電池缺陷(黑絲/燒穿等)對(duì)漏電有怎樣的影響？

:摘要：多晶硅太陽能電池所使用的多晶硅材料往往因鑄造過程中溫度、應(yīng)力等斱面控制不佳，導(dǎo)致晶體缺陷形成。本文通過研究“黑絲”電池片以及點(diǎn)狀燒穿電池片這兩種在電學(xué)性能上表現(xiàn)為嚴(yán)重的反向線性漏電的異常電池片，對(duì)比觀察其異常所處位置的表面及其解理斷面的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這兩種反向漏電現(xiàn)象出現(xiàn)的本質(zhì)原因是由于其所處位置的硅片結(jié)構(gòu)存在位錯(cuò)或其他晶體缺陷。這種由于晶體缺陷導(dǎo)致的反向漏電現(xiàn)象會(huì)使電池在工作過程中局部過熱，給光伏發(fā)電系統(tǒng)帶來巨大隱患。

（來源：微信公眾號(hào)“摩爾光伏”ID：molepv）

引言

在當(dāng)前的太陽能電池制備技術(shù)中，多晶硅材料具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。然而相對(duì)于單晶硅材料，其制備成太陽電池后轉(zhuǎn)換效率較差。國(guó)內(nèi)外研究組均針對(duì)多晶硅材料迚行了多斱面的研究，普遍認(rèn)為造成多晶硅太陽電池效率較低的主要原因并非是多晶硅中存在的大量晶界，純凈的晶界幵不會(huì)對(duì)太陽電池帶來過大的影響[1-2]，而是由于其雜質(zhì)含量較高、存在位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，這些缺陷會(huì)成為載流子的復(fù)合中心，大幅影響太陽電池載流子的收集，迚而導(dǎo)致太陽電池轉(zhuǎn)換效率的下降[3-5]。近年來高效多晶硅材料的流行也佐證了這一看法[6]，高效多晶硅材料利用的就是在多晶硅材料上生成大量的晶界，這些晶界可以有效控制位錯(cuò)的產(chǎn)生和增殖，這種材料所制備的太陽電池轉(zhuǎn)換效率顯著提高。

然而之前對(duì)于位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷的認(rèn)識(shí)主要在于其對(duì)于電池效率的影響，本文通過研究?jī)深悓?shí)際生產(chǎn)所遇到的反向漏電流較大的異常電池片，發(fā)現(xiàn)多晶硅材料中所存在的結(jié)構(gòu)缺陷不僅會(huì)成為載流子的復(fù)合中心，較為嚴(yán)重的位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷的富集還會(huì)導(dǎo)致太陽能電池出現(xiàn)較大的反向漏電流，這些結(jié)構(gòu)缺陷富集區(qū)域在發(fā)電過程中大量放熱會(huì)給太陽能電池帶來致命的影響。此外，少量的結(jié)構(gòu)缺陷也容易在電池制程過程中導(dǎo)致電池柵線處出現(xiàn)嚴(yán)重的點(diǎn)狀漏電現(xiàn)象，造成“燒穿”。

1、實(shí)驗(yàn)方法

本研究所使用的樣品由太倉(cāng)奧特斯維能源有限公司提供，其電學(xué)性能表現(xiàn)為反向漏電較大。通過紅外熱成像（IR測(cè)試）觀察電池片在9V反向負(fù)載電壓條件下的發(fā)熱情況；通過電致發(fā)光測(cè)試儀（EL測(cè)試儀）確定電池片的漏電類型。選取了其中的“黑絲”電池片（位錯(cuò)富集片，其表現(xiàn)為位錯(cuò)在晶體中成絲狀或團(tuán)狀分布，該區(qū)域的少子壽命較低，導(dǎo)致其在EL圖像下呈“黑絲”狀分布，同時(shí)由于該區(qū)域活化能較低易在酸刻蝕過程中留下黑絲狀分布的深坑痕跡）以及出現(xiàn)點(diǎn)狀漏電現(xiàn)象的“燒穿”異常電池片迚行了觀察研究。

通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察漏電區(qū)域以及正常區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析電池片漏電原因。

2、結(jié)果與討論

2.1“黑絲”片漏電原因分析

隨機(jī)選取了10片“黑絲”電池片迚行電學(xué)性能測(cè)試，其結(jié)果如表1所示。相比于正常電池片，“黑絲”片效率明顯下降，同時(shí)其幵聯(lián)電阻偏低，會(huì)出現(xiàn)大于1A的反向漏電流（.12V反向偏壓條件下）。

對(duì)“黑絲”片的電流隨反向負(fù)載電壓變化迚行測(cè)試，其IV特性曲線如圖1所示?？梢钥吹?，這些“黑絲”片樣品的電流隨反向負(fù)載電壓變化呈線性關(guān)系，屬較為嚴(yán)重的線性漏電，表明該類樣品存在發(fā)射極區(qū)或體區(qū)反轉(zhuǎn)、雜質(zhì)或一些缺陷貫穿電池的現(xiàn)象。

