多晶硅太阳能电池的电子束辐照效应

蔡卓康，宋宜梅，张瑞宾

（桂林电子科技大学，a.机电工程学院；b.信息科技学院，广西 桂林 541004）

随着社会的迅猛发展，人类工业化进程不断推进，人类生活对能源的需求越来越大。太阳能发电作为新一代高效、清洁、无污染的能源来源，在各个领域扮演越来越重要的角色，太阳能电池的研发利用也成为了大家研究热点[1~2]。根据太阳能电池工作的特定环境特点，对太阳能电池进行辐照研究，探索电池的辐照退化规律具有很高的价值[3]。通过研究太阳电池的发电原理及粒子辐照太阳能电池导致电池损伤的机理，结合对太阳电池材料进行微观损伤分析，探索电池性能变化的真正原因，提高太阳电池的抗辐射能力。这是太阳能电池研发利用过程中一个必需的环节[4~7]。国外一些发达国家对太阳能电池的辐照研究比较早，特别是对硅太阳能电池进行电子、质子辐照研究比较多,而近几年，对GaAs高效电池进行辐照研究比较热门，分析手段多样化。而国内对太阳能电池进行辐照研究主要集中在近10年，针对空间用的太阳能电池进行辐照研究比较多见[8~13]。随着技术的进步，不断涌现出新的电池产品，像非晶硅薄膜太阳能电池、多层化合物太阳电池、染料敏化电池、有机化合物电池等。但目前，市场上的主流产品还是晶体硅太阳能电池。这是因为硅材料丰富，光电效应效率比较高，电池生产技术比较成熟，适合大量生产。而多晶硅太阳电池的成本更低，转换效率也比较高，多晶硅太阳能电池顺应社会的需求逐渐占据了主要的市场份额。对多晶硅太阳能电池进行辐照研究，探索辐照后电池性能衰减的原因，为提高多晶硅太阳能电池的抗辐射能力及控制生产工艺提供理论指导，这具有很实际的意义。在此，采用实验和蒙特卡洛模拟相结合的方法，对多晶硅太阳能电池进行了电子辐照效应研究。

1 实验选样及过程

（1）实验样品：桂林吉阳新能源有限公司生产的多晶硅太阳能电池片。

（2）样品规格：156×156±0.5mm，电池厚度：200±20μm，氮化硅减反射膜厚度约为80 nm，背面覆盖铝背场，3根主栅线，71根细栅线。

（3）实验过程：将制备好的多晶硅太阳电池在太阳模拟光源下对其性能进行测试，记录测试结果；然后，利用JJ一2型静电加速器对多晶硅太阳能电池进行辐照，电子辐照的能量为1Mev，注量分别为1×1014cm-2，1×1015cm-2，1×1016cm-2；辐照后在与辐照前一样的测试条件下测试太阳电池的性能；并对辐照前后的太阳能电池进行EL缺陷测试。

2 实验仿真分析

为了形象地模拟能量一定，辐照注量不同的电子束辐照多晶硅太阳能电池的不同损伤情况，本文采用蒙特卡洛(Monte—Carlo)模拟方法，运用CASINO程序通过计算机模拟跟踪电子入射到多晶硅太阳能电池材料中的运动轨迹。在整个跟踪过程中，计算机记录了粒子运动的各种参数，经过统计处理，得到了电子入射多晶硅电池材料后的运动轨迹图和沉积能量的分布图等模拟结果。在仿真过程中，辐照能量设置均为1MeV，入射电子数分别设置100、500、1 000个，依次进行模拟仿真，得到如图1至图9的仿真结果。以能量一定，数量不同的电子入射多晶硅太阳电池材料来模拟能量一定，注量不同的电子入射情况。

由图1、图2、图3可见，电子入射多晶硅电池材料后，电子路径比较曲折，向各个方向散射，整体轨迹图呈高斯分布。这主要是由于电子入射材料后，与材料中的粒子不断发生碰撞，自身能量损失并改变了原来的运动方向，由于粒子运动速度不断减低直至为零，所以入射电子也只能在一定的范围内运动。

图1 100个电子在电池材料中的运动轨迹

图2 500个电子在电池材料中的运动轨迹

图3 1 000个电子在电池材料中的运动轨迹

由图4、图5、图6可知，入射电子的数目越大，则单位面积的材料表面受到电子入射数目越多电子与材料中粒子碰撞总次数越多，电子在材料中的能量损失密度越大，范围越宽，会对电池材料的损伤更大。由电子束辐照半导体材料损伤机理可知，电子辐照多晶硅电池材料，发生电离效应和位移效应，会在电池材料中产生空位、间隙等缺陷，在一定程度上改变了原先材料的微观性质，进而影响电池的宏观电学性能。经过模拟仿真可知，入射电子数目越大，电子与材料粒子碰撞的总次数越多，材料产生的缺陷越多，材料受损伤程度越大，进而使得电池材料的性能改变越大，即会产生注量效应。

图4 100个电子在电池材料中的能量沉淀分布

图5 500个电子在电池材料中的能量沉淀分布

图6 1 000个电子在电池材料中的能量沉淀分布

3 实验测试的结果分析

3.1 电池的电学性能结果分析

利用桂林吉阳新能源有限公司运用于生产的太阳能电池片分选机对辐照前后的多晶硅电池片的进行电学性能测试，经整理，得到的结果如表1。

表1 多晶硅太阳能电池的电子辐照效应

多晶硅太阳电池在接受能量为1Mev，注量分别为1×1014cm-2，1×1015cm-2，1×1016cm-2电子辐照后，其开路电压，短路电流及转换效率均产生衰退，并随着注量增大，衰退更大，如图7、图8、图9所示。

