10001241_N型高效抗PID太阳电池工艺研究-solarbe文库

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N 型高效抗 PID 太阳电池工艺研究张伟郎芳王子谦李锋史金超光伏材料与技术国家重点实验室英利能源（中国）有限公司摘要电势诱导衰减（potential induced degradation, PID）效应是导致光伏组件输出功率下降的主要原因之一。本文通过优化 N 型电池工艺，包括增加 PN 结的深度，提高减反射膜的介电常数，采用叠层减反射膜等方式，可以阻挡钠离子破坏电池的 PN 结，将电池的 PID 衰减控制在 1.5以内。同时结合离子注入技术，电池的量产效率可以达到 21以上，形成了一套高效率高稳定性的太阳电池制备工艺。关键词电势诱导衰减；PN 结；减反射膜；介电常数通讯作者张伟研究方向N 型高效太阳能电池技术 Emailwei.zhangyingli.com 1、引言光伏组件发生 PIDpotential induced degradation效应是造成光伏电站输出功率衰减的主要原因之一 [1-2]，PID 造成光伏电站发电量衰减最大可达 30以上 [3-4]。无论是 P 型电池还是 N 型电池，当电池对接地边框为负电压时，玻璃中的钠离子会穿过 EVA，向氮化硅减反射膜内迁移，最终进入到电池中引起 PN 结的破坏，导致电池性能劣化 [5-6]。因此，可以从以下三个方面改进 N 型太阳电池工艺，降低 N 型光伏组件的 PID 衰减（1）增加 PN 结深度，防止钠离子破坏 PN 结；（2）提高减反射膜的介电常数，可以减小电场的大小，从而减轻 PID 效应；（3）采用双层减反射膜，阻止钠离子的进入。 2、结果与分析 2.1 PN 结深度优化图 1 给出了 N 型电池的结构示意图。在后续的组件制作过程中，电池的正背面都将与封装材料接触，封装材料以及环境中的 Na 离子有可能从电池的正背面进入电池内部，破坏电池正面的 PN 结和背面的背场，引起电池效率的快速衰减。为了避免 Na 离子迁移破坏 PN 结和背场，可以增加 PN 结和背场的深度，减少 Na 离子迁移造成的 PID 衰减。图 1 N 型电池结构示意图图 2 是电池制备工艺流程图。制备高效 N 型太阳电池需要进行两类制结正面发射极和背面的高低结。可以采用两次扩散的方式来实现，但是扩散过程中出现“绕扩散” ，使第二次扩散面的杂质分布发生改变，甚至补偿，降低太阳电池的转换效率。为了解决绕扩散问题，可以采用离子注入技术进行离子掺杂，但是由于目前硼离子注入技术尚未成熟，所以在本阶段，我们只采用磷离子注入技术制备电池背场的高低结，同时磷离子注入可以改善背场掺杂的均匀性。为了简化工艺流程先进行磷离子注入，之后进行硼扩散，利用硼扩散的高温进行退火。硼扩散的工艺温度为 960℃，时间为 40min。图 3 为电池发射极和背场的掺杂曲线，发射极的 PN 结结深约为 1μm，背场高低结的结深约为 0.6μm，明显高于常规电池 0.5μm 左右的结深。图 2 电池工艺流程图图 3 发射极和背场的掺杂曲线 2.2 增加氮化硅减反射膜介电常数在电场作用下，氮化硅作为一种电介质，其内部电荷分布发生变化，这个过程称作极化，极化电场方向与外加电场方向相反，可以削减外加电场，减缓 Na 离子向电池内部迁移。介电常数 ε 是反应电介质极化强度的物理量。增加介质层的介电常数就意味着增加其极化电场强度。介质的折射率与介电常数有关，增加介质层的折射率也可以相应的增加介质的介电常rn 数。在 PECVD 沉积氮化硅膜的过程中，反应气体 SiH4 与 NH3 流量比是影响氮化硅膜性质的重要因素。图 4 是在硅烷流量不变（流量为 450mL/min），只改变氨气流量，以 NH3SiH 4 为 21、41、61、81、101 进行 5 组实验的氮化硅膜的折射率随气体流量比的变化曲线。图 4 折射率随反应气体流量比变化趋势图在实验过程中将 NH3SiH 4 的流量比分别设定为 41 和 81，制备出氮化硅膜的折射率分别为 2.15 和 2.07，将这批电池制备成组件，并在 1000V，RH 85，85℃，96 小时条件下测试 PID 衰减情况。表 1 为不同折射率对应的电池参数以及对应组件 PID 衰减值，从实验结果看，增加了折射率，电池效率降低，这是由于高折射率的氮化硅膜的减反射作用并不是最优状态，到达电池的光减少，会造成电池电流减少，转化效率降低；同时高折射率对应着低的 PID 衰减，这是由于折射率增加，氮化硅膜的致密性更好，更有利于阻挡 Na 离子的迁移。可见单纯增加氮化硅膜的折射率虽然可以降低 PID 衰减，但是也会降低电池效率，为了在不影响电池效率的前提下降低 PID 衰减，下节中将讨论叠层氮化硅膜工艺。