光伏組件輸出功率光致衰減問題的討論 張光春陳如龍孫世龍李劍蔣仙溫建軍高瑞施正榮無錫尚德太陽能電力有限公司 2 報(bào)告內(nèi)容提要 引言 一 P型 摻硼 晶體硅太陽電池初始光致衰減機(jī)理 二 P型 摻硼 晶體硅片少子壽命及太陽電池光致衰減試驗(yàn) 三 光伏組件的初始光致衰減試驗(yàn) 四 光伏組件輸出功率初始衰減問題的解決方案 3 引言 光伏組件輸出功率的衰減可分為兩個(gè)階段 第一個(gè)階段 我們可以把它稱作初始的光致衰減 即光伏組件的輸出功率在剛開始使用的最初幾天內(nèi)發(fā)生較大幅度的下降 但隨后趨于穩(wěn)定 導(dǎo)致這一現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是P型 摻硼 晶體硅片中的硼氧復(fù)合體降低了少子壽命 第二個(gè)階段 我們可以把它稱作組件的老化衰減 即在長期使用中出現(xiàn)的極緩慢的功率下降 產(chǎn)生的主要原因與電池緩慢衰減有關(guān) 也與封裝材料的性能退化有關(guān) 4 引言 為什么光致衰減現(xiàn)象又被關(guān)注 P型 摻硼 的太陽電池的光致衰減現(xiàn)象是在七十年代發(fā)現(xiàn)的 為什么近期光伏產(chǎn)業(yè)界和研究機(jī)構(gòu)又對(duì)此產(chǎn)生了較大的關(guān)注呢 其主要原因是由于光致衰減導(dǎo)致的一些光伏組件的功率下降幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了客戶所能接受的范圍 這就使組件制造商面臨著潛在的賠償風(fēng)險(xiǎn) 5 引言 導(dǎo)致光伏組件功率出現(xiàn)早期下降的主要原因有 一 硅片質(zhì)量差 導(dǎo)致電池出現(xiàn)較大幅度的初始光致衰減 二 組件制造工藝不合理 出現(xiàn)諸如電池片隱裂 EVA交聯(lián)度不好 脫層 焊接不良等質(zhì)量問題 三 些組件制造商功率測試不準(zhǔn)確或有意在輸出功率上虛報(bào) 6 一 P型 摻硼 晶體硅太陽電池初始光致衰減機(jī)理 30多年前 H FischerandW Pschunder等人首次觀察到P型 摻硼 晶體硅太陽電池的初始光致衰減現(xiàn)象 7 大家基本一致的看法是 光照或電流注入導(dǎo)致硅片中的硼和氧形成硼氧復(fù)合體 從而使少子壽命降低 引起電池轉(zhuǎn)換效率下降 但經(jīng)過退火處理 少子壽命又可被恢復(fù) 其可能的反應(yīng)為 一 P型 摻硼 晶體硅太陽電池初始光致衰減機(jī)理 8 據(jù)文獻(xiàn)中報(bào)道 一 含有硼和氧的硅片經(jīng)過光照后出現(xiàn)不同程度的衰減 如圖2 圖3 圖4所示 硅片中的硼 氧含量越大 在光照或電流注入條件下產(chǎn)生的硼氧復(fù)合體越多 少子壽命降低的幅度就越大 二 在低氧 摻鎵 摻磷的硅片中少子壽命隨光照時(shí)間的衰減幅度極小 一 P型 摻硼 晶體硅太陽電池初始光致衰減機(jī)理 9 一 P型 摻硼 晶體硅太陽電池初始光致衰減機(jī)理 圖2低氧摻硼 有氧摻磷 有氧摻硼的Fz硅片和有氧摻硼Cz硅片少子壽命衰減隨光照時(shí)間的關(guān)系 2 10 一 P型 摻硼 晶體硅太陽電池初始光致衰減機(jī)理 圖3摻硼 摻鎵 摻磷的Cz硅片和硼摻雜的MCZ硅光照前后少數(shù)載流子壽命的變化 3 11 一 P型 摻硼 晶體硅太陽電池初始光致衰減機(jī)理 圖4不同硼摻雜濃度硅片的少子壽命隨時(shí)間的變化關(guān)系 4 12 二 P型 摻硼 晶體硅片少子壽命及太陽電池光致衰減試驗(yàn) 一 P型 摻硼 