硅片质量对太阳能电池性能的影响-完成

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,单击此处编辑母版文本样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,单击此处编辑母版文本样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,THANK YOU,谢谢,硅片质量对太阳能电池性能的影响,张光春,2021-12,报告内容,1.引言,2.单晶硅片质量对电池性能的影响,2.1 少子寿命对电池性能的影响,2.2 早期光致衰减对电池性能的影响,2.3 位错对电池性能的影响,3.多晶硅片质量对电池性能的影响,3.1 少子寿命分布对电池性能的影响,3.2 微晶和分布晶对电池性能的影响,4.硅片各种不良对电池性能的影响,4.1 硅锭研磨抛光对电池性能的影响,4.2 硅片锯痕、台阶和厚薄不均对电池性能的影响,4.3 硅片的外表沾污对电池性能的影响,2,2007年全球商业化光伏电池市场中，由单晶硅和多晶硅组成的晶体硅太阳能电池的市场份额达87.4%，是光伏市场的绝对主流产品，而且在可见的未来几年内，这种局面不会改变。,1.引言,1999年-2007年全球商业化光伏电池市场份额,3,硅片作为晶体硅太阳能电池的根底材料，其质量对电池性能具有很重要的影响。一方面，硅片的内部缺陷和杂质会直接影响电池的效率和稳定性；另一方面，硅片的外观缺陷和外表质量对电池的制造和外观等也具有很重要的影响。,只有通过硅片供给商和电池片制造商的共同努力，不断改善和提高硅片质量，才能更好地为我们的客户提供高质量的电池和组件。,1.引言,4,报告内容,1.引言,2.单晶硅片质量对电池性能的影响,2.1 少子寿命对电池性能的影响,2.2 早期光致衰减对电池性能的影响,2.3 位错对电池性能的影响,3.多晶硅片质量对电池性能的影响,3.1 少子寿命分布对电池性能的影响,3.2 微晶和分布晶对电池性能的影响,4.硅片各种不良对电池性能的影响,4.1 硅锭研磨抛光对电池性能的影响,4.2 硅片锯痕、台阶和厚薄不均对电池性能的影响,4.3 硅片的外表沾污对电池性能的影响,5,2.单晶硅片质量对电池性能的影响,单晶硅由于其本身内部完整的晶体结构，其电池效率明显高于多晶硅电池。然而，单晶硅内部杂质和晶体缺陷的存在会严重影响太阳能电池的效率，比方：,(a)光照条件下B-O复合体的产生会导致单晶电池的早期光致衰减；,(b)内部金属杂质和晶体缺陷位错等的存在会成为少数载流子的复合中心，影响其少子寿命，导致电池性能的下降。,6,2.1 少子寿命对电池性能的影响,少子寿命是指半导体材料在外界注入光或电停止后，少数载流子从最大值衰减到无注入时的初值之间的平均时间。,少子寿命是用于表征材料的重金属沾污及体缺陷的重要参数，少子寿命值越大，相应的材料质量越好。少子寿命已成为生产线上常规测试的一个参数。,我们选取某供给商某批单晶硅片进行实验，将硅片按不同少子寿命区分后，按正常电池工艺做成电池，其少子寿命和电池效率具有很好的对应关系，如以下图所示。,7,早期光致衰减机理,P型掺硼晶体硅太阳电池的早期光致衰减现象最早在30多年前就有相关报道。大量的科学研究发现它与硅片中的硼氧浓度有关，大家根本一致的看法是光照或电流注入导致硅片中的硼和氧形成硼氧复合体，从而使少子寿命降低，但经过退火处理，少子寿命又可恢复，其反响为：,2.2 早期光致衰减对电池性能的影响,Bs2Oi,（少子寿命高）,光照或电流注入,BsO,2i,（少子寿命低）,退火处理,正是由于掺硼单晶硅在光照条件下硼氧复合体的生成，引起少子寿命的下降，最终导致太阳电池和组件功率的下降。