表 1 不同折射率 N 型电池参数以及对应的 PID 衰减情况组分折射率 Voc（V） Jsc（ mA/cm2） FF（） Eff（） PID 衰减 G1 2.15 0.6485 39.24 80.55 20.50 1.31 G2 2.07 0.6507 39.52 80.50 20.70 2.37 2.3 双层氮化硅膜工艺优化在实验中分别制备折射率为 2.07 的单层氮化硅膜太阳电池 G1 和叠层氮化硅膜太阳电池 G2。G2 制备过程中通过改变 PECVD 设备的气体流量制备叠层氮化硅膜，第一层氮化硅膜的折射率设定为 2.2，厚度为 20nm，第二层氮化硅的折射率为 2.07，厚度为 60nm。表 2 中列出了两种电池的电学参数以及在-1000V，85℃，85，96h 条件下测试的 PID 衰减。采用叠层氮化硅膜的 N 型太阳电池可以同时满足高效和低 PID 衰减的要求，电池效率在 21左右，衰减可以控制在 1.5以内。表 2 单层与叠层氮化硅膜太阳电池的电学参数及对应的 PID 衰减 Voc （V） Jsc（mA/cm 2） FF（） Eff（） PID 衰减 G1 0.655 39.54 80.89 20.95 2.57 G2 0.657 39.66 80.67 21.02 1.41 3、结论结合目前太阳能组件应用过程中出现的 PID 现象及 PID 发生的机理，对 N 型太阳电池工艺进行优化，使其在高效的同时具有高的稳定性，即具有低的 PID 衰减。通过增加发射极和背场深度，并且结合叠层氮化硅膜，目前 N 型电池的量产效率可以达到 21以上，PID 衰减可以控制在 1.5以内。参考文献 [1] R. Swanson, M. Cudzinovic, D. Deceuster, et al. The surface polarization effect in high efﬁciency silicon solar cells[A]. 15th International Photovoltaic Science Engineering Conference[C], Shanghai, 2005. [2] P. Hacke, R. Smith, K. Terwilliger, et al. Development of an IEC test for crystalline silicon modules to qualify their resistance to system voltage stress[J], Progress in Photovoltaics Research and Applications, 2014, 22 7 775– 783. [3] S. Pingel, O. Frank, M. Winkler, et al. Potential induced degradation of solar cells and panels[A]. 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference[C], Honolulu, 2010. [4] P. Hacke, M. Kempe, K. Terwilliger, et al. Characterization of multicrystalline silicon modules with system bias voltage applied in damp heat[A]. 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition[C], Valencia, 2010. [5] S. Yamaguchi, A.Masuda, K. Ohdaira, Changes in the current density-voltage and external quantum efﬁciency characteristics of n-type single-crystalline silicon photovoltaic modules with a rear-side emitter undergoing potential-induced degradation[J], Solar Energy Materials Solar Cells, 2016, 151 3 113–119. [6] V. Naumann, D. Lausch, A. Hahnel, et al. Explanation of potential induced degradation of the shunting type By Na decoration of stacking faults in Si solar cells[J], Solar Energy Materials Solar Cells, 2014, 120 2 383–389.