双层SiN_x膜多晶硅太阳电池抗PID性能研究-solarbe文库

资源描述：

２０１４．１２Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．１２研究与设计收稿日期２０１４－０４－０３作者简介罗旌旺（１９８４），男，福建省人，工程师，硕士，主要研究方向为晶体硅太阳电池、组件。２２９２双层ＳｉＮｘ膜多晶硅太阳电池抗ＰＩＤ性能研究罗旌旺，王祺，芮春保，孔凡建江苏辉伦太阳能科技有限公司新能源研究中心，江苏南京 210032摘要以双层ＳｉＮｘ膜多晶硅太阳电池为研究对象，通过调整ＰＥＣＶＤ工艺参数制备不同折射率和厚度的双层氮化硅减反射膜太阳电池，并用玻璃、ＥＶＡ和背板等将电池片封装成光伏组件，进行８５ ℃、８５％ＲＨ条件下组件电势诱导衰减（ＰＩＤ）实验。研究结果表明（１）改变内层折射率和厚度保持外层较低的折射率时，双层氮化硅膜太阳电池均会发生严重的ＰＩＤ效应；（２）但随着外层折射率提高，电池ＰＩＤ效应显著减小，外层折射率 ≥ ２．１５的电池ＰＩＤ实验６００ｈ功率衰减小于５％；（３）双层氮化硅膜抗ＰＩＤ太阳电池的转化效率略低于普通太阳电池，但其组件的封装损失较小，与普通电池的组件功率相当，因此具有很好的应用前景。关键词多晶硅；太阳电池；电势诱导衰减；双层氮化硅膜；光伏组件中图分类号ＴＭ９１４．４文献标识码Ａ文章编号１００２－０８７Ｘ（２０１４）１２－２２９２－０４Researchon anti-PID performance of double-layer SiN x filmpoly-crystalline silicon solar cellLUO Jing-wang, WANG Qi, RUI Chun-bao, KONG Fan-jianNew Energy ResearchCenter of JiangsuPhono Solar Technology Co., Ltd, Nanjing Jiangsu210032,ChinaＡｂｓｔｒａｃｔＤｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒＳｉＮｘｆｉｌｍｐｏｌｙ－ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎｓｏｌａｒｃｅｌｌｗａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｏｉｎｔ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘａｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒＳｉＮｘｆｉｌｍｓｏｌａｒｃｅｌｌｂｙｍｏｄｉｆｙｉｎｇＰＥＣＶＤｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄ．Ｔｈｅｃｅｌｌｓｗｉｔｈｇｌａｓｓ，ＥＶＡ，ｂａｃｋｓｈｅｅｔｅｔｃｗｅｒｅｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ．ＰＩＤ（ＰｏｔｅｎｔｉａｌＩｎｄｕｃｅｄＤｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）ｔｅｓｔａｔ８５ ℃ ，８５％ＲＨｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ（１）ｔｈａｔｔｈｅｃｅｌｌｓｗｉｔｈａｌｏｗｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｏｆｏｕｔｅｒＳｉＮｘｌａｙｅｒｃａｕｓｅｓｅｒｉｏｕｓＰＩＤｅｆｆｅｃｔｒｅｇａｒｄｌｅｓｓｏｆｔｈｅｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｏｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｉｎｎｅｒＳｉＮｘｌａｙｅｒ；（２），ｂｕｔａｓｔｈｅｏｕｔｅｒｌａｙｅｒｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｃｅｌｌｓＰＩＤｅｆｆｅｃｔｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｃｏｎｓｐｉｃｕｏｕｓｌｙ，ｔｈｅｃｅｌｌｓｗｉｔｈａｏｕｔｅｒｌａｙｅｒｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘ ≥ ２．