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结构、衰减与性能--单晶与多晶的本质透析

导读: 单晶电池和多晶电池的初始原材料都是原生多晶硅,类似于微晶状态存在。要具备发电能力,就必须将微晶状态的硅制成晶体硅,而晶体硅的晶向需要精确控制。单晶电池和多晶电池在制程上唯一无法轻易互换的就是晶体生长环节。

  多晶的本质是一种有瑕疵的单晶,历史上最早用于生产太阳能电池硅片并不像今日使用专门的设备生产的单晶硅片或者多晶硅片,而是使用半导体晶圆的边角余料或者残次品,价格相当昂贵。随着半导体晶圆的合格率逐渐提高,市场可供应的残次品晶圆越来越少。当人们希望普及硅基太阳能电池的时候,还没有出现专门的太阳能单晶硅生产设备,半导体晶圆生产太阳能电池的成本令人望而生畏,人们转而使用浇铸、铸锭、定向凝固的方法生产晶体硅锭,这就是所谓"多晶硅片"的来源,虽然品质较差,但成本有了明显下降。到上世纪80年代初期,专门用于生产太阳能单晶硅的技术逐渐成熟,这一时期,欧洲、美国、中国诞生了大量10KW以上、1MW以上的太阳能电站,这些电站上使用单晶硅生产的组件至今仍在稳定发电,30年的累计衰减还不到20%,足见单晶功率的稳定性。

  单晶电池和多晶电池的初始原材料都是原生多晶硅,类似于微晶状态存在。要具备发电能力,就必须将微晶状态的硅制成晶体硅,而晶体硅的晶向需要精确控制。单晶电池和多晶电池在制程上唯一无法轻易互换的就是晶体生长环节。在这个环节,原生多晶硅在单晶炉内会生产成单一晶向、无晶界、位错缺陷和杂质密度极低的单晶硅棒,如下图所示:

  多晶晶体的生长工艺本身决定了它无法生长出大面积单一晶向的晶体(单晶),多晶的本质就是大量的小单晶的集合体,如下图所示:

  多晶铸锭的小单晶颗粒之间的晶界会降低电池的发电能力,多晶铸锭本身简单粗暴的工艺使得它更容易大规模扩张,但是却无法将位错缺陷和杂质密度控制在较低水平,这些要素无一不在影响着多晶的少数载流子寿命。

  组件功率衰减分为初始光衰和长期衰减两类,单晶综合性能优异

  在组件封装材料可靠的前提下,影响单晶组件和多晶组件可靠性差异的关键因素就是功率衰减指标。它分为初始光衰和长期衰减两类。人类最早从1970年代前后研究组件衰减问题,经过数十年探索发现,单晶和多晶在这两类衰减上表现有很大差异。

  目前的单晶电池以P型为主,这种电池在日照2-3周后会发生2%~3%的快速功率衰减,原因是晶体生长中使用硼作为掺杂剂,同时有较多的氧原子混杂,替位硼和间隙氧在光照下激发形成较深能级缺陷,引起载流子复合和电池性能衰退。但是,这种衰退在退火作用下是可以恢复的。太阳能电池的功率在4个月或更长时间(取决于日照强度和时间)内会发生恢复,到1年后,累计衰减大约是2.5%~3%,并趋于稳定。

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