一文看懂單、多晶電池光衰原理
2020-12-05 索比光伏網發表於：2018-11-19 08:58:21 作者：List
來源：北極星太陽能光伏網
硼(B)摻雜的P型單晶矽(Cz-直拉法)電池的光衰現象早在1973年已發現，該光衰之後被發現可一定程度恢復的。Jan Schmidt發現了該光衰主要是「B-O對」引起的並給出了該缺陷的結構(2003)。Axel Herguth提出了「再生態」理論解釋初始光衰後功率恢復並保持穩定的原理(2006)。P型多晶矽電池的衰減則因氧含量相對少而恢復過程不明顯，該衰減被認為不僅與B-O對相關，同時也與金屬雜質相關。
B-O引起的光衰經過一段時間的光照可有一定程度的恢復，如P型單晶矽組件在最初戶外運行的2~3個月，會經歷較明顯的衰減與部分恢復過程，商業化產品首年的衰減可保持在3%以內，P型多晶組件的首年衰減則一般按 2.5%來質保，電池均無需經過「再生」處理。
2.PERC組件的光衰
P型PERC技術對晶矽電池背面做鈍化，電子需要擴散更長的距離經過雷射開槽處才能傳輸到背面的鋁電極，因此缺陷與雜質會引起更加明顯的光衰。如下圖所示，P型單晶PERC電池的光衰均高於常規單晶，P型多晶PERC電池的光衰也高於常規多晶，單晶PERC電池光衰達到3%後開始恢復，多晶PERC電池在約40小時光衰快速達到約3%後繼續衰減至5.5%以上，鑄造單晶在400小時內也並未發生光衰恢復。
因此PERC電池需要經過「再生」處理，如下圖所示，在130攝氏度1.2suns光照1小時的再生處理並穩定後，單晶PERC電池效率可恢復初始值的99.5%。2014年起單晶PERC技術開始規模應用的原因就是：1發現了具有很好鈍化效果的AlOx，2通過產業化的「再生」處理可以對單晶PERC電池的光衰有效控制。研究人員也發現光致衰減實際上是載流子(Carrier)引起的光衰，LID也就可以稱之為CID，高劑量光照或高電流注入均可以加速「再生」過程，生產出「B-O光衰」基本被消除的PERC電池。值得指出的是：常規單晶電池如經過再生處理後的光衰表現略優於單晶PERC電池，很可能是 「B-O光衰」光衰被基本消除後雜質引起的光衰所起的作用，所以製造單晶PERC電池有必要注意矽片的雜質含量。
UNSW(新南威爾斯大學)認為(光致)再生過程的機理在於促使P型矽中存在的H+轉化為H0，H0可以鈍化BO+缺陷乃至金屬離子如Fei+、Cri+，商業化的光致再生設備因需要高生產速率，因此需要利用到高強度的光照(如雷射)以在幾秒鐘內完成再生過程。如下報告列舉了5家提供光致再生(LIR，Light induecd regeneration)設備的企業，其設備均有很好的處理效果。
國內的晶寶、時創、昊建等均開發了電注入(電致再生)設備，不同於光注入設備需要在電池端與在線生產，電注入設備可以離線布置在電池端或組件端，多個電池片堆疊通電處理，在製造端也得到了大規模的應用。
另外，摻Ga的P型矽與摻磷的N型矽則可以根本上杜絕了「B-O」衰減，也可以解決單晶PERC技術的光衰風險。因此單晶PERC技術規模應用在理論上不存在問題，卻對矽片品質與電池技術提出了更高的要求，光伏電站投資者需要選擇技術可靠的供應商以避免風險。
3.多晶PERC光衰與LeTID
根據以下2012年的 研究，低氧與摻Ga均無法解決多晶PERC電池的光衰問題，並展示了不同溫度下測試光衰的差別，75oC下的光衰明顯高於25oC的結果，而75oC是組件戶外工作時可能出現的溫度。
因此Q-Cells在15年命名的LeTID(Light and elevated Temperature Induced Degradation，光與升溫導致的衰減)並不是一個新的概念，不少文獻還是堅持使用LID in mc-silicon(多晶光衰)來描述同一現象。Q-Cells發現多晶PERC電池的開路電壓衰減在95oC高載流子注入的情況下在800小時後恢復至約99%，表明了多晶PERC電池再生態處理理論上的可行性，但由於耗時非常久，產業化付出的成本就會很高。
多晶PERC電池在暗退火處理(如150oC，10小時)時可發生類似的衰減行為，研究者認為該過程與LeTID有相同的機理，因此可以通過研究暗退火過程以確定LeTID的根本原理。UNSW發現P型Cz單晶矽、Fz單晶矽以及N型矽在暗退火後也會發生衰減(考慮到暗退火條件並不見於戶外應用，沒有必要因此擔心單晶PERC技術的產業應用)。UNSW發現了LeTID與氫的相關性;M. A. Jensen認為LeTID是氫與矽片中的一種和幾種缺陷共同作用導致的(evaluating root cause: The distinct roles of hydrogen and firing in activating light and elevated temperature-induced degradation，2018);Kenta Nakayashiki認為根本原因可能是兩個：1氫和深能級施主缺陷共同形成的點缺陷;2含Cu複合缺陷的構型變化(Engineering Solutions and Root-Cause Analysis for Light-Induced Degradation in p-Type Multicrystalline Silicon PERC Modules, 2016);Mallory A. Jensen則發現雜質元素Cu和Ni在LeTID過程中起著關鍵作用 (Solubility and Diffusivity: important Metrics in the Search for the Root Cause of Light and Elevated Temperature-Induced Degradation, 2018)
總之，多晶PERC的LID(或稱LeTID)的根本原因仍沒有定論，考慮到各研究者都有實驗依據，光衰很可能是多種因素共同作用導致的。對於產業化的解決上，多晶PERC生產商需要做的包括嚴控多晶矽片質量(採用高品質矽料)，長時間'再生'處理以及嚴控電池出廠光衰測試(75oC測試，提高抽測頻次)。考慮到18年下半年多晶矽片處於虧本銷售的情況，差的矽料、回料很可能被用到，質量相對較差的矽片製成的多晶PERC組件在系統中存在較高的潛在風險。
目前晶矽電池LeTID的測試標準正在討論中，對於多晶PERC的光衰管控只有出廠測試才有意義，僅僅看第三方的送樣測試結果的參考價值不大，一方面多晶矽片來自鑄錠不同位置，矽片內部缺陷的情況有不同;另一方面單片電池/組件是可以通過特殊處理做到低光衰的。
4.總結
A.P型PERC電池的光衰明顯高於常規BSF電池，因此需要進行「再生」處理;
B.單晶PERC電池的光衰以「B-O」光衰為主，原理上可通過光注入、電注入及摻Ga來解決，但對製造商技術水平提出更高要求，投資者需選擇可靠供應商。
C.多晶PERC電池的光衰機理複雜，也會發生「再生」過程但耗時很久，產業化需要使用高品質矽片並加強電池的出廠光衰管控。
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