電注入退火對P型直拉PERC單晶硅太陽電池電性能和抗LID效應(yīng)的影響

王麗婷，黃國平，黃惜惜，賈 佳，龔琴赟，李菁楠

(中節(jié)能太陽能科技(鎮(zhèn)江)有限公司，鎮(zhèn)江 212132)

0 引言

隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，鈍化發(fā)射極和背接觸(passivated emitter and rear contact，PERC)+選擇性發(fā)射極(selective emitter，SE)技術(shù)已成為現(xiàn)階段提升晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的主流高效技術(shù)。SE技術(shù)僅需在原有單晶硅太陽電池技術(shù)的基礎(chǔ)上增加背面鈍化和正面激光摻雜工藝，即可進(jìn)行技術(shù)升級，從而可在低成本的情況下提升電池的轉(zhuǎn)換效率；且PERC單晶硅太陽電池現(xiàn)階段的量產(chǎn)效率可達(dá)到22.5%，已逼近n型TOPcon太陽電池的量產(chǎn)效率。

但是p型直拉PERC單晶硅太陽電池存在一定的光致衰減(LID)問題。LID是指在光照條件下，晶體硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。目前，這一現(xiàn)象已成為光伏行業(yè)的難題。直拉單晶硅(Cz-Si)太陽電池在經(jīng)過一定時間的光照后，其轉(zhuǎn)換效率可出現(xiàn)3%～6%的衰減[1]，因此，對于光伏行業(yè)而言，解決LID問題已經(jīng)迫在眉睫。

LID效應(yīng)的機理尚未形成明確模型，目前大家較為普遍接受的是由SCHMIDT等[2-3]提出的B-O對模型，即單一的B和O不會導(dǎo)致電池轉(zhuǎn)換效率的衰減，當(dāng)B和O同時存在時才會產(chǎn)生LID現(xiàn)象。研究人員在關(guān)于LID的研究上取得了較多成果，其中針對解決p型直拉單晶硅太陽電池LID的問題，HERGUTH等[4]通過對太陽電池進(jìn)行載流子注入并進(jìn)行退火處理，實現(xiàn)了B-O對的復(fù)原，解決了太陽電池的LID問題，該研究結(jié)果為光伏行業(yè)解決LID這一難題提供了思路。在此基礎(chǔ)上，WILKING等[5-6]提出了B-O對缺陷的三態(tài)模型，NIEWELT等[7]提出了衰減四態(tài)模型。根據(jù)以上2種模型可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過燒結(jié)后，太陽電池中存在未激活的缺陷，為退火態(tài)；然后當(dāng)電池受到載流子注入(光照或正向偏壓)時，電池內(nèi)部的缺陷被激發(fā)，形成了載流子復(fù)合中心，從而轉(zhuǎn)變?yōu)樗p態(tài)；當(dāng)繼續(xù)增加電池的載流子注入時，電池內(nèi)部的缺陷逐漸被鈍化，從而使電池的缺陷處于低活性狀態(tài)，即為再生態(tài)。在此過程中，通過對電池進(jìn)行載流子的注入，使電池由退火態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗p態(tài)再轉(zhuǎn)變?yōu)樵偕鷳B(tài)。因此，可利用電池的這種特性降低其LID效應(yīng)。

目前，運用載流子注入解決LID效應(yīng)的方式有電注入退火和光注入退火2種[8-9]。由于考慮到光注入退火的成本較高，行業(yè)內(nèi)一般選擇電注入退火方式來降低LID效應(yīng)，且該方式可直接在電池上注入載流子，促使鈍化層中的氫進(jìn)入電池內(nèi)部，從而利用氫鈍化電池內(nèi)部的缺陷，以實現(xiàn)再生態(tài)[10]。彭嘉琪等[11]的研究證實了電注入退火可使PERC多晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率提升0.83%；且電池經(jīng)過5 kWh的LID后，其衰減僅為0.61%。王澤輝等[12]研究了電注入退火對PERC單晶硅太陽電池抗LID效應(yīng)的影響，并確定了最佳的電注入退火溫度。但是在此前的所有研究中，針對如何降低p型直拉PERC單晶硅太陽電池的LID效應(yīng)的研究較少。本文對電注入退火在不同電流、時間和溫度的情況下，對p型直拉PERC單晶硅太陽電池電性能的變化和抗LID效應(yīng)的影響進(jìn)行了研究，從而探究出最佳的電注入工藝條件。