,关于这方面的详细研究，尚德公司已在第十届光伏大会上发表论文“P型晶体硅光伏电池和组件早期光致衰减问题的研究。,8,光伏组件的早期光致衰减,一会引起组件功率在使用的最初几天内发生较大幅度的下 降，使标称功率和实际功率不符，使组件供给商面临客户投诉或,索赔。,二光伏组件的光致衰减主要是由电池衰减导致的，同一组件内各个电池片由于光致衰减的不一致性造成原本分选时电性能一致的电池片，经过光照后，电性能会存在很大偏差，引起组件曲线异常和热斑现象，导致组件的早期失效。,光致衰减的危害,9,我们将某供给商提供的质量较差的硅片做成的初始分选效率为16%的电池片，经弱光光照1.5小时后(光源为节能灯)，发现电池片效率衰减很多，且离散性也很大，效率最高的为15.4%，最低的仅为13%，衰减比率达3.75%至18.75%。,低质硅片做成的同一档次电池经弱光光照后效率分布图,低质电池光致衰减不一致性实例,10,上述经弱光光照的电池片重新分选检测后，按转换效率的分布情况做成14块组件，经太阳光光照1天和2天后的功率比照方以下图所示。,低质电池光致衰减不一致性实例(续),11,试验结论：,此供给商的硅片制作的电池片本身衰减较为严重，如果电池片不经过光照和二次分选而直接做成组件，尤其是衰减较为严重的那局部电池片，会分散在各个组件内，影响到组件的整体功率下降更多，并且将导致组件曲线异常和热斑。,上述结果也说明，普通的节能灯没有使该电池片衰减到稳定的程度，因此做成的组件在太阳光光照后仍然出现了较大的衰减。但是通过光照后二次分选剔出了效率极低的电池片，并使得每个组件内电池片效率均匀性根本一致。,初始分选效率16%的电池片理论上可做成172W的组件，但经过光致衰减后，最终的做成最大仅155.71W组件和最小仅143.78W的组件，衰减比率达9.47%至16.4%!因此，严格把控硅片质量是保证电池和组件性能稳定的根本措施。,低质电池光致衰减不一致性实例(续),12,台阶曲线和热斑现象分析：,光伏组件的核心组成局部就是太阳电池，如果太阳电池发生光致衰减，就必然导致光伏组件的输出功率下降，并极易在组件中引起热斑。,假设一串电池中产生的电流不一致时，通过这串电池的电流将在问题电池上引起热斑；假设电池串与串之间电流不一致，在接了旁路二极管的组件特性曲线上可看到“台阶曲线。,通过测量光照前后组件的输出特性曲线和红外成像分析,可以考察组件的初始光致率减现象。,早期光致衰减导致的组件台阶曲线和热斑现象,13,如果组件中电池的衰减不一致，将导致IV曲线出现台阶。,Spot analysis,Value,SP01 Temp,74.8C,SP02 Temp,73.6C,SP03 Temp,53.5C,SP04 Temp,61.5C,SP05 Temp,49.5C,早期光致衰减导致的组件台阶曲线和热斑现象(续),对于出现台阶曲线的组件用红外成像检查，可发现有组件出现热斑，如右图所示，该组件温差大于20,。,这种热斑的温度与周围电池的温度相差较大，过热的区域可引起EVA加快老化变黄，使该区域透光率下降，从而使热斑进一步恶化，导致组件的早期失效。,14,早期光致衰减,的解决方案,一 改善硅单晶质量,硅片自身的性质决定了太阳电池性能的早期光致衰减程度。,(A)利用磁控直拉硅单晶工艺MCZ改进单晶硅棒产品质量；,(B)使用掺磷的N型硅片；,(C)改变P型掺杂剂，用镓代替硼。,尚德公司与供给商合作在掺Ga单晶方面做了大量研究工作，克服了相关技术难题，并于今年8月份联合供给商召开了掺Ga工艺推广会，把这一技术成果无偿提供给社会。,二电池片光照预衰减,通过对电池片进行光照预衰减,使电池的早期光致衰减发生在组件制造前，组件的衰减就完全可以控制在测量误差之内。同时也大幅度地减少了光伏组件出现热斑的几率，提高了光伏组件的输出稳定性，为我们的用户带来更多的效益。