單 多晶硅片少子壽命的光致衰減試驗(yàn) 原始硅片的光致衰減試驗(yàn)硅片不做任何處理 測試光照前和光照后的少子壽命 圖5未經(jīng)清洗 鈍化的單 多晶裸硅片少子壽命隨時(shí)間的變化關(guān)系 試驗(yàn)結(jié)論 從圖5可以看出 單 多晶裸硅片若不經(jīng)過清洗鈍化 其少子壽命幾乎隨著光照時(shí)間變化不大 這是因?yàn)楣杵砻鎻?fù)合中心占主導(dǎo)地位 掩蓋了光照對(duì)體少子壽命的影響 因此對(duì)不經(jīng)過清洗 鈍化的裸硅片 無法確定少子壽命與光照時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 也就無法判斷硅片的質(zhì)量 13 表面鈍化硅片的光致衰減試驗(yàn)去除硅片損傷層 硅片清潔 硅片表面鈍化 碘酒 測試光照前和光照后的少子壽命 二 P型 摻硼 晶體硅片少子壽命及太陽電池光致衰減試驗(yàn) 圖6清洗 鈍化后單 多晶硅片少子壽命和光照時(shí)間的關(guān)系 試驗(yàn)結(jié)論 鈍化后硅片的表面復(fù)合已不占主要地位 而以體內(nèi)復(fù)合為主 且硅片的體少子壽命隨光照而衰減 不同質(zhì)量的材料在光照之后其少子壽命衰減幅度有較大差別 由此基本可以預(yù)測出用此硅片制作的電池的初始光致衰減的程度以及可達(dá)到的最高電池轉(zhuǎn)換效率 14 表面鈍化硅片的光致衰減及退火恢復(fù)試驗(yàn)將這些光照衰減后的硅片進(jìn)行退火處理 硅片的壽命得到很大程度的恢復(fù) 這和文獻(xiàn)中的報(bào)道是一致的 如圖7所示 二 P型 摻硼 晶體硅片少子壽命及太陽電池光致衰減試驗(yàn) 圖7單晶硅片少子壽命經(jīng)過退火后恢復(fù) 15 二 P型 摻硼 晶體硅片少子壽命及太陽電池光致衰減試驗(yàn) 二 P型 摻硼 單 多晶硅太陽電池的初始光致衰減試驗(yàn) 未封裝的單晶硅單體太陽電池的初始光致衰減試驗(yàn) 圖8單晶電池 相對(duì)衰減5 7 I V曲線 圖10單晶 相對(duì)衰減0 8 電池I V曲線 16 二 P型 摻硼 晶體硅片少子壽命及太陽電池光致衰減試驗(yàn) 未封裝的多晶硅單體太陽電池的初始光致衰減試驗(yàn) 圖9多晶電池 相對(duì)衰減3 64 的I V曲線 圖11多晶 相對(duì)衰減0 2 的電池I V曲線 17 二 P型 摻硼 晶體硅片少子壽命及太陽電池光致衰減試驗(yàn) 光照前后電池片的量子效率對(duì)比光照后 長波響應(yīng)變差 這表明光照后電池片體內(nèi)的少子壽命已發(fā)生了衰減 18 二 P型 摻硼 晶體硅片少子壽命及太陽電池光致衰減試驗(yàn) 電池片光照后的退火處理選取不同衰減程度的電池片進(jìn)行退火處理 效率也得到很大程度的恢復(fù) 這和文獻(xiàn)中的報(bào)道一致 當(dāng)前硅片質(zhì)量的狀況 主流電池片的相對(duì)衰減 單晶電池片不超過1 多晶電池片不超過0 5 某些質(zhì)量很差的硅片做成電池后 其相對(duì)衰減接近 單晶 和4 多晶 這些衰減大的電池片是需要我們關(guān)注的 3 個(gè)別質(zhì)量特別差的硅片做成電池后 其相對(duì)衰減超過 單晶 對(duì)這種特別差的材料進(jìn)行理化分析 發(fā)現(xiàn)其中的硼 磷等雜質(zhì)含量都是嚴(yán)重超標(biāo) 20 三 光伏組件的初始光致衰減試驗(yàn) 光伏組件的核心組成部分就是太陽電池 如果太陽電池的性能發(fā)生率減 就必然導(dǎo)致光伏組件的輸出功率下降 并極易在組件中引起熱斑 若電池串與串之間電流不一致 在接了旁路二極管的組件特性曲線上可看到 