多晶硅太陽能電池的電子束輻照效應

蔡卓康，宋宜梅，張瑞賓

（桂林電子科技大學，a.機電工程學院；b.信息科技學院，廣西 桂林 541004）

隨著社會的迅猛發展，人類工業化進程不斷推進，人類生活對能源的需求越來越大。太陽能發電作為新一代高效、清潔、無污染的能源來源，在各個領域扮演越來越重要的角色，太陽能電池的研發利用也成為了大家研究熱點[1~2]。根據太陽能電池工作的特定環境特點，對太陽能電池進行輻照研究，探索電池的輻照退化規律具有很高的價值[3]。通過研究太陽電池的發電原理及粒子輻照太陽能電池導致電池損傷的機理，結合對太陽電池材料進行微觀損傷分析，探索電池性能變化的真正原因，提高太陽電池的抗輻射能力。這是太陽能電池研發利用過程中一個必需的環節[4~7]。國外一些發達國家對太陽能電池的輻照研究比較早，特別是對硅太陽能電池進行電子、質子輻照研究比較多,而近幾年，對GaAs高效電池進行輻照研究比較熱門，分析手段多樣化。而國內對太陽能電池進行輻照研究主要集中在近10年，針對空間用的太陽能電池進行輻照研究比較多見[8~13]。隨著技術的進步，不斷涌現出新的電池產品，像非晶硅薄膜太陽能電池、多層化合物太陽電池、染料敏化電池、有機化合物電池等。但目前，市場上的主流產品還是晶體硅太陽能電池。這是因為硅材料豐富，光電效應效率比較高，電池生產技術比較成熟，適合大量生產。而多晶硅太陽電池的成本更低，轉換效率也比較高，多晶硅太陽能電池順應社會的需求逐漸占據了主要的市場份額。對多晶硅太陽能電池進行輻照研究，探索輻照后電池性能衰減的原因，為提高多晶硅太陽能電池的抗輻射能力及控制生產工藝提供理論指導，這具有很實際的意義。在此，采用實驗和蒙特卡洛模擬相結合的方法，對多晶硅太陽能電池進行了電子輻照效應研究。

1 實驗選樣及過程

（1）實驗樣品：桂林吉陽新能源有限公司生產的多晶硅太陽能電池片。

（2）樣品規格：156×156±0.5mm，電池厚度：200±20μm，氮化硅減反射膜厚度約為80 nm，背面覆蓋鋁背場，3根主柵線，71根細柵線。

（3）實驗過程：將制備好的多晶硅太陽電池在太陽模擬光源下對其性能進行測試，記錄測試結果；然后，利用JJ一2型靜電加速器對多晶硅太陽能電池進行輻照，電子輻照的能量為1Mev，注量分別為1×1014cm-2，1×1015cm-2，1×1016cm-2；輻照后在與輻照前一樣的測試條件下測試太陽電池的性能；并對輻照前后的太陽能電池進行EL缺陷測試。

2 實驗仿真分析

為了形象地模擬能量一定，輻照注量不同的電子束輻照多晶硅太陽能電池的不同損傷情況，本文采用蒙特卡洛(Monte—Carlo)模擬方法，運用CASINO程序通過計算機模擬跟蹤電子入射到多晶硅太陽能電池材料中的運動軌跡。在整個跟蹤過程中，計算機記錄了粒子運動的各種參數，經過統計處理，得到了電子入射多晶硅電池材料后的運動軌跡圖和沉積能量的分布圖等模擬結果。在仿真過程中，輻照能量設置均為1MeV，入射電子數分別設置100、500、1 000個，依次進行模擬仿真，得到如圖1至圖9的仿真結果。以能量一定，數量不同的電子入射多晶硅太陽電池材料來模擬能量一定，注量不同的電子入射情況。

由圖1、圖2、圖3可見，電子入射多晶硅電池材料后，電子路徑比較曲折，向各個方向散射，整體軌跡圖呈高斯分布。這主要是由于電子入射材料后，與材料中的粒子不斷發生碰撞，自身能量損失并改變了原來的運動方向，由于粒子運動速度不斷減低直至為零，所以入射電子也只能在一定的范圍內運動。

