PERC電池的光致衰減（LID，Light Induced Degradation）問(wèn)題，尤其是熱輔助光衰（LeTID，Light elevated Temperature Induce Degradation）是近年來(lái)晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著PERC電池技術(shù)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，清楚其光衰的原理并解決問(wèn)題變得越來(lái)越緊迫。
國(guó)內(nèi)外對(duì)于PERC電池的光衰機(jī)理以及解決方案一直在不斷的研究中。在2012年最早發(fā)表的關(guān)于PERC電池LeTID研究的論文中認(rèn)為，未知機(jī)理的LeTID光衰主要發(fā)生在多晶PERC電池中，而今年的最新研究結(jié)果表明，單晶Cz硅中也存在LeTID光衰。此外，最新研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)微量的銅元素也會(huì)引起晶體硅電池的光衰現(xiàn)象。在第十三屆CSPV大會(huì)上，中科院電工所王文靜研究員詳細(xì)介紹了2017年國(guó)際上對(duì)于PERC電池光衰研究的最新成果，以期對(duì)國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)在今后的技術(shù)方案選擇上有所裨益。以下內(nèi)容由王文靜的演講整理而來(lái)。
眾所周知P型晶體硅電池普遍有光衰效應(yīng)，但PERC電池相較于BSF電池的光衰更高，尤其是多晶PERC電池，光衰較常規(guī)多晶電池高6~10%左右。造成這一現(xiàn)象主要是由于PERC電池載流子行進(jìn)路程加長(zhǎng)，且兩者吸雜過(guò)程存在區(qū)別，BSF電池為前磷和背鋁吸雜，而PERC電池僅有前磷吸雜。
單晶PERC電池的光衰研究
（1）單晶PERC電池的LID衰減和恢復(fù)
單晶硅的LID衰減已經(jīng)不是個(gè)新鮮的話題了，它主要是由電池片中的B-O（硼氧對(duì)）對(duì)引起的，通過(guò)降低硅片中的氧含量、采用摻Ga代替摻B、光照+退火等方法可以有效抑制光衰。國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)有光照退火的恢復(fù)設(shè)備，且目前幾乎所有單晶PERC電池廠家都已采用光照退火的方法抑制光衰。
圖一 單晶PERC電池的LID衰減和恢復(fù)機(jī)理
（2）單晶PERC電池的LeTID光衰
今年最新研究報(bào)道顯示，單晶PERC電池也存在光照熱衰減效應(yīng)，即LeTID光衰。
德國(guó)企業(yè)Q-CELL（如今被韓國(guó)韓華收購(gòu)）做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將其生產(chǎn)的幾乎無(wú)光衰的Q.ANTUM單晶PERC電池（藍(lán)線）、未經(jīng)處理的普通單晶PERC電池（黑線）和經(jīng)過(guò)光照退火的單晶PERC電池（紅線）分別在25℃、75℃條件下的進(jìn)行光衰測(cè)試。結(jié)果顯示，在25℃時(shí)，經(jīng)過(guò)光照退火后，確實(shí)可以有效降低光衰，然而當(dāng)溫度提升到75℃后，即使經(jīng)過(guò)了光照退火處理，單晶PERC電池的光衰仍然較大，這也證明了單晶PERC電池的確存在LeTID光衰。
圖二 Q-CELL：?jiǎn)尉ERC電池的LeTID現(xiàn)象
這一現(xiàn)象的證實(shí)也給了單晶PERC電池廠家一個(gè)提示，生產(chǎn)單晶PERC電池時(shí)，仍應(yīng)注意考察其LeTID光衰是否存在，即高溫長(zhǎng)時(shí)間光照時(shí)單晶PERC電池是否存在光衰。同時(shí)，Q-CELL和Solar World均宣稱可以制備無(wú)LeTID的單、多晶PERC電池，國(guó)內(nèi)企業(yè)仍需加大研究力度，爭(zhēng)取制備出無(wú)光衰的PERC電池。
多晶PERC電池的光衰研究
（1）多晶PERC電池的LeTID光衰
多晶PERC電池的光衰機(jī)理更為復(fù)雜，目前的研究認(rèn)為，多晶PERC電池的光衰與熱過(guò)程有關(guān)，隨著溫度的升高，多晶PERC電池的光衰加強(qiáng)，即LeTID光衰。
最近德國(guó)Konstanz大學(xué)發(fā)表了一篇報(bào)告，證實(shí)多晶PERC電池的LeTID光衰與B-O對(duì)并不完全相關(guān)。Konstanz大學(xué)做了三個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分別測(cè)試僅摻硼（B）的電池、摻硼并進(jìn)行磷（P）吸雜的電池、摻鎵（Ga）并進(jìn)行磷吸雜的電池在不同溫度下的少子壽命（少子壽命降低說(shuō)明存在光衰現(xiàn)象）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻硼和摻鎵的多晶PERC電池都存在LeTID光衰，只不過(guò)摻鎵電池的LeTID小于摻硼電池；磷吸雜和非磷吸雜的電池都存在LeTID光衰，但是磷吸雜的電池中少子壽命更高。
