EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）分子式：

由于CO、CO2處于被TPT玻璃密封環(huán)境，氣體壓力急劇上升。當(dāng)氣體壓力大于TPT與未燃燒EVA的粘結(jié)力時依據(jù)壓力大小，在發(fā)熱點處形成大小不一的凸泡。當(dāng)然TPT在受熱時也會強(qiáng)度降低。當(dāng)氣體壓力大于TPT分子團(tuán)之間引力時，TPT就爆穿了。玻璃破裂也是局部過熱所致。眾所周知，鋼化玻璃一旦某一點破裂，就會導(dǎo)致整塊玻璃潰裂。（C2H4)x(C4H6O2)ymCO+nCO2+pH2O燃燒17第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿

肯定是消除組件層壓過程中的裂片和隱裂。今天的隱裂就是明天的裂片。雖然，克服裂片和隱裂做了很多的工作，但現(xiàn)狀還不盡人意的。改進(jìn)措施18第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿上面的案例應(yīng)該是個案，但是產(chǎn)生“熱擊穿”的因素還是廣泛存在著。19第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿20第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿

上述照片和紅外相片是從光伏電站拍攝而得。見電池地方說明受熱化冰了，紅外相片，可以清楚看到發(fā)熱的太陽電池發(fā)生了熱擊穿。但是一旦發(fā)生熱擊穿并不立即燒毀太陽電池的P-N結(jié)。這是因為組件處于戶外低溫環(huán)境中，熱阻小散熱條件較好。組件TPT玻璃均處于動態(tài)溫度平衡之中。這個動態(tài)平衡溫度遠(yuǎn)低于損壞P-N結(jié)時結(jié)溫。故組件太陽電池不會損壞，但也不能說組件不存在質(zhì)量問題。21第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿22第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿23第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿24第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿單晶電池TR圖，揭示了組件光伏特性、光熱特性，它們是存在有機(jī)的內(nèi)在聯(lián)系的。導(dǎo)致“曲線臺階”組件，臺階部份是損失功率部份，恰之是提供“熱擊穿”熱量。造成“熱擊穿”的主要原因是黑心片、黑斑片。

25第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿由于黑心片、黑斑片造成電池片發(fā)熱，對電池片EVA會有加速降解失效的危險，對組件電池的壽命承諾難以保證。26第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日形成黑心片、黑斑片主要成因27第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日EL成像下黑心片、黑斑片的照片：28第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日EL光強(qiáng)度和少子分布密度成正比：

EL照片中黑心片和黑斑片是反映在通電情況下該部分沒有發(fā)出1150nm的紅外光，故紅外相片中反映出黑心和黑斑，發(fā)光現(xiàn)象和硅襯底少數(shù)載流子濃度有關(guān)。29第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日黑斑與雜質(zhì)原子分布無關(guān)：BPCOAlCrMnFeNi黑圈2-11.30E+16<2E14<1e161.06E+18<7E13<5E12<1E13<1E13<1E142-21.31E+16<2e14<1e161.02E+18<7E13<5E12<1E13<1E13<1E14黑斑4-11.07E+161.10E+153.10E+161.31E+18<7E13<1E13<1E13<3E13<1E144-21.10E+161.00E+153.30E+168.7E+17<7E13<3E13<1E13<3E13<1E14

一般少數(shù)載流子的壽命和含污染雜質(zhì)含量及位錯密度有關(guān)。蔣仙作出了黑斑處邊界兩邊（即有黑斑處和無黑斑處）雜質(zhì)原子SIMS試驗發(fā)現(xiàn)兩邊雜質(zhì)原子含量一樣，沒有變化。SIMS測試結(jié)果：30第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日黑斑處位錯密度：

這樣少數(shù)載流子的壽命和位錯密度有關(guān)，蔣仙測了單晶黑斑中心區(qū)域位錯密度>107個/cm2，如下面兩張圖所示：31第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日中心黑斑區(qū)域，位錯密度>107個/cm2

