中来-高温诱导环形氧沉淀分析及其对电池组件性能影响评估-solarbe文库

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能源改变生活，标准锻造品质光伏电池、硅片及相关辅材 ◼ 题目高温诱导环形氧沉淀分析及其对电池组件性能影响评估 Evaluation of high-temperature induced oxygen precipitation in ring structure and its impacts to cell and module performance 汇报人时间 PPT chart academy 在晶体硅太阳电池的制造过程中，会出现如碎片、隐裂、表面污染、电极不良等问题缺陷，部分缺陷可能限制了电池片的光电转化效率和使用寿命。在光伏行业中， PL（光致发光）和 EL （电致发光）常常用来作为光伏和半导体中间过程的质量控制和检测表征手段。 PL和 EL的发光的强度与非平衡少数载流子的密度成正比，而缺陷处会成为少数载流子的复合中心，因此该区域的少数载流子密度变小导致荧光效应减弱，在图像上表现出来就成为暗色的点、线，或一定的区域，而复合较少的区域则表现为比较亮的区域。背景 1 PPT chart academy 晶体生长过程中会产生本征点缺陷，冷却后硅中本征点缺陷是过饱和的。同时，晶体生长过程中，高温下石英坩埚会挥发氧，从而在晶体中引入氧，冷却后硅中的氧是过饱和的。此外，晶体生长还会引入一些杂质，这是由原硅料、坩埚和晶体生长制程引入的。晶体生长时，籽晶和坩埚都在转动，我们可以认为热场是轴对称的，因此，由晶体生长参数（生长速度、固液界面处的温度梯度，杂质浓度）决定的缺陷是沿径向分布的。成因晶体生长特性 2 PPT chart academy 成因晶体生长特性晶体生长条纹中的杂质包含掺杂元素、氧、碳及其金属；寿命扫描显示影响寿命的问题，如电阻掺杂、金属、氧沉淀， PL扫描显示影响电阻率的问题，比如电阻掺杂和氧施主；晶体氧含量与 V/G是形成氧聚集环的主要影响因素；因为同心环本质是杂质元素分布不均匀，基本分凝原理， N 型或者掺镓单晶同心环现象更为明显（掺杂元素的分凝系数更小）；在某些特定的热历史条件下（甚至原生硅片），氧聚集环可能表现施主效应，也可能直接形成氧沉淀环；通常情况下，这些条纹并不会影响电池效率，但如果有特殊的聚集（如氧沉淀环或金属聚集环），就会对电池效率造成影响； 3 PPT chart academy 晶体生长特性由于晶体本身存在热历史，因此在高氧条件下，部分间隙氧就会形成原生氧沉淀环；对于有热制程的电池工艺，氧聚集环最终会形成氧沉淀环；当晶体冷却时，部分空位（ vacancy, V）和自间隙硅原子（ self-interstitial）相复合，过剩的自间隙可形成位错环（ Dislocation Loop），过剩的空位凝聚成空位团（ Void），或与氧相互作用形成 V-O复合体，并聚集成团，随着氧的扩散，在特定条件下，团聚逐渐成长为氧沉淀（ Oxygen Precipitates），其主要成分为 SiOx。根据径向分布的特点，硅片中可能存一些特定区域，此处空位浓度（ V）间隙硅原子浓度（ I），内部则 VI，外部 VI。当 V高时，形成空位，较低时 V与 O结合，形成 V-O复合体，在后续的热处理中长大成氧沉淀；在 VI处，如果硅片中的氧含量过高，氧产生异常沉淀，产生原生氧沉淀环。成因 4 PPT chart academy 氧含量的影响间隙氧聚集环通常不影响少子寿命，但因为有热历史，氧形成了沉淀，会影响少子寿命；氧含量越高，氧沉淀环越严重； 5 PPT chart academy 氧环由于电池制程温度较高，自间隙原子会随着温度的升高而增多，此外，电池制程中往往会采用氧化制程，在硅的氧化过程中产生的二氧化硅体积大于硅的两倍，局部产生应力，二氧化硅 /硅界面处产生扭折，从而进一步激发自间隙硅原子。对于没有黑心和原生氧沉淀环的硅片，在电池工艺制程中，自间隙硅原子浓度随着温度的升高而增多，存在部分氧含量偏高的硅片或者硅片内的部分区域，满足氧沉淀的条件，而发生异常的氧沉淀，形成具有较低复合活性的 SiOx，从而在 PL或 EL检测中表现为较暗的环形或者螺旋形分布的图案，这一现象被称为氧环。氧环是高温处理所诱发的一种现象，其形成的根本原因是氧含量过高环境下点缺陷和自间隙的相互作用，而自间隙的原因则是高温处理过程中激发了自间隙硅原子。消除氧环通常需要采用较为极端的条件来避免氧沉淀的形成，由于热制程在光伏电池制备中的不可避免性，因此该方案实施的代价较高。半导体上通常采用更高质量的硅片（氧含量也更低）来避免产生该现象。