圖1 100個電子在電池材料中的運動軌跡

圖2 500個電子在電池材料中的運動軌跡

圖3 1 000個電子在電池材料中的運動軌跡

由圖4、圖5、圖6可知，入射電子的數目越大，則單位面積的材料表面受到電子入射數目越多電子與材料中粒子碰撞總次數越多，電子在材料中的能量損失密度越大，范圍越寬，會對電池材料的損傷更大。由電子束輻照半導體材料損傷機理可知，電子輻照多晶硅電池材料，發生電離效應和位移效應，會在電池材料中產生空位、間隙等缺陷，在一定程度上改變了原先材料的微觀性質，進而影響電池的宏觀電學性能。經過模擬仿真可知，入射電子數目越大，電子與材料粒子碰撞的總次數越多，材料產生的缺陷越多，材料受損傷程度越大，進而使得電池材料的性能改變越大，即會產生注量效應。

圖4 100個電子在電池材料中的能量沉淀分布

圖5 500個電子在電池材料中的能量沉淀分布

圖6 1 000個電子在電池材料中的能量沉淀分布

3 實驗測試的結果分析

3.1 電池的電學性能結果分析

利用桂林吉陽新能源有限公司運用于生產的太陽能電池片分選機對輻照前后的多晶硅電池片的進行電學性能測試，經整理，得到的結果如表1。

表1 多晶硅太陽能電池的電子輻照效應

多晶硅太陽電池在接受能量為1Mev，注量分別為1×1014cm-2，1×1015cm-2，1×1016cm-2電子輻照后，其開路電壓，短路電流及轉換效率均產生衰退，并隨著注量增大，衰退更大，如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 不同注量的電子輻照多晶硅太陽能電池短路電流衰減情況

圖8 不同注量的電子輻照多晶硅太陽能電池開路電壓衰減情況

圖9 不同注量的電子輻照多晶硅太陽能電池轉換效率衰減情況

比較三圖可知，電池的開路電壓衰減最小。電池受到1×1016cm-2電子輻照后，其短路電流和轉換效率均衰減至初始值的一半以下，而電池的開路電壓衰減至初始電壓的80%以上，說明開路電壓受影響相對較小。

由太陽能電池的工作原理，推得多晶硅太陽能電池電池的開路電壓公式[14]為：

式中，

K 為玻耳茲曼常數T；

q 為電子電荷；

T 為絕對溫度；

I0為P-N結反向飽和暗電流。

可見，電池的開路電壓與電池的短路電流和電池的電池P-N結反向飽和暗電流有關。電子輻照太陽能電池后，電池的電壓衰退，說明電池的P-N結反向飽和暗電流增加。而電池的暗電流增大原因是由于電池內部產生更多的缺陷，進而形成少數截流子的復合中心，使得少子擴散長度減小、壽命降低所致。

太陽電池的伏安特性表示[14]為：

式中，

IL為電池的光生電流；

Rs為電池的串聯電阻；

Rsh為電池的并聯電阻。

可見，電阻的串聯電阻增大或并聯電阻減小，均會使得電池的短路電流減小。并聯電阻，其本質是則是由于材料本身及生產工藝等原因在電池內部造成的種種漏電通道。電池收到電子輻照后，由于在電池內部產生更多的晶體復合缺陷、氮化硅夾雜物沉淀等，漏電通道變得更大、更多。電池的串聯電阻主要由體電阻、電極的接觸電阻、橫向電阻和電極電阻組成，而體電阻對電池的串聯電阻影響最大。當太陽能電池收到電子輻射后，其中一個重要原因就是電池內部產生晶體缺陷、沉淀物等使得電池的體電阻變大，串聯電阻隨之增大。

太陽能電池的轉換效率表達[14]為：

式中，

Pin為太陽的輻照功率；

pm為太陽能電池的輸出功率；

FF 為太陽能電池的填充因子，FF 隨Rs增大而減小。

分析顯然可知，電子輻照太陽能電池使得其開路電壓、短路電流減小，轉換效率降低。

3.2 電池的電致發光圖像分析

在太陽電池中，勢壘寬度遠遠小于少子的擴散長度，當空穴和電子通過勢壘區時，復合消失的幾率較小，空穴和電子會向擴散區擴散。在正向偏壓下，P-N結勢壘區和擴散區注入了少數載流子。這些非平衡少數載流子不斷與多數載流子復合而發光，即為太陽電池電致發光的基本原理。