１５ｐａｓｔＰＩＤ６００ｈｔｅｓｔｗｉｔｈａｐｏｗｅｒｌｏｓｓｌｅｓｓｔｈａｎ５％；（３）ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｅｌｌ，ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒｓＳｉＮｘｆｉｌｍａｎｔｉ－ＰＩＤｓｏｌａｒｃｅｌｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓａｓｌｉｇｈｔｌｙｌｏｗｅｒ，ｂｕｔｔｈｅｃｅｌｌｔｏｍｏｄｕｌｅｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎｐｏｗｅｒｌｏｓｓｉｓｓｍａｌｌｅｒａｎｄｉｔｓｍｏｄｕｌｅｐｏｗｅｒｉｓｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｏｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｅｌｌ＇ｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓａｎｔｉ－ＰＩＤｓｏｌａｒｃｅｌｌｉｓｐｒｏｍｉｓｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｐｏｌｙ－ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎ；ｓｏｌａｒｃｅｌｌ；ｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｎｄｕｃｅｄｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ；ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒｆｉｌｍ；ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｍｏｄｕｌｅ电势诱导衰减 potential induced degradation, PID 是指太阳电池组件在长期受到一定的外电压下发生功率衰减的现象。这种现象最早是 Sunpower 发现的，认为是一种极化效应。近几年，有关 PID 现象的报道越来越多， PID 已经成为组件应用的一个重大问题 [1-3]，尤其是在高温高湿的条件下 [4]。业内普遍认为， P 型硅太阳电池组件采用铝边框接地使电池受到负电压很容易引发 PID 效应。 J.Bauer 和 V. Naumann研究光伏组件 PID 时发现钠离子 Na在电池表面的氮化硅膜内集聚，认为组件受到负压时发生钠离子从玻璃迁移到氮化硅膜内是引发 PID 的机理 [5-7]。 S. Pingel 等研究发现太阳电池表面氮化硅膜的折射率对电池的抗 PID 性能有很大影响，当氮化硅膜的折射率较低时，不同 PECVD 工艺的太阳电池 PID效应差异很大，但基本上都发生一定程度的 PID 效应；当氮化硅膜的折射率达大于 2.2 时，不同 PECVD 工艺的太阳电池都具有良好的抗 PID 性能 [1] 。目前市面上的晶体硅太阳电池 PECVD 工艺一般采用单层膜工艺，而且膜的折射率控制在 1.92.0 左右以使电池达到最佳的减反射效果，保证电池获得最高的转化效率，因此这种工艺的电池在使用过程会发生 PID 效应。而单层膜折射率＞2.2 的电池具有抗 PID 性能，但是由于膜的减反射作用并不是最优状态，到达电池的光减少，而且其消光系数增大，短波吸收明显增加，造成电池电流减小、转化效率降低 [8]。有一些研究表明将电池的减反射膜设计成双层膜的结构，减反射膜的反射率明显下降、电池的钝化效果更好，从而改善电池的性能 [9] 。但关于双层氮化硅膜电池的抗 PID 性能目前还尚未见有文献报道。本文的目的是通过改变太阳电池减反射膜的性质来避免电池发生 PID 效应。采用两步法 PECVD 在 P 型硅片表面沉积双层氮化硅膜，通过改变氮化硅膜层折射率和厚度制备晶体硅太阳电池，并做成组件考察其抗 PID 性能。结果显示，内层膜折射率 2.34 厚度 11 nm、外层膜折射率 ≥ 2.15 厚度 68.6 nm２０１４．１２Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．１２研究与设计２２９３的 P 型太阳电池封装成组件后， PID 实验 600 h 功率衰减小于5，而且相对于电池，组件电流产生明显的增益，功率与采用正常工艺电池封装的组件相当。