原生氧沉淀环少子寿命扫描图 6 PPT chart academy 与黑心（ p型电池中的常见问题）的区别晶棒头部（籽晶端）是整个直拉法生长的晶棒中性能最不稳定的部分；同时，晶棒头部通常氧含量也是整根晶棒中最高的。因此这一部分所产出的硅片中，位错密度和氧含量都很高，这一位置的硅片在 PL下往往能观察到环形、螺旋形或整个中心区域发黑的现象，这种现象通常称为黑心。黑心硅片 PL图和黑心电池 EL图氧环硅片 PL图和氧环电池 EL图黑心通常由硅片固有的质量问题（例如过高的位错密度和氧含量）所导致的，在黑心区域，其位错密度超过 107个 /cm2，在黑心边缘区域，其位错密度超过 106个 /cm2。而在非黑心区域的位错密度则低很多，通常小于 3000个 /cm2。 7 PPT chart academy 与 p型电池中的常见问题的区别对于 p型电池，由于其制程工艺温度相对较低，氧环是一个较为不常见的现象，通常出现的都是黑心；对于 n型电池，由于其制程工艺温度相对较高，因此氧环是一个较为常见的现象。不过，无论电池遇到的是黑心或者氧环，这都意味着这些电池采用的硅片中的氧含量过高。研究结果显示， p型直拉单晶硅太阳电池由于其基底掺硼，在光照条件下，硅片基底中会形成具有较高复合活性的硼氧复合对，导致硅片体寿命下降，从而引起电池和组件的性能衰减。而 n型电池由于不采用硼掺杂，其体寿命不会随着光照的持续进行而衰减。 8 PPT chart academy 与 p型电池中的常见问题的区别进一步研究表明， p型直拉单晶硅太阳电池的光衰大小，与硅片中的硼掺杂浓度成正相关关系，与硅片中间隙氧浓度成正相关关系。光衰减的大小与硼掺杂浓度（左）和间隙氧浓度（右）的关系图对于 n型直拉单晶，由于基底采用了磷掺杂，其少子寿命稳定，不会随着光照而衰减，表现出了良好的光学稳定性。不同掺杂 Cz硅材料体少子寿命的光衰减图 9 PPT chart academy 与 p型电池中的常见问题的区别因此，对于 p型电池来说，无论发生的是黑心还是氧环，这都意味着这些电池所使用硅片中的氧含量过高，因此面临着巨大的光致衰减风险；但是对于 n型电池来说，由于 n型基底的掺杂特性，即使带有氧环的 n型电池也不存在光致衰减的风险。除了光致衰减之外，由于氧环在 850°C-950°C左右的高温下形成，形成后在常温下不发生特性的改变，因此，电池中的氧环对电池其它性能的影响，在高温过程结束后就不再发生变化。即使是采用带氧环电池封装的组件，在使用过程中也不会因为氧环的存在而导致组件其它工作特性随时间发生改变。电阻率相似的 p型 Cz硅片和 n型 Cz硅片的少子寿命及其随光照的变化趋势图 10 PPT chart academy 实测数据显示，带有氧环电池的 n型组件，可以通过北德 3倍 IEC组件可靠性测试序列，如图所示测试通过 3倍 IEC可靠性测试的组件 EL图（红框内为带有氧环的电池） 11 PPT chart academy 12 试验条件 – 选择效率相当的三种电池样品（ n-PERT21.6, n- PERT OISF 21.4, p- PERC 21.5 – 采用完全一致的测试方法，同时进行户外曝晒测试； – 每次效率测试都采用同一片标片校准； – 所有样品的数据和各自的原始数据进行归一化处理。由于 PERC电池测试途中损坏，因此只保留前面三个数据点。 100.00 100.07 100.00 99.72 99.85 99.98 100.00 99.95 99.89 99.80 99.74 99.74 100.00 97.76 97.43 97.0 97.5 98.0 98.5 99.0 99.5 100.0 100.5 0 13.6 27.2 40.8 54.4 68 Eta n-PERT n-PERT OISF p-PERC 归一化结果 kwh 测试 PPT chart academy 结论氧环是高温处理所诱发的一种现象，其形成的根本原因是在氧含量过高的硅片中，高温处理过程中激发了自间隙硅原子，和硅片中的点缺陷相互作用，局部形成具有较弱复合活性的氧沉淀（ SiOx）。而黑心则通常是由硅片固有的质量问题所导致的，这两者有着本质上的区别。由于较高的氧含量是诱发氧环的一个必要因素，氧环的存在预示着硅片中的氧含量过高，因此带有氧环的 p型电池往往面临较高的光致衰减的风险；而对于 n型电池来说，由于其不存导致光致衰减的硼氧复合对，带有氧环的 n型电池不存在光致衰减的风险。此外，氧环是 900°C左右高温下的变化过程，在组件通常的工作温度（ 100°C），氧环不会发生改变，因此氧环对于组件的其他性能和可靠性来说是安全的。 13