1 實驗準(zhǔn)備

1.1 實驗原材料

本文采用太陽能級p型直拉單晶硅片作為襯底，尺寸為156 mm×156 mm，厚度為170～180μm，電阻率范圍為1～3 Ω·cm。

在標(biāo)準(zhǔn)太陽電池生產(chǎn)線上，經(jīng)過清洗制絨-擴(kuò)散-激光摻雜-刻蝕-正面熱氧化-MAIA背面沉積Al2O3/ SiNx疊層鈍化膜-激光開槽-絲網(wǎng)印刷-電注入退火等工序進(jìn)行加工，制備p型直拉PERC單晶硅太陽電池。

1.2 實驗設(shè)計

實驗采用營口金辰機械股份有限公司的電注入設(shè)備，對p型直拉PERC單晶硅太陽電池進(jìn)行電注入退火處理，電注入設(shè)備設(shè)置的退火溫度、時間和電流3個參數(shù)會共同影響電池的轉(zhuǎn)換效率和抗LID效應(yīng)的效果，因此，本文的電注入退火實驗涉及溫度、時間和電流這3個因素。根據(jù)此前研究人員的實驗結(jié)果[13-15]，當(dāng)電注入退火溫度在160～200 ℃、時間在25～45 min、電流在5.0～7.0 A時，p型直拉PERC單晶硅太陽電池具有較好的抗LID性能。因此，在這些范圍值內(nèi)，本文設(shè)計了電注入退火在不同的電流、時間和溫度時的實驗。

1.3 實驗表征方法

實驗采用德國Halm電學(xué)性能測試儀來表征太陽電池的電性能；采用東莞市湘龍自動化設(shè)備有限公司的XL-PV168GYB2電池預(yù)衰減試驗箱(下文簡稱“光衰箱”)對不同樣品進(jìn)行LID實驗。

1.4 參數(shù)變化計算

設(shè)電注入退火實驗前、后樣品的電性能參數(shù)(包括短路電流Isc、開路電壓Uoc、填充因子FF和轉(zhuǎn)換效率Eta)的變化率為X，其計算公式為：

式中，Xafter為電注入退火后樣品的電性能參數(shù)；Xbefore為電注入退火前樣品的電性能參數(shù)。

設(shè)LID實驗前、后樣品的電性能參數(shù)(包括短路電流Isc、開路電壓Uoc、填充因子FF和轉(zhuǎn)換效率Eta)的變化率為Y，其計算公式為：

式中，Yafter為LID實驗后樣品的電性能參數(shù)；Ybefore為LID實驗前樣品的電性能參數(shù)。

2 實驗設(shè)計與結(jié)果討論

2.1 電注入退火時不同電流對電池電性能的影響

2.1.1 不同電流實驗的設(shè)計

本實驗統(tǒng)一設(shè)定電注入退火時的溫度為180℃、時間為35 min，然后將電流分別設(shè)置為5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 A進(jìn)行對比實驗，每組實驗選擇100片樣品；同時，選擇100片未進(jìn)行電注入退火的電池作為對比組；隨后以對比組為基礎(chǔ)，分析電注入退火時不同電流對電池電性能的影響；最后，采用光衰箱對不同樣品進(jìn)行LID實驗，LID條件選擇5 kWh。

2.1.2 實驗結(jié)果及討論

在電注入退火的溫度為180 ℃、時間為35min的條件下，經(jīng)不同電流處理后的樣品的電性能變化情況如圖1所示。

圖1 電注入退火的電流不同時，樣品的電性能參數(shù)的變化圖Fig. 1 Variation of electrical performance parameters of samples with different currents of electric injection annealing

從圖1中可以看出，當(dāng)電注入退火的電流為6.0 A時，電池的轉(zhuǎn)換效率提升幅度最高，此時的轉(zhuǎn)換效率最佳，相對于電注入退火實驗前的初始值提升了0.8%。從圖中還可以看出，在電性能參數(shù)的各項數(shù)據(jù)中，實驗前、后電池轉(zhuǎn)換效率的變化最大，其次是開路電壓，而短路電流和填充因子的變化不明顯。