１实验过程１．１电池制备电池的制备是在产业化的多晶硅电池生产线上进行，用普通 156 mm 156 mm 的 P 型多晶硅硅片电阻率为 0.5 3Ω · cm 经清洗制绒、扩散和刻蚀后，在 PECVD 工序采用Cemtrotherm 管式 PECVD 设备进行两步镀膜。双层膜结构镀膜如图 1 所示，双层膜参数设计见表 1，保证减反射膜折射率与厚度乘积为 175 nm，使最佳减反射波长为 650700 nm，Case1Case4 为内层高折射率膜外层为低折射率，Case5Case8内层为高折射率，外层为中等折射率。镀膜后进行正常的丝网印刷和烧结，并在 STC 条件即 AM1.5 光谱、辐照为 1 000 W/m2，温度 25 ℃ 下进行 I-V 测试。１．２电池的封装及ＰＩＤ测试采用相同的封装材料和工艺将各组实验电池封装成市面上最常见的 6 10 片 PV 组件。组件按钢化玻璃 EVA电池 EVA 背板叠层、层压并安装接线盒和铝合金边框。封装好后，对实验组件进行 EL 和 I-V 测试 STC 条件下。将实验组件放在 Damp Heat 实验条件 85 ℃ 85RH 下的环境实验箱中，直流电源正极接铝边框，负极接组件正极引出端，施加 1 000 V 电压。 PID 实验持续 48 h，取出组件并在 2h 内完成 EL 和 I-V 测试 STC 条件下，然后将组件放入环境实验箱继续 PID 实验。实验组件 PID 实验满 96 h 后，取出组件在 2 h 内完成 EL 和 I-V 测试。若组件功率损失＜ 5，测试完成后重新放入环境实验箱继续实验至 600 h 并完成 EL 和 I-V测试。２结果与讨论２．１电池性能表征成品电池的电性能测试结果如表 2 所示。表 2 显示实验电池转化效率普遍比生产线量产电池低 Case3 除外，尤其是Case5Case8。 Case1Case4与 Control A 的结果比较表明，当外层折射率较低 2.0 时，内层膜的折射率越高，电池短路电流越小，电池内外层膜的折射率不变，高折射率的内层厚度越大，电池并联电阻大漏电流减小，电池电压增大，效率增高。这是由于氮化硅膜对电池主要是减反射作用和钝化作用，减反射作用体现在电池电流，而钝化作用体现在电压、并联电阻和漏电流。内层厚度越大电池的钝化效果越好， Case3正是由于良好的钝化作用弥补了减反射膜光学失配造成电流减小的不利影响，使电池效率增高。 Case5Case8与 Control B 的结果比较表明，内层折射率固定 2.34时，电池的钝化效果相当，并联电阻和漏电流也相当，因此电压一致；而外层膜的折射率越高，光学匹配性越差，电流越小，电池效率越低。 Case5Case8比 Case1Case4的工艺对电池效率的影响大，这由于外层厚度大对于膜整体的折射率影响大，膜整体折射率高，而电池达到最佳减反射的折射率在 2.0 左右，这造成电池反射率增高，电图１太阳电池表面双层氮化硅膜示意图áá dá / nm d/ nm Case1 2.02 74.4 2.46 10 Case2 2.02 62.3 2.46 20 Case3 2.02 50.1 2.46 30 Case4 2.02 60.5 2.64 20 Case5 2.06 71.5 2.34 11 Case6 2.11 66.9 2.34 11 Case7 2.15 68.6 2.34 11 Case8 2.22 65.1 2.34 11 Pá /W Uá /V Iá /A U/V IA R/mO R/O FF/ Nè é / I é /A Case1 4.215 0.526 8.011 0.628 8.505 2.7 331.4 78.95 17.32 0.04 Case2 4.208 0.527 7.984 0.630 8.498 3.0 252.7 78.64 17.29 0.08 Case3 4.246 0.529 8.026 0.631 8.516 2.8 505.9 78.95 17.45 0.02 Case4 4.208 0.528 7.974 0.629 8.454 2.7 428.9 79.10 17.29 0.02 Control A 4.240 0.526 8.060 0.627 8.556 2.6 145.5 79.03 17.42 0.11 Case5 4.120 0.521 7.902 0.622 8.398 2.7 286.6 78.80 16.93 0.07 Case6 4.073 0.521 7.817 0.621 8.306 2.6 276.7 78.94 16.73 0.06 Case7 4.079 0.523 7.799 0.624 8.292 2.6 288.6 78.86 16.76 0.05 Case8 3.995 0.522 7.654 0.621 8.123 2.5 343.9 79.22 16.41 0.05 Control B 4.139 0.521 7.945 0.623 8.446 2.7 287.0 78.67 17.01 0.07 Case14 A Case58 B control A control B A B池电流减小、效率降低。