单晶硅片质量对太阳能电池性能的影响研究

谢　义

(安徽电子信息职业技术学院， 安徽 蚌埠 233030)



单晶硅片质量对太阳能电池性能的影响研究

谢义

(安徽电子信息职业技术学院， 安徽 蚌埠 233030)

摘要：太阳能电池硅片的质量是影响电池片转换效率以及电池组件发电效率的一个关键因素。硅片缺陷的存在会极大地降低电池片的发电效率，减少电池组件的使用寿命，甚至影响光伏发电系统的稳定性。通过对单晶硅片质量进行检测，分析少子寿命、早期光致衰减以及位错对太阳能电池性能的影响及解决方案。

关键词：单晶硅； 太阳能电池； 转换效率； 光致衰减； 位错

近年来随着光伏发电行业下游应用市场的不断扩大，硅片市场的需求也在不断提高。而太阳能电池片主要由硅片组成，其中硅片质量的好坏直接影响太阳能电池片的综合性能。在晶硅系列太阳能电池中，单晶硅电池内部晶体结构特征决定了其转换效率明显高于多晶硅电池。但是单晶硅电池内部存在的晶体缺陷和内部杂质等质量问题，同样也会影响太阳能电池的转换效率。

1单晶硅片质量对电池性能的影响

1.1少子寿命的影响

少子寿命是目前晶硅电池特征常规测试的参数之一。本次研究选取某批单晶硅片进行实验，将单晶硅片进行初次分选后，按正常生产工艺做成电池片，测量少子寿命对电池效率的影响关系如图1所示。由图可见，少子寿命值越大，转换效率越高，相应的晶硅材料的内部杂质和晶体缺陷也就越少。引起少子寿命降低的原因是光照或电流注入导致硅片中的硼和氧形成硼氧复合体，但经过退火处理后，少子寿命即可恢复[1]。

1.2早期光致衰减的影响

大量科学研究发现硅片中的硼氧浓度是造成电池片早期光致衰减的主要因素，而光伏组件的光致衰减主要是由各个电池片的光致衰减不一致造成的。虽然分选电池片时各个电池片的电性能一致，但经过光照后，电性能出现了较大偏差，从而引起组件特性异常和热斑现象，最终导致组件的早期失效[2-7]。

图1　少子寿命与电池效率对应关系图

将质量较差的单晶硅片按正常生产工艺做成初始效率为16%的电池片，经节能灯光照1.5 h后，测试效率最高的为15.4%，最低的仅为13.0%，衰减比率介于3.75%~18.75%，如图2所示。把上述电池片重新分选，按分选后电池片转换效率的分布情况做成14块组件，阳光光照1 d和2 d后的功率对比如图3所示。

早期光致衰减试验结果表明：

(1)在光伏组件生产过程中，如果电池片不经过预衰减和二次分选而直接做成组件，在各个组件内会包含衰减较为严重的那部分电池片，直接导致组件特性异常和热斑现象，从而影响组件的整体性能。

(2)虽然普通的节能灯光照后的电池片做成的组件在阳光光照后仍会出现较大的衰减，但是通过节能灯光照二次分选后的电池片效率的均匀性基本得到了保障。

(3)初始分选效率16%的电池片经过光致衰减后，最终做成的组件功率最大仅155.71 W，最小为143.78 W，而理论上可做成组件的功率为172 W，衰减比率达9.47%~16.40%。

图2　低质硅片做成的同档次电池

图3　重新分选，经弱光光照后电池片

1.3早期光致衰减的解决方案

(1)改善硅单晶质量。硅片自身的质量对太阳能电池的早期光致衰减有决定性作用，可采取的措施有：①利用磁控直拉单晶硅工艺生产单晶硅棒；②使用掺磷的N型硅片；③改善掺杂工艺，比如掺杂工艺过程中用镓元素代替硼元素。

(2)光照预衰减后进行二次分选。在组件制造前对电池片进行光照预衰减后进行二次分选，这样不仅可以控制组件的衰减，同时还能大幅度减少光伏组件出现热斑的几率，从而提高光伏组件的整体性能。

