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【干货】单晶硅与多晶硅电池衰减特性研究

导读: 着重研究直拉单晶硅电池及铸锭多晶硅电池衰减的差异,以及导致差异形成的原因。结果表明,该差异的形成主要受B-O 复合体、碳含量、分凝系数及金属离子的影响。

   着重研究直拉单晶硅电池及铸锭多晶硅电池衰减的差异,以及导致差异形成的原因。结果表明,该差异的形成主要受B-O 复合体、碳含量、分凝系数及金属离子的影响。

  引言

  太阳电池和发电技术的大面积推广,对传统化石燃料发电技术形成了强大冲击,在能源日益枯竭和环境污染日趋加剧的今天,其研究备受关注。太阳电池按照所用材料的区别,主要分为硅材料电池、半导体化合物电池、有机化合物电池,以及近年来研究活跃的钙钛矿电池。其中,硅材料电池中的晶体硅电池又分为单晶硅和多晶硅电池两大类,占据了90%左右的市场份额[1]。众所周知,单晶硅电池光致衰减(LID)一直是困扰行业的一大难题,特别是近年来新开发和产业化的钝化发射极和局部背接触(PERC)电池,其LID值更是高达3%~5%;然而同为p型多晶硅电池的LID却始终较低。同样的掺硼电池,不同的晶体生长方式最终导致不同的LID值。本文着重研究LID的影响因素,以及不同晶体生长方式对LID值的影响。

  1、LID的影响因素

  影响LID的因素为:1)硼氧(B-O)复合体。B-O复合体是影响LID的主要因素之一,LID值与B浓度成正比,与O浓度平方成正比[2]。2)晶体内部碳(C)含量。高浓度的C对B-O复合体存在抑制作用[3]。3)分凝系数。氧在硅中的分凝系数为1.25,因此对于直拉单晶硅来说,头部的O含量相对较高,尾部相对较低;而对于铸锭多晶硅来说,底部先凝固,则O浓度最高;顶部后凝固,则O浓度最低。4)硼铁(Fe-B)对的分解-复合模型。Fe-B对分解成Fe和B,高能级的Fe复合中心使硅片受到Fe污染,从而引起电池性能下降。

  2、试验设计

  2.1试验仪器

  硅片C/O含量、少子寿命,以及硅片厚度等参数分别采用Nicolet8700傅立叶红外(FT-IR)光谱仪、德国SemilabWT-1000少子寿命测试仪、上海星纳MS203晶片多功能参数检测仪进行测试;电池光照处理采用上海太阳能工程技术研究中心HS1610C热斑耐久试验装置;光照前后的电池性能参数测量采用德国H.A.L.M高精度I-V测量系统;采用中导光电设备有限公司的FL-01一体机进行硅片的光致发光(PL)和电池的电致发光(EL)测量。

  2.2试验样品及处理

  样品采集相同电阻率(1~3Ω)的铸锭多晶硅(MC-Si)及直拉单晶硅(CZ-Si),测试其原料硅片各项参数并作相应记录;然后将样品经过相同电池加工工艺处理后,分别选取10片电池片,

  采用热斑耐久试验箱进行光照处理,光照强度1000W/m2,时间5h;采用相同系统测量光照后的电池性能参数,计算光照过程中衰减比例。

  3、结果与分析

  硅片各项参数对应光致衰减值见表1,其中,衰减1和衰减2代表同一条件下电池衰减的两次测试。由表1可知,相同电阻率的MC-Si及CZ-Si衰减的差异主要来源于O浓度和C浓度的变化。由于MC-Si铸锭过程中采用的是陶瓷坩埚,其主要化学成分SiO2(99%)、Al2O3(0.5%)、GaO(0.5%)和Si3N4涂层;而CZ-Si拉晶过程中采用石英玻璃坩埚,其主要化学成分是单一高纯度的SiO2(100%),并且采用高纯SiO2作为涂层材料[4]。

光伏

  陶瓷坩埚本身的SiO2含量较石英玻璃坩埚偏低,并且Si3N4涂层中O含量较高纯SiO2涂层偏低,从而导致多晶硅较单晶硅O含量明显偏低;此外,B-O复合体是影响LID的主要因素之一,LID值跟B浓度成正比,与O浓度平方成正比[2];所以说,多晶硅O含量偏低是导致多晶硅电池衰减偏低的主要原因(如图1所示)。

  其次是碳含量,碳的分凝系数以及拉晶和铸锭过程中的热场分布的不同,造成MC-Si中C含量明显高于CZ-Si,而高浓度的C对B-O复合体存在抑制作用[3]。这也是导致多晶硅电池衰减低于单晶硅电池的原因之一如图2所示。另外,影响LID的因素还有分凝系数,O在硅中的分凝系数为1.25,对于CZ-Si来说,拉晶过程中头部先凝固,因此头部O含量最高;随着熔体的减少,坩埚贡献的溶解O的浓度再次增加,受熔体对流的影响,晶体中O浓度后期再次升高;整个晶体中O浓度呈现连续变化的曲线关系,称之为轴向O曲线[5]。而对于MC-Si来说,底部先凝固,O浓度最高;顶部最后凝固,O浓度最低。

光伏

  MC-Si相比较CZ-Si晶界以及缺陷较多,针对缺陷是否会造成LID的差异这一问题,我们进行了研究,结果表明,缺陷对LID影响不大。这与王朋[6]等对关于MC-Si中缺陷对LID的影响研究结果相吻合。

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