２．２电池的封装性能从表 3 组件的电性能参数来看，两批电池做成组件前后的电流差异明显减小，对比电池及对应组件的电流值，可见组件的电流均大于电池的电流， Case1Case4组件电流的增幅非常有限而 Case5Case8组件的电流增幅均在 0.100.30 A，且Case1Case4组件的 CTMCell To Module 封装损失为 3左右，与量产组件的电池封装损相当，而 Case5Case8组件的封装损失 0.271.58 明显小于前者。这种差异主要是由于电池经与玻璃和 EVA 封装后，光线经过玻璃、 EVA 和氮化硅膜后才到达电池。 Case5Case8的氮化硅膜厚度和折射率与玻璃、 EVA 匹配，整体形成良好的减反２０１４．１２Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．１２研究与设计２２９４射膜，从而使其产生明显的光学增益，电池电流增大。２．３组件ＰＩＤ性能组件功率变化如图 2 所示， Case1Case4组件的功率在 48h 内发生显著的衰减，达 50以上，但之后功率衰减速率明显变缓，在 PID 96 h 时组件功率衰降在 6070 。这说明Case1Case4电池采用内层高折射率外层低折射率 2.02的双层减反射膜，对其抗 PID 效应没有作用，电池使用时易于发生PID 效应。 Case5Case8为内层高折射率、外层折射率由 2.06逐渐增大到 2.22 的双层减反射膜太阳电池。由图可见 Case5组件的功率在 48 h 内衰减小于 Case1Case4，但之后功率衰减速率变大， PID 96 h 功率衰减达 80以上。而 Case6组件随着时间增加递减， PID 实验 96 h 内功率衰减 10左右。 Case7和Case8组件的 PID 功率衰减很小， PID 实验 96 h 内功率基本没有变化， PID 实验 600 h 功率衰减小于 5，电池是抗 PID 效应的。EL 图像变化可直接反映组件的功率变化情况，实验组件EL 图像变化中 Case1Case4组件的 EL 图像变化相似组件边缘的电池片发黑，随着 PID 时间延长，内部电池片也逐渐开始发黑，如图 3 中 Case1所示。 Case5太阳电池组件 EL 图像随着PID 实验时间延长，先是组件边缘个别电池发黑，然后组件整体发黑仅中间个别电池未完全变黑，如图 3 中 Case5所示。组件边缘先发黑，这是由于实验中电源接通边框而组件正面通过水蒸气导通，导致组件正面受到的电场不均匀，即靠近边框位置电场强而远离边框位置电场弱。故组件靠近边缘的电池受到的电压较高而组件中心位置受到的电压较低。电压越高的，组件发生 PID 越剧烈、速度越快。 Case6太阳电池组件的EL 图像随着 PID 实验时间延长，其边缘电池四周发黑并加剧，如图 3 中 Case6 所示； Case7 和 Case8组件在实验过程中EL 图像基本上没有变化，如图 3 中 Case7所示。各组件实验前后的电导变化如图 4 所示，发生 PID 效应的组件如 Case1Case4、 Case7和 Case8 组件的电导率都发生明显增加，而 Case5和 Case6 的电导率基本保持不变。对比PID 实验过程中各组件的功率变化及 EL 图像的变化，三者的变化是一致的。由此可见，组件 PID 效应与并联电导密切相关，发生 PID 效应组件的功率及 EL 图像的变化正是电池并联电导增大、电池发生漏电造成的。２．４ＰＩＤ发生机理分析本次实验主要是通过调整 SiH 4/NH 3 的流量比改变氮化硅膜的折射率。 SiH4 含量越高，氮化硅膜折射率越大，膜中氢含量越少，膜越致密 [10]。 PID 发生的机理是钠离子迁移对电池发射极的破坏作用。折射率大于 2.2 的氮化硅膜之所以能够抗PID 正是由于高致密度的膜可以阻挡钠离子对电池的破坏。