图7 不同注量的电子辐照多晶硅太阳能电池短路电流衰减情况

图8 不同注量的电子辐照多晶硅太阳能电池开路电压衰减情况

图9 不同注量的电子辐照多晶硅太阳能电池转换效率衰减情况

比较三图可知，电池的开路电压衰减最小。电池受到1×1016cm-2电子辐照后，其短路电流和转换效率均衰减至初始值的一半以下，而电池的开路电压衰减至初始电压的80%以上，说明开路电压受影响相对较小。

由太阳能电池的工作原理，推得多晶硅太阳能电池电池的开路电压公式[14]为：

式中，

K 为玻耳兹曼常数T；

q 为电子电荷；

T 为绝对温度；

I0为P-N结反向饱和暗电流。

可见，电池的开路电压与电池的短路电流和电池的电池P-N结反向饱和暗电流有关。电子辐照太阳能电池后，电池的电压衰退，说明电池的P-N结反向饱和暗电流增加。而电池的暗电流增大原因是由于电池内部产生更多的缺陷，进而形成少数截流子的复合中心，使得少子扩散长度减小、寿命降低所致。

太阳电池的伏安特性表示[14]为：

式中，

IL为电池的光生电流；

Rs为电池的串联电阻；

Rsh为电池的并联电阻。

可见，电阻的串联电阻增大或并联电阻减小，均会使得电池的短路电流减小。并联电阻，其本质是则是由于材料本身及生产工艺等原因在电池内部造成的种种漏电通道。电池收到电子辐照后，由于在电池内部产生更多的晶体复合缺陷、氮化硅夹杂物沉淀等，漏电通道变得更大、更多。电池的串联电阻主要由体电阻、电极的接触电阻、横向电阻和电极电阻组成，而体电阻对电池的串联电阻影响最大。当太阳能电池收到电子辐射后，其中一个重要原因就是电池内部产生晶体缺陷、沉淀物等使得电池的体电阻变大，串联电阻随之增大。

太阳能电池的转换效率表达[14]为：

式中，

Pin为太阳的辐照功率；

pm为太阳能电池的输出功率；

FF 为太阳能电池的填充因子，FF 随Rs增大而减小。

分析显然可知，电子辐照太阳能电池使得其开路电压、短路电流减小，转换效率降低。

3.2 电池的电致发光图像分析

在太阳电池中，势垒宽度远远小于少子的扩散长度，当空穴和电子通过势垒区时，复合消失的几率较小，空穴和电子会向扩散区扩散。在正向偏压下，P-N结势垒区和扩散区注入了少数载流子。这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光，即为太阳电池电致发光的基本原理。

发光成像有效地利用了太阳电池间带中激发电子载流子的辐射复合效应。在太阳能电池两端加入正向偏压,其发出的光子可以被灵敏的CCD相机获得,得到太阳电池的辐射复合分布图像，即为太阳能电池的电致发光图像。

本文利用沛德光电科技有限公司生产的电池片红外热像缺陷检测仪(ELTC02)进行电池片的EL测试，测试结果如图10、图11、图12所示。

由图10、图11、图12可知，当电子辐照注量增大后，电池的EL图像的阴影部位越来越多，这说明电池的光电转换能力越来越差。这主要是因为电子辐照后，在电池内部产生各种晶体缺陷所致，使得电池的串联电阻增大，并联电阻降低，电池内部产生的更多复合中心，这样，少子在移动的过程中被多子俘获而复合，少子寿命降低，进而影响电池的电学性能。

图10 受到能量为1Mev、注量为1x1014 cm-2电子辐照后电池的电致发光图

图11 受到能量为1Mev、注量为1x1015 cm-2电子辐照后电池的电致发光图

图12 受到能量为1Mev、注量为1x1016 cm-2电子辐照后电池的电致发光图

4 结束语

多晶硅太阳能电内部有大量的晶粒晶界，晶粒方向杂乱，由电池内部的氮、氧、碳等杂质所形成硅化物、氧化物缺陷，这些缺陷均影响到电池的电学性能。当电子辐照多晶硅太阳能电池后，产生电离效应和位移效应，在晶体内部产生空位、间隙、悬挂键、错位等新增缺陷，晶体内部的粒子吸收入射电子的能量后微观结构产生变化，生成更多的缺陷团，进而形成更多的少子复合中心，促使少子的寿命降低，造成电池的性能退化。经过电子辐照多晶硅太阳能电池蒙特卡洛模拟及电池的电学性能实验分析，结合对电池的电致发光图像分析，得出结论如下：

（1）多晶硅太阳电池在接受能量为1Mev，注量分别为1×1014cm-2，1×1015cm-2，1×1016cm-2电子辐照后，其开路电压、短路电流及转换效率均产生衰退，并随着注量增大，衰退更大，其中短路电流较开路电压衰减更大。

（2）多晶硅太阳能电池在受到电子辐照后，在电池内部产生缺陷，并随着辐照注量增大，产生缺陷更多，电子束辐照太阳能电池会产生注量效应。

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