這是由于在電注入退火過程中，電流的注入導(dǎo)致電池內(nèi)部的氫處于激發(fā)態(tài)，氫的帶電狀態(tài)發(fā)生改變，使氫易與電池內(nèi)部的缺陷相結(jié)合，降低了電池的復(fù)合中心，提高了電池的開路電壓。當(dāng)電注入退火的電流小于6.0 A時，隨著電注入退火的電流的增加，鈍化層中被激活而改變帶電狀態(tài)的氫不斷增加，電池的開路電壓不斷提升，轉(zhuǎn)換效率也隨之逐漸提升；當(dāng)電注入退火的電流大于6.0 A時，隨著電注入退火的電流的增加，電池內(nèi)部會產(chǎn)生過剩的氫，過剩的氫會與鐵和碳等結(jié)合形成新的復(fù)合中心，導(dǎo)致鈍化效果逐漸減弱，同時電池的接觸電阻逐漸增加，導(dǎo)致電池的開路電壓和填充因子逐漸下降，電池的轉(zhuǎn)換效率也隨之逐漸降低。

電注入退火處理并不能完全消除電池的LID效應(yīng)，這是因為電池中會存在未被鈍化的缺陷，因此，經(jīng)過光照后，電池的電性能仍會有一定程度的衰減。圖2為電注入退火的電流不同時，LID實驗前、后樣品的電性能變化圖。

從圖2中可以看出，當(dāng)電注入退火的電流為6.0 A時，LID實驗后電池的各項電性能參數(shù)降低最少，這說明在該電流時電池的LID效應(yīng)最小，此時電池的轉(zhuǎn)換效率相對于LID實驗前僅降低了0.71%；當(dāng)電注入退火的電流小于6.0 A時，隨著電注入退火的電流的增加，電池的LID效應(yīng)逐漸減弱；當(dāng)電注入退火的電流大于6.0 A時，隨著電注入退火的電流的增加，電池的LID效應(yīng)逐漸增大。

這是由于當(dāng)電注入退火的電流小于6.0 A時，電池內(nèi)部被激發(fā)的氫逐漸增加，因而可逐漸降低電池內(nèi)的缺陷復(fù)合中心，從而逐漸降低了電池的LID效應(yīng)；當(dāng)電注入退火的電流大于6.0 A時，隨著電注入退火的電流的逐漸增大，硅機體內(nèi)會產(chǎn)生過剩的氫，而過剩的氫與硅機體內(nèi)的金屬雜質(zhì)(如鐵)及碳結(jié)合會形成新的缺陷復(fù)合中心，從而導(dǎo)致電池的LID效應(yīng)逐漸增大。

2.2 電注入退火時不同時間對電池電性能的影響

2.2.1 不同時間實驗的設(shè)計

本實驗統(tǒng)一設(shè)定電注入退火的電流為6.0A、溫度為180 ℃，然后將時間分別設(shè)置為25、30、35、40、45 min進(jìn)行對比實驗，每組實驗選擇100片樣品；同時，選擇100片未進(jìn)行電注入退火的電池作為對比組；隨后以對比組為基礎(chǔ)，分析電注入退火時不同時間對電池電性能的影響；最后，采用光衰箱對不同樣品進(jìn)行LID實驗，LID條件選擇5 kWh。

2.2.2 實驗結(jié)果與討論

在電注入退火的溫度為180 ℃、電流為6.0A的實驗條件下，不同時間處理后樣品的電性能變化如圖3所示。

從圖3中可以看出，當(dāng)電注入退火的時間為35 min時，電池的轉(zhuǎn)換效率最佳。不同電注入退火的時間對電池的開路電壓和短路電流的影響較小，且隨著電注入退火的時間的增加，開路電壓變化幅度較小，短路電流逐漸小幅度提升。不同的電注入退火的時間對電池的填充因子和轉(zhuǎn)換效率的影響較大，且隨著電注入退火的時間的增加，轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)先逐漸提升再逐漸下降的趨勢，且在電注入退火的時間為35 min時達(dá)到高峰；而填充因子呈現(xiàn)先逐漸小幅度提升再逐漸大幅度下降的趨勢。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著電注入退火的時間的增加，電池中被激活的氫的量增加，從而減少了缺陷復(fù)合中心，降低了少子復(fù)合，進(jìn)而提升了電池的短路電流和開路電壓。但是，電池內(nèi)氫的擴(kuò)散會影響電池的接觸電阻，當(dāng)電注入退火的時間的增加超過一定量后，氫擴(kuò)散對電池接觸電阻的影響大于氫鈍化產(chǎn)生的增益，因此當(dāng)電注入退火的時間大于35 min時，電池的填充因子下降明顯，從而引起電池轉(zhuǎn)換效率的下降。