臺(tái)階曲線 通過測量光照前后組件的輸出特性曲線和紅外成像分析 可以考察組件的初始光致率減現(xiàn)象 21 三 光伏組件的初始光致衰減試驗(yàn) 一 正常組件的輸出特性曲線及紅外成像 圖13正常組件的IV特性曲線 圖14正常組件的紅外成像 溫度相差僅1 4 22 三 光伏組件的初始光致衰減試驗(yàn) 二 組件光照后 輸出特性曲線及紅外成像如果電池的衰減基本一致 盡管輸出功率下降 但I(xiàn) V曲線還是正常的 也無熱斑出現(xiàn) 其曲線和紅外圖像與正常組件類似 如果電池的衰減不一致 將導(dǎo)致I V曲線出現(xiàn)臺(tái)階 如圖15所示 圖15小臺(tái)階大臺(tái)階 23 三 光伏組件的初始光致衰減試驗(yàn) c 有熱斑組件的紅外成像對(duì)于出現(xiàn)臺(tái)階曲線的組件用紅外成像檢查 可發(fā)現(xiàn)有些組件出現(xiàn)熱斑 如圖16所示 這種熱斑的溫度與周圍電池的溫度相差較大 過熱的區(qū)域可引起EVA加快老化變黃 使該區(qū)域透光率下降 從而使熱斑進(jìn)一步惡化 導(dǎo)致組件的早期失效 圖16異常組件的紅外成像 出現(xiàn)熱斑 溫度相差11 3 24 案例分析 我們對(duì)某硅片供應(yīng)商提供的一批質(zhì)量極差的硅片進(jìn)行了全過程的跟蹤試驗(yàn) 將轉(zhuǎn)換效率為16 的電池片 經(jīng)弱光光照1 5小時(shí)后 光源為節(jié)能燈11WX40只 發(fā)現(xiàn)電池片轉(zhuǎn)換效率大幅衰減 且離散性也很大 效率最高的為15 4 最低的僅為13 如圖17所示 圖17質(zhì)量極差的硅片做成的電池片 弱光光照后效率分布圖 25 案例分析 將光照后的電池重新檢測分檔 按轉(zhuǎn)換效率的分布情況做成14塊組件 組件經(jīng)太陽光光照后的功率又進(jìn)一步下降 如圖18所示 結(jié)論 光照強(qiáng)度影響組件功率的衰減幅度 盡管普通的節(jié)能燈沒有使該電池片衰減到穩(wěn)定的程度 但是通過光照后二次分選剔出了效率衰減大的電池片 使每個(gè)組件內(nèi)電池片性能基本一致 對(duì)這類電池 如果不經(jīng)過光照和二次分選而直接做成組件 那些衰減較為嚴(yán)重的電池片 會(huì)分散在各個(gè)組件內(nèi) 導(dǎo)致組件的整體功率下降更多 并將引起組件曲線異常和熱斑 這批電池轉(zhuǎn)換效率衰減幅度在10 到24 之間 26 四 光伏組件輸出功率初始衰減的解決方案 太陽電池性能的初始光致衰減現(xiàn)象主要發(fā)生在單晶硅太陽電池上 對(duì)于多晶硅太陽電池來講 其轉(zhuǎn)換效率的初始光致衰減幅度就很小 由此可見硅片自身的性質(zhì)決定了太陽電池性能的初始光致衰減程度 因此要解決光伏組件的初始光致衰減問題 就必須從解決硅片問題入手 下面就幾個(gè)方案進(jìn)行討論 27 四 光伏組件輸出功率初始衰減的解決方案 一 改進(jìn)摻硼P型直拉單晶硅棒的質(zhì)量在國內(nèi) 摻硼P型直拉單晶是目前硅棒市場的主流產(chǎn)品 單晶棒的質(zhì)量確實(shí)令人擔(dān)憂 單晶棒制造商必須認(rèn)真對(duì)待這個(gè)問題 其實(shí)直拉單晶工藝是很成熟的 只要我們把好用料質(zhì)量關(guān) 按正規(guī)拉棒工藝生產(chǎn) 硅棒的質(zhì)量是可以得到較好控制的 建議如下 避免使用低質(zhì)量的多晶硅料 嚴(yán)格控制摻入過多低電阻率N型硅料 如IC的廢N型硅片等 避免生產(chǎn)高補(bǔ)償?shù)腜型單晶棒 這種硅棒 盡管電阻率合適 但硼 