32第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日黑斑邊緣區(qū)域，位錯密度>106個/cm2

33第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日無位錯密度標(biāo)準(zhǔn)≤3000個/cm2

黑斑邊緣區(qū)域位錯密度>106個/cm2均為無位錯單晶要求1000～10000倍，這是相當(dāng)大的位錯密度了。34第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日少子擴(kuò)散長度與位錯密度的關(guān)系：

晶體硅片的擴(kuò)散長度和位錯密度是有聯(lián)系的。用SPV（SurfacePhoto-Voltage）法測得多晶硅片的擴(kuò)散長度和用tash腐蝕法測得位錯密度EPD：EtchPitDensity進(jìn)行比較，擴(kuò)散長度DL短的區(qū)域恰恰是EDP位錯密度高的區(qū)域。（見下圖）少子擴(kuò)散長度與少子壽命公式：Lp=（Dpζ）0.535第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日擴(kuò)散長度DL和EDP位錯密度高的區(qū)域的關(guān)系圖：本資料來自《夏普技報第93號（2005年12月刊）》——“HighEfficiencyMulti-crystallineSiliconSolarCells”36第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日各個廠家硅片位錯密度：蔣仙測了各廠家硅片的位錯密度，如下：1.鎮(zhèn)江環(huán)太W02HT70185位錯密度：5*104～2*105個/cm2

37第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日各個廠家硅片位錯密度：2.鎮(zhèn)江環(huán)太W02HT70198位錯密度：3*104～2*105個/cm2

38第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日各個廠家硅片位錯密度：3.鎮(zhèn)江環(huán)太W02HT70106位錯密度：5*104～7*105個/cm2

39第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日各個廠家硅片位錯密度：4.浙江昱輝w02zy7002位錯密度：104～105個/cm2

40第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日各個廠家硅片位錯密度：5.寧海日升W02RS7002位錯密度：6*104～105個/cm2

41第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日各個廠家硅片位錯密度：6.江蘇順大W02SD70042位錯密度：2*104～105個/cm2

42第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日各個廠家硅片位錯密度：7.江西LDK（多晶）W21JX70100位錯密度很高，106～107個/cm2，尤其是晶界附近存在大量的微缺陷、位錯排、位錯群和小角晶界，從位錯形狀上看，應(yīng)該是<111>面上的缺陷。43第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日各個廠家硅片位錯密度：44第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日各個廠家硅片位錯密度：45第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日各個廠家硅片位錯密度：46第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日各個廠家硅片位錯密度：

47第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日分析：1.近年來，單晶硅片供應(yīng)商為了利益最大化，奉行只要單晶不掉苞就是好工藝。例無位錯拉晶工藝要求籽晶用無位錯拉晶切割，在拉晶過程中下種引頸長度要大于一個晶錠直徑才能把位錯排凈，方可放肩。而現(xiàn)在引頸長度120-140mm完全低于6吋直徑150mm單晶。2.單晶收尾時鍋底料要保證是投料量的10%左右，現(xiàn)在單晶供應(yīng)商恨不得把坩堝內(nèi)料全部拉完提盡。殊不知想多提走一點鍋內(nèi)料時，已造成坩堝內(nèi)熔體過冷，一旦材料過冷必然掉苞?？雌饋硗暾瘴玻瑢嶋H早已掉苞，這樣上返一個直徑的單晶已是為錯片。供應(yīng)商把這些位錯片完全輕而易舉轉(zhuǎn)嫁給用戶。（見下圖）48第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日鍋底料(拉制單晶硅棒結(jié)束時剩在石英坩堝內(nèi)的硅料)

單晶的堝低還有較高濃度的C和金屬雜質(zhì)，回用的幾率較小49第49頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日鍋底料(拉制單晶硅棒結(jié)束時剩在石英坩堝內(nèi)的硅料)50第50頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日收尾掉苞的照片51第51頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日分析：3.多晶供應(yīng)商近年來也一再縮短晶體定向凝固時間，一旦熔體潛熱釋放與熱場溫