事Uá /V I/A P /W U /V I /A FF/ è è / R/O Ré /O CTM / Case1 37.88 8.56 246.61 30.73 8.02 76.0 16.89 0.59 344 2.85 Case2 37.74 8.55 245.62 30.61 8.02 76.1 16.82 0.58 146 2.90 Case3 38.06 8.58 247.45 30.74 8.05 75.8 16.95 0.62 166 3.37 Case4 37.74 8.49 244.04 30.56 7.98 76.2 16.71 0.59 287 3.09 Case5 37.28 8.58 243.29 30.36 8.01 76.0 16.66 0.58 144 1.58 Case6 37.63 8.53 243.54 30.39 8.01 75.9 16.68 0.59 181 0.27 Case7 37.67 8.56 243.02 30.39 8.00 75.4 16.64 0.59 189 0.73 Case8 37.39 8.41 237.41 30.16 7.87 75.5 16.26 0.58 278 0.84 0 100 600- 100 - 80 - 60 - 40 - 20 0 á áá áá è áá é áá áá áá áá át /h/图２实验组件功率衰减曲线图３组件实验前后的ＥＬ图像R áá/S0 50 100 6000.010.1Case1Case2Case3Case4Case5Case6Case7Case85500.001t /h图４组件ＰＩＤ实验过程并联电导变化曲线２０１４．１２Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．１２研究与设计２２９５实上，采用 PECVD 在硅片上沉积氮化硅膜，在沉积之初，膜是以岛状形式堆叠，成长到一定厚度才开始呈二维平面生长，故氮化硅膜在靠近硅片层的一侧形成一个多孔、粗糙、缺陷浓度高的氮化硅层，厚度达 1030 nm，与沉积工艺有很大关系。该层膜的密度较低并且产生可选的导电路径，膜的致密性和绝缘性差，对钠离子的阻隔作用很差，易于发生 PID 效应。Case1Case4电池采用内层高折射率、外层低折射率的双层减反射膜，外层膜致密度较低很容易被钠离子穿透，而高折射率的内层厚度较薄，膜整体的致密性较差，不能有效地阻止钠离子迁移，因此组件发生显著的 PID 效应。可见内层高折射率不能有效避免组件发生 PID， Case5Case8抗 PID 性能的差异是外层折射率由 2.06 逐渐提高到 2.22，使氮化硅膜致密度提高，阻碍钠离子迁移能力增强，组件 PID 效应减小。 Case7 和Case8外层致密的氮化硅膜能够有效阻止钠离子迁移，因此组件基本不发生 PID 效应。３结论本文通过调整 PECVD 工艺参数制备不同折射率和厚度的双层氮化硅减反射膜太阳电池，考察其抗 PID 的性能，可以得到以下结论1 内层高折射率厚度 ≤ 30 nm 外层低折射率 2.02 双层氮化硅膜太阳电池，具有与普通单层电池相当的转化效率，但其组件发生显著的 PID 效应。2 内层高折射率外层膜折射率 ≥ 2.15 的双层氮化硅膜太阳电池不发生 PID 效应，但随着外层折射率降低， PID 效应显著增加。3 内层高折射率外层中等折射率的双层氮化硅膜太阳电池，转化效率比普通单层膜电池低，但其 CTM 封装损失明显低于普通电池，这形成对电池转化效率的补偿和增益，使其与普通电池的组件功率相当。4 双层氮化硅膜抗 PID 效应的作用在于外层氮化硅膜的致密度高、阻挡离子穿透，起到很好的绝缘介电作用，内层高折射率提高电池的钝化效果并优化光学匹配。致谢江苏中宇光伏光伏科技有限公司为本文实验提供电池生产线，严定军、杨世华承担电池制备。参考文献[1] BERGHOLD J, FRANK O, PINGEL S, et al. Potential induced de-gradation of solar cells and panels[C]//25th European PhotovoltaicSolar Energy Conference and Exhibition/ 5th World Conference onPhotovoltaic Energy Conversion. Valencia, Spain WIP,2010 3753-3759.[2] RUTSCHMANN I. Power losses below the surface[J]. Photon Inter-national, 201211 130-137.