發光成像有效地利用了太陽電池間帶中激發電子載流子的輻射復合效應。在太陽能電池兩端加入正向偏壓,其發出的光子可以被靈敏的CCD相機獲得,得到太陽電池的輻射復合分布圖像，即為太陽能電池的電致發光圖像。

本文利用沛德光電科技有限公司生產的電池片紅外熱像缺陷檢測儀(ELTC02)進行電池片的EL測試，測試結果如圖10、圖11、圖12所示。

由圖10、圖11、圖12可知，當電子輻照注量增大后，電池的EL圖像的陰影部位越來越多，這說明電池的光電轉換能力越來越差。這主要是因為電子輻照后，在電池內部產生各種晶體缺陷所致，使得電池的串聯電阻增大，并聯電阻降低，電池內部產生的更多復合中心，這樣，少子在移動的過程中被多子俘獲而復合，少子壽命降低，進而影響電池的電學性能。

圖10 受到能量為1Mev、注量為1x1014 cm-2電子輻照后電池的電致發光圖

圖11 受到能量為1Mev、注量為1x1015 cm-2電子輻照后電池的電致發光圖

圖12 受到能量為1Mev、注量為1x1016 cm-2電子輻照后電池的電致發光圖

4 結束語

多晶硅太陽能電內部有大量的晶粒晶界，晶粒方向雜亂，由電池內部的氮、氧、碳等雜質所形成硅化物、氧化物缺陷，這些缺陷均影響到電池的電學性能。當電子輻照多晶硅太陽能電池后，產生電離效應和位移效應，在晶體內部產生空位、間隙、懸掛鍵、錯位等新增缺陷，晶體內部的粒子吸收入射電子的能量后微觀結構產生變化，生成更多的缺陷團，進而形成更多的少子復合中心，促使少子的壽命降低，造成電池的性能退化。經過電子輻照多晶硅太陽能電池蒙特卡洛模擬及電池的電學性能實驗分析，結合對電池的電致發光圖像分析，得出結論如下：

（1）多晶硅太陽電池在接受能量為1Mev，注量分別為1×1014cm-2，1×1015cm-2，1×1016cm-2電子輻照后，其開路電壓、短路電流及轉換效率均產生衰退，并隨著注量增大，衰退更大，其中短路電流較開路電壓衰減更大。

（2）多晶硅太陽能電池在受到電子輻照后，在電池內部產生缺陷，并隨著輻照注量增大，產生缺陷更多，電子束輻照太陽能電池會產生注量效應。

[1]納爾遜，高 揚.太陽能電池物理[M].上海：上海交通大學出版社，2011.

[2]熊紹珍，朱美芳.太陽能電池基礎與應用[M].北京：科學出版社，2009.

[3]陳用烈.輻射固化材料及其應用[M].北京：化學工業出版社，2003.

[4]余金中.半導體光電子技術[M].北京:化學工業出版社，2003.

[5]黃克智，肖紀美.材料的損傷斷裂機理與宏微觀力學理論[M].北京:清華大學出版社，1999.

[6]許并社.材料界面的物理與化學[M].北京:化學工業出版社，2006.

[7]張慶軍.材料現代分析測試實驗[M].北京：化學工業出版社，2005.

[8]Cooper D,Twitchett-Harrison A C,Midgley P A,et al.The influ ence ofelectron irradiation on electron holography of focused ion beam milled GaAs p-n junctions[J].JAppl Phys,2007,101(9):094508.

[9]R.Wang,Y.H.LiuandX.F.Sun.Effectsof0.28-2.80MeV Proton Irradiationon Ga In P/Ga As/Ge Triple-unction Solar CellsforSpaceUse[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B.2008,266:745-749

[10]高 暉，王和義，張華明，等.低能電子束輻照效應[J].材料科學與工程學報，2011，2(29)：272-276.

[11]胡建民.GaAs太陽電池空間粒子輻照效應及在軌性能退化預測方法[D].哈樂濱：哈爾濱工業大學博士論文，2009.

[12]劉祖明.晶體硅太陽電池及其電子輻照研究[D].四川：四川大學博士論文，2002.