電壓下迚行熱成像測(cè)試幵迚一步使用EL測(cè)試迚行分析，其中典型結(jié)果如圖2所示。從熱成像IR結(jié)果可以看到，正常電池片在9V反向電壓條件下，電池片（圖2a）整體溫度分布均勻且在30℃以下。而“黑絲”樣品（圖2c）在其右上角出現(xiàn)明顯發(fā)熱區(qū)域，局部溫度高達(dá)90℃以上，而其他區(qū)域的溫度約在30℃左右。同時(shí)，在“黑絲”電池片的EL測(cè)試結(jié)果（圖2d）中可以看到，在發(fā)熱的對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)大量黑色絲線的富集現(xiàn)象，而正常電池片（圖2b）未見明顯的富集黑絲。這些富集的“黑絲”應(yīng)該就是電池片局部過熱的根本原因，也是導(dǎo)致電池在反向負(fù)載條件出現(xiàn)較大漏電流的原因。迚一步對(duì)硅片的“黑絲”區(qū)域迚行顯微結(jié)構(gòu)分析，如圖3所示。從其表面的微觀形貌圖上可以看到，有大量黑色深坑和黑線富集在電池片上。相關(guān)研究表明[7]，這種深坑和黑絲應(yīng)當(dāng)是大量的晶體位錯(cuò)等缺陷經(jīng)腐蝕后留下的痕跡。從斷面情況上來看，斷面的晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的分層和交界，而通常的脆性解理斷口應(yīng)當(dāng)呈河流狀特征，較完整晶體的斷口應(yīng)是有大片平滑區(qū)域[8]，這種較為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)表明了該區(qū)域有較為明顯的晶體缺陷。因此這種“黑絲”片上富集的“黑絲”實(shí)際上表明了硅晶體在該區(qū)域中存在大量的位錯(cuò)或其他晶體缺陷。

硅晶體中的位錯(cuò)和其他一些缺陷結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致硅晶體的晶體結(jié)構(gòu)不再完整，同時(shí)會(huì)成為有害金屬等雜質(zhì)的附著點(diǎn)，雜質(zhì)很容易在晶體缺陷區(qū)域富集。后續(xù)制備成電池后，尤其是金屬雜質(zhì)為深能級(jí)雜質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致結(jié)的反向擊穿電壓降低，漏導(dǎo)損耗增加，從而產(chǎn)生較大的PN結(jié)漏導(dǎo)電流，甚至直接引起PN結(jié)變窄[9]。此外這種結(jié)構(gòu)會(huì)成為非常嚴(yán)重的載流子復(fù)合中心，在載流子向復(fù)合中心復(fù)合移動(dòng)的過程中產(chǎn)生漏電流。最終由于該結(jié)構(gòu)對(duì)載流子的強(qiáng)烈復(fù)合作用及PN結(jié)的局部失效，致使該區(qū)域的發(fā)電能力極弱。若將太陽能電池簡(jiǎn)化為無數(shù)個(gè)微元電池幵聯(lián)，有晶體缺陷的區(qū)域由于其發(fā)電能力基本可以忽略，在整個(gè)系統(tǒng)中成為負(fù)載，其他微元電池所產(chǎn)生的電流對(duì)其供電導(dǎo)致漏電，同時(shí)在此過程中晶體缺陷區(qū)域電阻較大會(huì)大量的釋放熱量，引起局部過熱。當(dāng)這種“黑絲”片連接迚光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，由于該區(qū)域發(fā)電能力弱會(huì)導(dǎo)致其在系統(tǒng)中處于反偏狀態(tài)，反偏電壓大到一定程度會(huì)引起雪崩擊穿，局部大量放熱導(dǎo)致“熱斑”[10]形成。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的局部高溫會(huì)迚一步導(dǎo)致整個(gè)電池片的失效，最終可能會(huì)造成組件損壞，甚至在組件散熱不佳等情況時(shí)會(huì)帶來火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2“燒穿”片漏電原因分析

“燒穿”現(xiàn)象指的是一種通常發(fā)生在柵線或柵線邊緣區(qū)域的點(diǎn)狀漏電現(xiàn)象，通常表現(xiàn)為在電池片電學(xué)性能測(cè)試過程中檢測(cè)到較為明顯的反向漏電流，在.12V的反向負(fù)載條件下漏電流大于1A。其電學(xué)性能表現(xiàn)與“黑絲”片類似：幵聯(lián)電阻較低，電池效率低于正常電池片。對(duì)其中5片典型“燒穿”電池片的電流隨反向負(fù)載電壓變化趨勢(shì)迚行測(cè)試，其IV特性曲線如圖4所示。可以看到“燒穿”電池片的電流隨反向負(fù)載電壓的增加呈現(xiàn)線性變化，表明“燒穿”現(xiàn)象所導(dǎo)致的漏電是一種較為嚴(yán)重的線性漏電，對(duì)太陽電池危害較大。

細(xì)柵處發(fā)生“燒穿”現(xiàn)象的電池片典型IR及EL測(cè)試結(jié)果如圖5所示。在IR圖像中出現(xiàn)了明顯的點(diǎn)狀發(fā)紅區(qū)域，同時(shí)在對(duì)應(yīng)位置的EI圖像中可以得到位于細(xì)柵上的黑點(diǎn)。發(fā)生于主柵處的“燒穿”現(xiàn)象與此類似。