[3] SCH譈 TZE M, JUNGH 魧 NEL M, FRIEDRICHS O,et al. Investiga-tions of potential induced degradation of silicon photovoltaic mo-dules[C]//26th European Photovoltaic Solar Energy conference andExhibition. Hamburg, Germany WIP, 2011 3097-3102.[4] HOFFMANN S, KOEHL M. Effect of humidity and temperature onthe potential-induced degradation [J]. Prog Photovolt Res Appl,2014, 222173-179.[5] BAUER J, NAUMANN V, GROBER S, et al. On the mechanism ofpotential-induced degradation in crystalline silicon solar cells [J].Phys Status Solidi RRL, 2012, 68 331-333.[6] NAUMANN V, HAGENDORF C, GROSSER S, et al. Microstructure root cause analysis of potential induced degradation in C-Sisolar cell[J]. Energy Procedia, 2012, 271-6.[7] KINDYNI N, GEORGHIOU G E. Description and analysis ofpotential induced degradation in crystalline silicon solar cells andmodules based on transistor principles [C]//27th European Photo-voltaic Solar Energy Conference and Exhibition. Frankfurt, Ger-many WIP, 2012 3388-3393.[8] DASTGHEIB-SHIRAZI A,BOOK F,HAVERKAMP H,et al. Investi-gations of high refractive silicon nitride layers for etched backemitters enhanced surface passivation for selective emitter conceptSECT [C]//24th European Photovoltaic Solar Energy Conference.Hamburg, Germany WIP, 2009 1600-1604.[9] ABERLE A G. Overview on SiN surface passivation of crystallinesilicon solar cells[J]. Solar Energy Materials Solar Cell, 2001, 65239-248.[10] 周艺，欧衍冲，郭长春，等 . 多晶硅太阳电池双层 SiN x 镀膜工艺研究 [J]. 材料导报， 2012, 26 7 12-16.池正负极之间的嵌入和脱出，这是合格添加剂的基本要求。添加了 1， 2- 二甲氧基 -4- 硝基苯的电池在满足以上特性的前提下，可以充电到达 200SOC 值的次数。实验可知， 1， 2- 二甲氧基 -4- 硝基苯至少可以承受 9 次过充，仍然能保持氧化还原可逆性好，容量保持率高的基本特点，完全满足过充保护添加剂的基本要求。３总结过充保护对于锂电池而言是保证其安全特性的重要手段。利用 1， 2- 二甲氧基 -4- 硝基苯的氧化还原能力，构建适用于锂电池电解液的过充保护添加剂，可以充分利用其氧化电位 4.5 V 左右的基本特性，既可以充分发挥电池容量，又能保证在安全范围内电解液不发生分解放热反应的基本优势。同时，通过实验还可知 1， 2- 二甲氧基 -4- 硝基苯的氧化还原可逆性好，过充保护持续时间长，是一种有效的锂电池过充保护添加剂。参考文献[1] 熊琳强．锂离子电池电解液防过充添加剂研究进展 [J]. 化工进展， 2011， 30 1202-1203.[2] 任春燕 .锂离子电池电解液用安全性 [D]. 长沙中南大学， 201258-60.≥≥≥≥≥≥≥≥≥≥≥≥上接第 2252 页