PERC單晶硅光伏組件EL明暗不均的研究

晶澳太陽能有限公司 ■ 張志敏 劉苗 許志衛(wèi) 張建軍 張鵬程

0 引言

隨著社會的發(fā)展，近年來各種電子設(shè)備層出不窮，每天的用電量也在不斷上升。傳統(tǒng)的火力發(fā)電雖然仍是世界上的主流發(fā)電方式，但是其所使用的不可再生資源——煤的逐漸枯竭及燃燒所造成的嚴重環(huán)境污染等問題已經(jīng)引起了高度關(guān)注。現(xiàn)如今，人們不僅關(guān)心社會的發(fā)展，更加重視環(huán)境的保護和治理。因此，太陽能及水力、風(fēng)力發(fā)電等清潔能源的利用讓人們看到了可持續(xù)發(fā)展的希望。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件是太陽電池。根據(jù)原料類型，太陽電池可分為晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池；而根據(jù)硅片的加工方式，晶硅太陽電池又可分為單晶硅太陽電池和多晶硅太陽電池[1]。目前在單晶硅太陽電池中，普通p型單晶硅太陽電池的平均轉(zhuǎn)換效率可達20%以上，選擇性發(fā)射極(selective emitter，SE)疊加鈍化發(fā)射極和背面電池(Passivated Emitter and Rear Cell，PERC)太陽電池的量產(chǎn)效率可達22%以上。

然而，隨著PERC太陽電池的逐步推廣，PERC光伏組件電致發(fā)光(Electroluminescence，EL)明暗不均的現(xiàn)象層出不窮，尤其是PERC摻鎵電池更為明顯。過去，業(yè)內(nèi)普遍認為造成這一現(xiàn)象的原因是由于電池功率差異導(dǎo)致電池串聯(lián)之后失配，即常說的“混檔”。但是經(jīng)過驗證后發(fā)現(xiàn)，相同檔位的電池在層壓之后仍然會出現(xiàn)不同程度的EL明暗不均現(xiàn)象。

本文通過對不同電阻率的硅片進行劃分，加工成電池及相應(yīng)組件后進行EL測試研究，發(fā)現(xiàn)影響組件EL明暗不均的因素除了“混檔”之外，不同電阻率的太陽電池混合層壓也是較大的影響因素。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗儀器

硅片電阻率測量采用上海星納MS203硅片多功能參數(shù)檢測儀；成品電池效率測量采用德國halm高精度I-V測量系統(tǒng)；電池EL測量采用沛德EL-C01太陽電池工藝缺陷檢測儀；組件EL測量采用捷勒GST-EL-1000光伏組件EL檢測儀。

1.2 實驗樣品及處理

硅片樣品為河北松宮半導(dǎo)體有限公司生產(chǎn)的p型摻鎵單晶硅片，硅片尺寸為156 mm×156 mm，電阻率范圍為0.25～3.00 Ω·cm。首先將硅片按照電阻率0.25～1.00、1.00～1.80、1.80～3.00 Ω·cm這3個范圍進行分類，每個檔位選20片硅片，共60片；然后按照PERC太陽電池工藝流程進行制備。實驗過程中有專人進行跟蹤，以避免混片。60片硅片的實測電阻率數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 60片硅片的實測電阻率數(shù)據(jù)

使用halm高精度I-V測量系統(tǒng)對制備好的60片成品電池進行檢測分選。按照效率相差0.1%進行分檔，在3個電阻率范圍都抽選同一效率檔位(20.26%～20.36%)的電池作為實驗樣品。

1)樣品1：電阻率范圍為1.80～3.00 Ω·cm，選取5片電池。

2)樣品2：電阻率范圍為1.00～1.80 Ω·cm，選取3片電池。

3)樣品3：電阻率范圍為0.25～1.00 Ω·cm，選取2片電池。

保留每片電池的詳細電性能參數(shù)數(shù)據(jù)，按照串聯(lián)電阻Rs值對以上3組樣品電池進行由大到小編碼排序，編號為①～⑩，然后進行串焊，并測試串焊后組件的EL。

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

將本次實驗選定的同一效率檔位的樣品電池根據(jù)串聯(lián)電阻Rs值從大到小進行編碼排序，每個樣品對應(yīng)的電性能參數(shù)分布圖如圖2～圖6所示。

圖2 每片電池的Rs分布圖

圖3 每片電池的Eta分布圖

圖4 每片電池的Isc分布圖

圖5 每片電池的Uoc分布圖

圖6 每片電池的FF分布圖

實驗數(shù)據(jù)顯示，隨著電阻率范圍縮小，Rs呈下降趨勢，對應(yīng)的FF呈上升趨勢，Uoc及Isc呈下降趨勢。

對①～⑩號電池進行單片EL測試，結(jié)果如圖7a所示。從測試圖像可以看出，⑨號和⑩號電池的EL圖像略顯發(fā)暗，如圖7b所示。

圖7 單片電池的EL圖像

按編號順序?qū)?0片電池依次串焊在一起組成實驗小組件，并測試其EL，結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，⑨號和⑩號電池的EL發(fā)黑程度相對于其他電池較為嚴重，整串組件出現(xiàn)明暗不均的現(xiàn)象。