氧濃度非常高 將導(dǎo)致太陽電池性能出現(xiàn)較大幅度的初始光致衰減 提高拉棒工藝 減少晶體硅中氧含量 降低內(nèi)應(yīng)力 降低缺陷密度 改進(jìn)電阻率的均勻性 28 四 光伏組件輸出功率初始衰減的解決方案 二 利用磁控直拉硅單晶工藝 MCZ 改進(jìn)單晶硅棒產(chǎn)品質(zhì)量此工藝不僅能控制單晶硅中的氧濃度 也使硅單晶縱向 徑向電阻率均勻性得到改善 這種工藝已在國內(nèi)部分拉棒公司開始試用 29 四 光伏組件輸出功率初始衰減的解決方案 三 利用區(qū)熔單晶硅工藝 FZ 改進(jìn)單晶硅棒產(chǎn)品質(zhì)量區(qū)熔單晶硅工藝避免了直拉工藝中大量氧進(jìn)入硅晶體的固有缺陷 從而徹底解決了P型 摻硼 太陽電池的初始光致衰減現(xiàn)象 因FZ工藝成本較高 主要用于IC和其它半導(dǎo)體器件的硅片制造 但目前已有公司對(duì)FZ工藝進(jìn)行相關(guān)改造 降低了成本 可適合于太陽電池硅片的制造 國內(nèi)有技術(shù)實(shí)力的拉棒公司已開展了這方面的試制工作 30 四 光伏組件輸出功率初始衰減的解決方案 四 改變摻雜劑 用鎵代替硼用摻鎵的硅片制作的電池 沒有發(fā)現(xiàn)太陽電池的初始光致衰減現(xiàn)象 見圖 因此改摻硼為摻鎵 也是解決太陽電池初始光致衰減的辦法之一 國內(nèi)技術(shù)力量強(qiáng)的企業(yè)已在開始做這方面的工作 31 四 光伏組件輸出功率初始衰減的解決方案 五 使用摻磷的N型硅片代替摻硼的P型硅片使用N型硅片也是解決電池初試光致衰減問題的方法之一 但從目前產(chǎn)業(yè)化的絲網(wǎng)印刷P型電池工藝來看 N型電池在轉(zhuǎn)換效率和制造成本上還沒有優(yōu)勢 一些關(guān)鍵工藝還有待解決 32 四 光伏組件輸出功率初始衰減的解決方案 六 提高硅片的加工水平 改進(jìn)硅片性能的一致性 硅片質(zhì)量的改進(jìn)主要是提高少子壽命 上面討論的方案就是主要涉及少子壽命的改進(jìn) 除此之外 還有一些因素影響硅片的質(zhì)量 如電阻率的均勻性 TV TTV 幾何尺寸 內(nèi)應(yīng)力 表面清潔度 鋸痕等 建議硅片制造公司使用硅片分選機(jī) 將不同的硅片分類 向客戶提供性能質(zhì)量一致的產(chǎn)品 33 四 光伏組件輸出功率初始衰減的解決方案 七 從電池效率分布看硅片性能的一致性 太陽電池制造商不可能在來料抽檢過程中發(fā)現(xiàn)硅片的全部質(zhì)量問題 但可以通過對(duì)每批電池效率的統(tǒng)計(jì)分析考察每批硅片質(zhì)量的一致性程度 圖19電池效率分布 分布不對(duì)稱 低檔電池比例大圖20電池效率分布 出現(xiàn)兩個(gè)峰值 34 四 光伏組件輸出功率初始衰減的解決方案 八 加強(qiáng)硅片質(zhì)量的監(jiān)督在目前 太陽能級(jí)硅片的質(zhì)量幾乎處于無人監(jiān)管的狀態(tài) 好壞由客戶自己評(píng)價(jià) 我們建議國家盡快制定出相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) 建立質(zhì)量監(jiān)督機(jī)制 使我國的硅片加工產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展 35 四 光伏組件輸出功率初始衰減的解決方案 九 對(duì)電池片進(jìn)行先前光照衰減由于光伏組件的初始光致衰減是由電池的初始光致衰減導(dǎo)致的 對(duì)電池片進(jìn)行先前的光照 使電池的初始光致衰減發(fā)生在組件制造之前 光伏組件的