電注入退火的時間不同時，LID實驗前、后樣品的電性能變化如圖4所示。

圖4 電注入退火的時間不同時，LID實驗前、后樣品的電性能參數(shù)變化圖Fig. 4 Change of electrical performance parameters of samples before and after LID experiment under different time of electric injection annealing

從圖4中可以看出，當(dāng)電注入退火的時間為35 min時，電池的LID效應(yīng)最小；當(dāng)電注入退火的時間小于35 min時，隨著電注入退火的時間的增加，電池的LID效應(yīng)逐漸減弱；當(dāng)電注入退火的時間大于35 min時，隨著電注入退火的時間的增加，電池的LID效應(yīng)逐漸增大。但是，當(dāng)電注入退火的時間為45 min時，電池的LID仍小于1.6%，這說明電注入退火的時間的增加對電池的LID效應(yīng)影響較小。

這是由于當(dāng)電注入退火的時間小于35 min時，電池內(nèi)部被激發(fā)的氫逐漸增加，因而可逐漸降低電池內(nèi)的缺陷復(fù)合中心，從而逐漸降低了電池的LID效應(yīng)；當(dāng)電注入退火的時間大于35 min時，由于電注入退火的時間的增加會引起電池內(nèi)的其他缺陷增加，且電池的接觸電阻升高，從而導(dǎo)致電池的LID效應(yīng)增加。

2.3 不同電注入退火溫度對電池電性能的影響

2.3.1 不同溫度實驗的設(shè)計

本實驗統(tǒng)一設(shè)定電注入退火的電流為6.0 A、時間為35 min，然后將溫度分別設(shè)置為160、170、180、190、200 ℃進(jìn)行對比實驗，每組實驗選擇100片樣品；同時，選擇100片未進(jìn)行電注入退火的電池作為對比組，隨后以對比組為基礎(chǔ)，分析不同電注入退火溫度對電池電性能的影響；最后，采用光衰箱對不同樣品進(jìn)行LID實驗，LID條件選擇5 kWh。

2.3.2 實驗結(jié)果與討論

在電注入退火的電流為6.0 A、時間為35min的實驗條件下，不同電注入退火溫度處理后樣品的電性能變化如圖5所示。

圖5 電注入退火溫度不同時，樣品的電性能參數(shù)的變化圖Fig. 5 Variation of electrical performance parameters of samples with different electric injection annealing temperatures

從圖5中可以看出，隨著電注入退火溫度的增加，電池的轉(zhuǎn)換效率、開路電壓和短路電流都呈逐漸上升趨勢，且轉(zhuǎn)換效率和開路電壓的變化較為明顯，而短路電流和填充因子的變化則較為緩慢。同時，當(dāng)電注入退火溫度小于180 ℃時，電池的轉(zhuǎn)換效率和開路電壓的提升幅度較大；當(dāng)電注入退火溫度大于180 ℃時，電池的轉(zhuǎn)換效率和開路電壓的提升幅度較小。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)提升電注入退火溫度，有利于電池內(nèi)的氫擴(kuò)散，更容易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而降低缺陷中心復(fù)合，進(jìn)而提升電池的開路電壓和轉(zhuǎn)換效率。

從電池的LID效應(yīng)方面考慮，電注入退火溫度不同時，LID實驗前、后樣品的電性能變化如圖6所示。

圖6 電注入退火溫度不同時，LID實驗前、后樣品的電性能參數(shù)變化圖Fig. 6 Change of electrical performance parameters of samples before and after LID experiment under different electric injection temperatures

從圖6中可以看出，當(dāng)電注入退火溫度為180 ℃時，電池的LID效應(yīng)最小；當(dāng)電注入退火溫度小于180 ℃時，隨著電注入退火溫度的提升，電池的LID效應(yīng)逐漸降低；但是當(dāng)電注入退火溫度大于180 ℃時，電池的LID效應(yīng)逐漸增大，當(dāng)電注入退火溫度提升至200 ℃時，電池LID效應(yīng)相對實驗前初始值將增加至2.22%。