（a）僅摻硼電池
（b）摻硼并進(jìn)行磷吸雜電池
（c）摻鎵并進(jìn)行磷吸雜電池
圖三 不同電池在不同溫度下少子壽命變化曲線
（2）LeTID減緩或恢復(fù)的方法
在制成電池之前，通過(guò)吸雜可以有效降低電池的光衰，包括磷吸雜、鋁吸雜和磷鋁吸雜三種；此外，降低燒結(jié)溫度，以及減緩燒結(jié)的升降溫過(guò)程，也有利于降低光衰，這是由于在高溫下金屬沉淀溶解導(dǎo)致金屬離子擴(kuò)散，形成較多的復(fù)合中心，快速冷卻會(huì)使得金屬離子“凍結(jié)”在晶格中形成較強(qiáng)的復(fù)合中心，導(dǎo)致光衰較強(qiáng)，而慢速冷卻可以使金屬離子。
而在電池已經(jīng)形成后，LeTID經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期輻照可以恢復(fù)，故可以通過(guò)光照退火處理，強(qiáng)光+高溫處理可以快速恢復(fù)光衰。但是，在光照退火時(shí)，溫度也不能過(guò)高，存在一個(gè)溫度閾值，因?yàn)檫^(guò)高的加速恢復(fù)溫度會(huì)導(dǎo)致二次光衰。燒結(jié)退火和激光退火均可改善電池的光衰，而激光退火可以加快光衰的恢復(fù)，實(shí)驗(yàn)顯示激光退火+燒結(jié)退火可以徹底消除光衰。
光衰的最新研究成果——Cu（銅）光衰
今年德國(guó)Fraunhofer研究所在一篇研究銅摻雜硅片中光衰的報(bào)道中，進(jìn)一步證實(shí)了Cu-LID的存在。Fraunhofer研究所通過(guò)測(cè)試同時(shí)具有Cu雜質(zhì)和B-O對(duì)的P型直拉（Cz）單晶硅電池、僅具有Cu雜質(zhì)而沒(méi)有B-O對(duì)的區(qū)熔（Fz）單晶硅電池的少子壽命，結(jié)果顯示，在Cz硅中銅雜質(zhì)含量越高，光衰越嚴(yán)重，而Fz硅中即使沒(méi)有B-O對(duì)，仍然存在光衰，這是由于銅所造成的光衰。此外，經(jīng)過(guò)200℃暗退火處理，在短暫恢復(fù)后仍會(huì)再次造成退火光衰，進(jìn)一步證明了Cu光衰的存在。
圖四 銅摻雜的Cz硅和Fz硅中少子壽命
圖五 200℃退火后銅摻雜的Cz硅和Fz硅中少子壽命
Fraunhofer研究所在另一篇對(duì)Cu光衰微觀研究的報(bào)道中提到，晶界的∑數(shù)（指晶粒的混亂指數(shù)）越大，量子效率（EQE）變化越大，即光衰越不嚴(yán)重，∑>3（孿晶）的晶界光衰小于晶粒內(nèi)部光衰。
此外，通過(guò)對(duì)PERC電池的正表面和背表面激光探測(cè)發(fā)現(xiàn)，部分晶界在正表面未出現(xiàn)光衰，而在背表面存在光衰，經(jīng)測(cè)試證明發(fā)生光衰的晶界處存在Cu顆粒，而不衰減的晶界處不存在Cu顆粒。這是由于PERC電池正表面存在P吸雜，而背表面缺少了Al-BSF電池的P+（Al背場(chǎng)）吸雜，導(dǎo)致Cu富集，形成復(fù)合中心，從而致使PERC電池的光衰加強(qiáng)。
Bredemeier等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用較低的溫度燒結(jié)（600℃）時(shí)電池光衰較低，而使用較高溫度燒結(jié)（900℃）時(shí)會(huì)造成較強(qiáng)的光衰，低溫二次退火（620℃~660℃）可以減少光衰。此外，Eberle等人發(fā)現(xiàn)快速冷卻會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的光衰，而慢速冷卻導(dǎo)致較弱的光衰。這是由于高溫處理會(huì)使Cu沉淀溶解為Cu原子，Cu原子是可激活雜質(zhì)，導(dǎo)致Cu擴(kuò)散到周圍，光衰加強(qiáng)，而低溫退火和慢速冷卻會(huì)形成較大的Cu沉淀，降低光衰。
圖六 Cu光衰的特性
總結(jié)
PERC電池的光衰主要分為兩類：一類是非金屬光衰，即B-O對(duì)引起的光衰，通過(guò)退火即可消除，光照+退火（氫鈍化）可永久消除，單晶PERC電池的B-O對(duì)光衰要高于多晶PERC電池；另一類是金屬光衰（Cu、Fe及其他過(guò)渡金屬），通過(guò)降低金屬雜質(zhì)、吸雜預(yù)處理、降低熱處理溫度、低溫退火、減緩冷卻速度、強(qiáng)光照+熱處理可以降低光衰，PERC電池由于單面吸雜，其金屬光衰高于BSF電池，而多晶PERC電池由于位錯(cuò)較多，金屬光衰比單晶PERC電池更高一些。
此外，值得思考和探究的是，N型電池真的沒(méi)有光衰嗎？它不存在B-O對(duì)光衰，那么是否存在金屬光衰呢？隨著N型電池技術(shù)逐漸進(jìn)步，其光衰研究也應(yīng)該被重視起來(lái)。
來(lái)源：光伏們
