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电注入工艺对晶体硅太阳电池效率提升的作用
  • 2021-10-08 17:35:45
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  摘要:电注入式氢钝化的普及始于单晶PERC硅太阳电池的抗光衰研究。随着掺镓硅片的推广,硅太阳电池光致衰减问题的研究热度已逐渐趋于平缓,而电注入式氢钝化对硅太阳电池的改善效果却引起广泛关注,其对转换效率的提升具有显著影响。通过对硅太阳电池的电荷注入及加热辅助,改变工艺过程中硅太阳电池体内的准费米能级状态和氢的电荷状态,修复电池内部的缺陷,以实现提效目的。本文通过对单晶PERC及多晶PERC硅太阳电池的电注入工艺进行详细的研究,得出电注入提效的相关规律以及注意事项。同时,也初步尝试了对TOPCON电池和HJT电池的电注入提效处理,并获得了相当可观的改善效果。

  关键词:电注入式;氢钝化;抗光衰;提效;

  1  引言

  目前,光伏产业在世界范围内蓬勃发展,但光伏技术的发展仍面临着降低成本和提高转换效率两大问题。特别是多晶硅中含有大量的金属杂质和缺陷,严重阻碍了光伏效率的提高[1-2]。为了获得高质量的mc-Si太阳电池,通常引入氢原子钝化太阳电池表面和体内的晶体杂质和缺陷。

  自1976年以来,人们对硅体内氢的性质和相互作用进行了广泛的研究,并取得了显著的效果[3-4]。硅中的活性电荷氢,能与几乎所有的杂质和缺陷相互作用[5],促使电池的转换效率达到所需水平。传统的氢钝化技术利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积SiNx: H 层中的氢,在金属化过程中,氢原子扩散到硅体内,达到钝化效果[6]。然而,氢原子的扩散非常有限,为了与其他较重的杂质原子结合,要更好地钝化杂质,氢原子必须以离子的形式存在。许多研究发现氢在禁带中同时具有受主和施主能级[7]. 因此,氢的正(H+)、中性(H0)和负(H-)状态可以存在于硅太阳电池中,其上的氢离子浓度主要是取决于费米能级的位置[8]。不同电荷态的氢可以钝化不同类型的杂质,而氢的钝化能力也已经成为影响性能改善效果的一个重要因素。氢钝化是一种通过在适当的温度、电流密度和合理的时间内注入氢来控制氢的荷电状态的过程。氢钝化可以有效地提高电池少数载流子的寿命,提高电池的质量[9]。最近的研究发现这个过程也可以减少光致衰减(LID)。实现氢钝化的方法主要有两种:(1)光子注入氢钝化和(2)电子注入氢钝化。光子注入氢钝化可以在硅电池中通过光子注入产生非平衡载流子,从而促使氢的电荷态变化[10-11]。然而,对于光子注入氢钝化,激发过程需要大功率光源,如激光。显然,基于激光的氢钝化技术,设备价格昂贵,维护成本高。

  电子注入式氢钝化通过电子注入可以达到与光注入工艺相同的效果,为氢钝化技术的发展开辟了新的方向。电子注入式工艺通过对p型硅太阳电池施加正向偏压,将非平衡少数载流子电子直接注入到硅中。通过电子注入式氢钝化的处理,可以通过过量的载流子和合适的温度来调节氢的荷电状态。对于电子注入式氢钝化,影响其改善效果的主要因素有三个:注入电流、注入温度和注入时间。因此,进一步提高硅太阳电池的功率转换效率需要控制电注入式氢钝化的影响因素并加以优化。

  2 实验设备及原理

  实验使用苏州昊建自动化系统有限公司开发的第二代电注入设备“Anti-LID2020”。设备采用9腔串联式结构。400片电池片堆叠后依次经过9个注入腔进行电注入式修复处理,每个注入腔可以分别控制注入电流、温度、时间。最后进入冷却腔冷却。

  电池在注入腔中的模拟图如图1所示。堆叠的电池片通过载片盒在滚轮上传输至注入腔,通过上下电极在竖直方向上的运动,将电池片压紧并通电。

  

  a. 模型图

  图1 电注入氢钝化设备模型及实物图

  堆叠的电池片温度均匀性,包含片内温度均匀性和片间温度均匀性,对电注入式氢钝化是非常重要的。在大电流下,电池片将产生大量热量而使电池片温度升高。堆叠电池片上下端散热较快,中间段散热慢。因此设备采用“5点控温、4点温度平衡”的方法进行温度控制,如图2所示。“5点控温”即,第1点,上电极,带PID自整定;第2点,下电极,带PID自整定;电池堆由上至下分布第3、第4、第5点的温度反馈控温。“4点温度平衡”即,在电池堆由上至下分布有4排压缩空气出口,通过CDA压力流量恒定平衡控温。

  

  图2 5点控温、4点温度平衡

  3  电注入式修复对晶体硅太阳电池的提效

  3.1 单晶PERC

  使用电注入式晶体硅太阳电池氢钝化修复设备对单晶PERC电池进行处理,处理工艺如下:数量400片,注入电流14A,温度210℃,注入时间400s/腔×9腔。处理前后硅电池电性能对比如表1所示。

  表1单晶PERC某批次电注入修复处理对比

  

  通过对比数据可以看到,该批次的单晶PERC电池经过电注入修复后,转换效率的绝对值提升了0.12

【责任编辑:sunnyz】
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关键字阅读: 晶体硅太阳电池
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