這是因為隨著電注入退火溫度升高，電池內(nèi)的缺陷會產(chǎn)生擴(kuò)散，從而引起缺陷中心增加，當(dāng)電注入退火溫度小于180 ℃時，電注入退火溫度升高引起缺陷中心增加的量小于氫鈍化引起缺陷中心減少的量，因此，在電注入退火溫度為160～180 ℃時，隨著電注入退火溫度的增加，電池LID效應(yīng)逐漸減小。當(dāng)電注入退火溫度大于180 ℃時，由于電注入退火溫度升高引起缺陷中心增加的量大于氫鈍化引起缺陷中心減少的量，從而導(dǎo)致電池的LID效應(yīng)逐漸增加，且由于LID效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)換效率的降低大于因電注入退火溫度升高引起的轉(zhuǎn)換效率的增益。因此，當(dāng)電注入退火溫度為180 ℃時，可獲得更好的電池轉(zhuǎn)換效率和抗LID效應(yīng)。

2.4 電注入退火對電池電性能的影響

通過以上3組實驗，確定了電注入退火的最佳條件為：電流為6.0 A、時間為35 min、溫度為180 ℃。下文對未進(jìn)行電注入退火的p型直拉PERC單晶硅太陽電池和以最佳條件進(jìn)行電注入退火的p型直拉PERC單晶硅太陽電池的各項電性能參數(shù)進(jìn)行對比，然后對經(jīng)過5 kWh LID處理后的2種太陽電池的各項電性能參數(shù)的變化情況進(jìn)行對比。

以最佳條件進(jìn)行電注入退火的p型直拉PERC單晶硅太陽電池與未進(jìn)行電注入退火的p型直拉PERC單晶硅太陽電池相比，各項電性能參數(shù)的變化情況如表1所示。

表1 未進(jìn)行電注入退火和以最佳條件進(jìn)行電注入退火的p型直拉PERC單晶硅太陽電池的各項電性能參數(shù)對比Table 1 Comparison of electrical performance parameters of p-type Cz-Si PERC solar cells before and after electric injection

從表1可以看出，以最佳條件進(jìn)行電注入退火后，p型直拉PERC單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率提升了0.17%。

未進(jìn)行電注入退火時，經(jīng)過5 kWh的LID處理后與未經(jīng)過LID處理時相比，以及以最佳條件進(jìn)行電注入退火后、經(jīng)5 kWh的LID處理后與未進(jìn)行電注入退火、未經(jīng)5 kWh的LID處理時相比，太陽電池的各項電性能參數(shù)變化情況如表2所示。

從表2中可以看出，未進(jìn)行電注入退火的p型直拉PERC單晶硅太陽電池經(jīng)LID處理后與未經(jīng)LID處理的相比，電池轉(zhuǎn)換效率的衰減量為2.55%，而以最佳條件進(jìn)行電注入退火的p型直拉PERC單晶硅太陽電池經(jīng)LID處理后與未進(jìn)行電注入退火且未經(jīng)LID處理的相比，電池轉(zhuǎn)換效率的衰減量僅為0.16%。

表2 p型直拉PERC單晶硅太陽電池電注入退火前、后及LID處理前、后的各項電性能參數(shù)對比Table 2 Comparison of electrical performance parameters of p-type Cz-Si PERC solar cells before and after electric injection annealing and LID

3 結(jié)論

本文研究了電注入退火時不同電流、時間和溫度對p型直拉PERC單晶硅太陽電池各項電性能參數(shù)和抗LID效應(yīng)的影響，在目前電注入設(shè)備條件下，確定了最佳的電注入退火參數(shù)，即電流為6.0 A、溫度為180 ℃、時間為35 min。在此條件下進(jìn)行電注入退火后，與未進(jìn)行電注入退火時相比，p型直拉PERC單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率提升了0.8%，而由于LID效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)換效率的衰減僅為0.71%，其主要是因為電注入退火促進(jìn)了電池由衰減態(tài)向再生態(tài)轉(zhuǎn)變，從而使大部分缺陷得到了鈍化。