圖8 串焊后的EL圖像

2.2 結(jié)果分析

對于p型單晶硅太陽電池而言，EL探測到的主要是p區(qū)發(fā)的光。圖9給出了在不同溫度下(77 K、300 K、400 K)，p型硅中少子壽命與摻雜濃度的關(guān)系[2]。從圖中可以看出，少子壽命隨著摻雜濃度的增加而降低，俄歇復(fù)合的比例增加導(dǎo)致EL圖像發(fā)暗。所以，相對于高電阻率硅片，低電阻率硅片會呈現(xiàn)EL圖像發(fā)暗的現(xiàn)象。這種差異在電池串聯(lián)，歸一化電流密度后會變得更加明顯[2]。

圖9 p型單晶硅太陽電池的少子壽命與摻雜濃度之間的關(guān)系

從電學(xué)角度分析，給太陽電池串加上正向電流后，每片太陽電池會像發(fā)光二極管一般，發(fā)出近紅外的光，在回路處于穩(wěn)定的狀態(tài)時，流過每片電池的電流Iel是一致的；若能計算出每片電池在回路中的電壓降U1～U10的值，根據(jù)公式P=UI，即可計算出每片電池的等效發(fā)光功率P1～P10；而等效發(fā)光功率的大小就決定了EL圖像的亮度。因此，如何計算出每片電池的電壓降U1～U10是問題的核心。

根據(jù)《halm光伏高精度I-V測量系統(tǒng)基礎(chǔ)培訓(xùn)》中的部分測量原理，串聯(lián)電阻Rs是根據(jù)亮場正向和暗場正向曲線來計算的，如圖10所示。串聯(lián)電阻Rs的計算公式為：

式中，U0為太陽電池在暗場正向?qū)?yīng)電流為Isc的電壓降。

根據(jù)式 (1)，U0的計算公式為：

圖10 I-V特性測量串聯(lián)電阻Rs

給光伏組件正向通入約1倍于Isc的電流Iel進行EL測試。對于每片電池都處于暗場正向的工作狀態(tài)，曲線對應(yīng)Isc～Iel范圍內(nèi)，單片電池的電壓Un與Iel基本呈線性關(guān)系變化，Un的變化幅度主要取決于電池的串聯(lián)電阻Rs[2]。

以①號電池為例，其電壓降U1滿足：

則：

等效發(fā)光功率的計算公式為：

由此可見，等效發(fā)光功率除了正比于Iel外，還與Rs和Uoc有關(guān)。按照EL通入電流Iel為9 A，可根據(jù)每片電池的電性能參數(shù)計算出各自的等效發(fā)光功率值。按等效發(fā)光功率從大到小排列，實驗組件在測試EL過程中每片電池的等效發(fā)光功率值如表1所示。

表1 實驗組件在測試EL過程中每片電池的等效發(fā)光功率

從表1可以看出，⑨號和⑩號電池的等效發(fā)光功率值與其他電池相比，相差較大，所以其EL圖像會發(fā)暗，這2片電池對應(yīng)的電阻率范圍為0.25～1.00 Ω·cm，Uoc和Rs均較小。

綜上所述，對硅片進行電阻率檔位區(qū)分后再投入后續(xù)生產(chǎn)，可以有效減少光伏組件EL明暗不均的現(xiàn)象；另外，在對電池成品進行電性能測試時，增加Rs和Uoc條件，并進行有效分層，也可以減少EL明暗不均的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文從EL原理和電學(xué)理論推導(dǎo)2個層面解釋了不同電阻率硅片制成的同功率檔位(效率在0.1%偏差內(nèi))太陽電池串焊為組件后會出現(xiàn)EL明暗不均現(xiàn)象的原因：每片電池的明暗程度除了與電流成正比外，還與單片電池的串聯(lián)電阻Rs和Uoc有關(guān)。硅片電阻率與基體摻雜濃度會直接影響這2個參數(shù)，硅片電阻率過低，摻雜濃度過大，基體本身過量的輻射復(fù)合及較低的載流子遷移率會導(dǎo)致電池的Uoc和Isc較小，但由于電池的Rs大小會使FF獲得極大提升，從而使電池具有較高的Eta，因此，只通過Eta對電池進行分檔已不能很好地進行區(qū)分。而通過對電池電性能參數(shù)Rs和Uoc進行有效分層，可以減少光伏組件EL明暗不均的現(xiàn)象。