,尚德公司利用光照预衰减设备，将衰减比率大的电池片全部进行光照预衰减，主动承担因电池衰减而造成的损失，保证了光伏组件输出稳定性和客户的利益。,以下图为尚德公司的光照预衰减设备：,15,2.3 位错对电池性能的影响,组件EL和电性能测试,我们对大量低档电池片及其组件进行了研究，某低档电池片做成的组件其EL测试如下左图所示。组件的电池片中存在着大量黑心和黑斑的情况。,电致发光ELElectroluminescence照片中黑心和黑斑反映的是在通电情况下该局部发出的1150nm红外光相对弱，故在EL相片中显示为黑心和黑斑，发光现象和硅衬底少数载流子寿命有关。由此可见，黑心和黑斑处硅衬底少数载流子寿命明显偏低。,组件电性能测试如下右图所示。由图可见，组件短路电流Isc4.588A和最大功率Pmax143.028W明显偏低；此类正常组件短路电流Isc一般为5.2A，最大功率Pmax一般为175W以上。说明组件中存在着大量低效率电池片，导致组件功率的严重下降。,组件EL测试,光照条件组件电性能测试,16,电池片EL测试如以下图所示，其黑心和黑斑现象如组件EL测试所见。,光照条件电池电性能测试如下所示。,两片电池效率和Isc均明显偏低,而此类正常电池片效率约为17.5%左右，Isc为5.3A。,Uoc,Isc,Rs,Rsh,FF,NCell,Urev2,Irev2,样片1,0.613,4.73,0.026,16.99,56.67,0.1106,-12,1.041,样片2,0.587,4.62,0.005,104.21,76.6,0.1399,-12,0.165,电池片EL和电性能测试,17,电池经过去SiN膜、去正反电极、去铝背场和n型层，再经碘酒钝化后，硅片少子寿命测试如以下图所示。,电池片EL测试黑心和黑斑区域少子寿命明显偏低。,硅片少子寿命测试,18,黑心外,黑心内,另一硅片位错密度1E51E6500倍,“黑心内位错密度1E61E7500倍,硅片“黑心内 位错密度均最高达1E61E7个/cm2左右；另一硅片，EL测试黑斑区域位错密度达1E51E6个/cm2左右，如右图所示。,硅片位错密度,硅片经化学腐蚀后，其形貌如以下图所示。,综上所述，正是由于硅片中存在着极高的位错密度，成为少数载流子的强复合中心，最终导致电池性能的严重下降。,19,报告内容,1.引言,2.单晶硅片质量对电池性能的影响,2.1 少子寿命对电池性能的影响,2.2 光致衰减对电池性能的影响,2.3 位错对电池性能的影响,3.多晶硅片质量对电池性能的影响,3.1 少子寿命分布对电池性能的影响,3.2 微晶和分布晶对电池性能的影响,4.硅片各种不良对电池性能的影响,4.1 硅锭研磨抛光对电池性能的影响,4.2 硅片锯痕、台阶和厚薄不均对电池性能的影响,4.3 硅片的外表沾污对电池性能的影响,20,3.多晶硅片质量对电池性能的影响,多晶硅太阳电池的市场份额已远远超过单晶硅太阳电池，成为光伏市场的主要产品。然而，与直拉单晶硅相比，多晶硅中存在着高密度的缺陷和杂质，如晶界、位错、氧碳和金属等。,一方面，作为位错、晶界和杂质最集中的微晶区域会显著影响材料的电学性能，并最终影响电池性能；,另一方面，由于多晶硅中各局部缺陷和杂质分布的不均匀性，造成单片多晶硅片性能上的明显差异，研究说明，其少子寿命最低区域对电池性能具有决定性的影响。,21,3.1 少子寿命分布对电池性能的影响,由于多晶硅片内部杂质和缺陷的不均匀性，其少子寿命分布也具有很大的不均匀性，而最终决定所做电池效率的是硅片少子寿命最小值。,我们选取一批硅片，每片测试五个点边角四个点和中心一个点的少子寿命去损伤层后碘酒钝化，再按正常工艺做成电池测试其电池效率。,硅片少子寿命五点中最大值由小到大排列时,相应电池片的效率如以下图所示。,硅片少子寿命五点平均值由小到大排列时,相应电池片的效率如以下图所示。,硅片少子寿命五点中最小值