1、光伏組件輸出功率光致衰減問(wèn)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(wú)錫尚德太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(wèn)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(chēng)作初始的光致衰減，即光伏組件的輸出功率在剛開(kāi)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，

2、我們可以把它稱(chēng)作組件的老化衰減，即在長(zhǎng)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(yáng)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(hù)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

3、等質(zhì)量問(wèn)題 （三）些組件制造商功率測(cè)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(yáng)電池初始光致衰減機(jī)理,30多年前，H. Fischer and W. Pschunder 等人首次觀察到P型（摻硼）晶體硅太陽(yáng)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(guò)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(yáng)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(guò)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

4、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(yáng)電池初始光致衰減機(jī)理,9,一. P型(摻硼)晶體硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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

5、,二. P型(摻硼)晶體硅片少子壽命及太陽(yáng)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(cè)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(guò)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(guò)清洗、鈍化的裸硅片，無(wú)法確定少子壽命與光照時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就無(wú)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(cè)試光照前和光

6、照后的少子壽命。,二. P型(摻硼)晶體硅片少子壽命及太陽(yáng)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(cè)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(yáng)電池光致衰減試驗(yàn),圖7 單晶硅片少子壽

7、命經(jīng)過(guò)退火后恢復(fù),15,二. P型(摻硼)晶體硅片少子壽命及太陽(yáng)電池光致衰減試驗(yàn),（二）P型（摻硼）單/多晶硅太陽(yáng)電池的初始光致衰減試驗(yàn) 未封裝的單晶硅單體太陽(yáng)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(yáng)電池光致衰減試驗(yàn),未封裝的多晶硅單體太陽(yáng)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(yáng)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(zhǎng)波響應(yīng)

8、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(yáng)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：?jiǎn)尉щ姵仄怀^(guò) 1%，多晶電池片不超過(guò)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(guò)%（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

9、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(yáng)電池，如果太陽(yáng)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(guò)測(cè)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

10、是正常的，也無(wú)熱斑出現(xiàn)，其曲線和紅外圖像與正常組件類(lèi)似。 如果電池的衰減不一致，將導(dǎo)致IV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?chē)姵氐臏囟认嗖钶^大，過(guò)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(guò)程的跟蹤試驗(yàn)，將轉(zhuǎn)換效率為16.%的電池片，經(jīng)弱光光

11、照1.5小時(shí)后(光源為節(jié)能燈11W X 40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(cè)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(yáng)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(méi)有使該電池片衰減到穩(wěn)定的程度，但是通過(guò)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(lèi)電池，如果不經(jīng)過(guò)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

12、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(yáng)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(yáng)電池上，對(duì)于多晶硅太陽(yáng)電池來(lái)講,其轉(zhuǎn)換效率的初始光致衰減幅度就很小。由此可見(jiàn)硅片自身的性質(zhì)決定了太陽(yáng)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(wèn)題，就必須從解決硅片問(wèn)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(guó)內(nèi)，摻硼P型直拉單晶是目前硅棒市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，單晶棒的質(zhì)量確實(shí)令人擔(dān)憂(yōu) ，單晶棒制造商

13、必須認(rèn)真對(duì)待這個(gè)問(wèn)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(guò)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(yáng)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

14、，這種工藝已在國(guó)內(nèi)部分拉棒公司開(kāi)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(yáng)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(yáng)電池硅片的制造。國(guó)內(nèi)有技術(shù)實(shí)力的拉棒公司已開(kāi)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(méi)有發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)電池的初始光致衰減現(xiàn)象，（見(jiàn)圖），因此改摻硼為摻

15、鎵，也是解決太陽(yáng)電池初始光致衰減的辦法之一，國(guó)內(nèi)技術(shù)力量強(qiáng)的企業(yè)已在開(kāi)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(wèn)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(lái)看,N型電池在轉(zhuǎn)換效率和制造成本上還沒(méi)有優(yōu)勢(shì),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

16、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(lèi)，向客戶(hù)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(yáng)電池制造商不可能在來(lái)料抽檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)硅片的全部質(zhì)量問(wèn)題，但可以通過(guò)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(chēng),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(yáng)能級(jí)硅片的質(zhì)量幾乎處于無(wú)人監(jiān)管的狀態(tài)，好壞由客戶(hù)自己評(píng)價(jià)。我們建議國(guó)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(guó)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