2位错对电池性能的影响

位错是晶体内部缺陷之一，位错密度的大小直接影响电池片的性能。

2.1组件EL测试

通过选用某低档电池片做成光伏组件进行EL测试，在通电情况下电池片中一部分发出的1 150 nm红外光相对较弱，说明硅衬底少子寿命明显偏低，造成了大量黑心和黑斑，如图4所示。

图4　组件EL测试

2.2组件电性能测试

图5为上述组件电性能测试结果。图中组件短路电流Isc为4.588 A，明显偏低此类正常组件短路电流Isc(一般为5.200 A)，最大功率Pmax为143.028 W明显偏低于此类正常组件最大功率Pmax(一般大于175W)，功率严重下降，说明上述某低档电池片做成的光伏组件中存在着大量低性能电池片。

图5　光照条件组件电性能测试

2.3硅片少子寿命测试

上述电池片经过工艺处理成硅片后， EL测试结果表明其存在大量黑心和黑斑区域，说明少子寿命明显偏低，如图6所示。

图6　电池片EL测试

2.4硅片位错密度测试

选取上述2片硅片经化学工艺腐蚀后，其形貌如图7所示。

图7　化学腐蚀后硅片形貌

测试化学工艺腐蚀后的硅片位错密度。其中：一硅片“黑心内”位错密度高达1E6～1E7个cm2；另一硅片黑斑区域位错密度达1E5～1E6个cm2。综上所述，硅片中极高的位错密度最终会导致电池片性能的严重下降。

3结语

硅片是晶体硅太阳能电池片最基本的材料，其质量直接决定了电池片的整体性能。一方面，硅片的外观缺陷和表面质量影响电池的制造和外观；另

一方面，硅片的晶体内部缺陷和杂质直接影响电池的效率和稳定性。只有不断改善和提高硅片的整体质量，才能保障太阳能电池片和组件的质量和性能。

参考文献

[1] 陈如龙,吴而义,苏世杰,等.MCZ单晶硅太阳电池的光致衰减问题的研究[C]杨德仁，汪雷.第十届中国太阳能光伏会议论文集.杭州:浙江大学出版社,2008:107-109.

[2] 吴翠姑,于波,韩帅,等.多晶硅光伏组件功率衰减的原因分析以及优化措施[J].电气技术,2009(8):113-114.

[3] 王志功.浅谈硅片缺陷的控制[J].科技与企业,2013(12):367-367.

[4] 郭建东.太阳能电池电性能异常分析[C]魏启东.第十一届中国光伏大会暨展览会.南京:东南大学出版社，2010:364-367.

[5] 李祥,文尚胜,姚日晖.硅基有机太阳能电池光学性能分析[J].发光学报,2012(3):286-293.

[6] 王志功.浅谈硅片缺陷的控制[J].科技与企业,2013(12):367-367.

[7] 胡秀琴,马长勤.Cr:KTiOPO4晶体缺陷的研究[J].人工晶体学报,2000(1):69-72.

Study on the Influence of the Quality of Single Crystal Silicon Wafer on the Performance of Solar Cells

XIEYi

(Anhui Vocational College of Electronics & Information Technology, Bengbu Anhui 233030, China)

Abstract:The quality of solar cell silicon wafer is a key factor to affect the conversion efficiency of the battery and the power efficiency of the battery module. The existence of wafer defect can greatly reduce the power generation efficiency, shorten the service life of the battery components, and even affect the stability of photovoltaic power generation system. Based on the detection of single crystal silicon wafer, this paper also analyzed the effect of little sub life, early light induced attenuation and dislocation on solar cell and proposed solutions.

Key words:single crystal silicon; solar cell; transfer efficiency; photoluminescence decay; dislocation

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)01-0107-03

中图分类号：TM914

作者简介：谢义(1981 — )，男，安徽萧县人，硕士，研究方向为新能源应用技术、电子信息技术。

基金项目：安徽省省级质量工程项目“光伏组件加工实训工学产合一教学模式的研究与实践”(2013JYXM429)

收稿日期：2015-10-29