一文看懂晶硅組件光衰

:1.晶硅組件的光衰

硼(B)摻雜的P型單晶硅(Cz-直拉法)電池的光衰現(xiàn)象早在1973年已發(fā)現(xiàn)，該光衰之后被發(fā)現(xiàn)可一定程度恢復(fù)的。Jan Scht發(fā)現(xiàn)了該光衰主要是“B-O對(duì)”引起的并給出了該缺陷的結(jié)構(gòu)(2003)。Axel Herguth提出了“再生態(tài)”理論解釋初始光衰后功率恢復(fù)并保持穩(wěn)定的原理(2006)。P型多晶硅電池的衰減則因氧含量相對(duì)少而恢復(fù)過程不明顯，該衰減被認(rèn)為不僅與B-O對(duì)相關(guān)，同時(shí)也與金屬雜質(zhì)相關(guān)。

B-O引起的光衰經(jīng)過一段時(shí)間的光照可有一定程度的恢復(fù)，如P型單晶硅組件在最初戶外運(yùn)行的2~3個(gè)月，會(huì)經(jīng)歷較明顯的衰減與部分恢復(fù)過程，商業(yè)化產(chǎn)品首年的衰減可保持在3%以內(nèi)，P型多晶組件的首年衰減則一般按￡2.5%來質(zhì)保，電池均無需經(jīng)過“再生”處理。

2.PERC組件的光衰

P型PERC技術(shù)對(duì)晶硅電池背面做鈍化，電子需要擴(kuò)散更長(zhǎng)的距離經(jīng)過激光開槽處才能傳輸?shù)奖趁娴匿X電極，因此缺陷與雜質(zhì)會(huì)引起更加明顯的光衰。如下圖所示，P型單晶PERC電池的光衰均高于常規(guī)單晶，P型多晶PERC電池的光衰也高于常規(guī)多晶，單晶PERC電池光衰達(dá)到3%后開始恢復(fù)，多晶PERC電池在約40小時(shí)光衰快速達(dá)到約3%后繼續(xù)衰減至5.5%以上，鑄造單晶在400小時(shí)內(nèi)也并未發(fā)生光衰恢復(fù)。

因此PERC電池需要經(jīng)過“再生”處理，如下圖所示，在130攝氏度1.2suns光照1小時(shí)的再生處理并穩(wěn)定后，單晶PERC電池效率可恢復(fù)初始值的99.5%。2014年起單晶PERC技術(shù)開始規(guī)模應(yīng)用的原因就是：1發(fā)現(xiàn)了具有很好鈍化效果的AlOx，2通過產(chǎn)業(yè)化的“再生”處理可以對(duì)單晶PERC電池的光衰有效控制。研究人員也發(fā)現(xiàn)光致衰減實(shí)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(chǎn)出“B-O光衰”基本被消除的PERC電池。值得指出的是：常規(guī)單晶電池如經(jīng)過再生處理后的光衰表現(xiàn)略優(yōu)于單晶PERC電池，很可能是 “B-O光衰”光衰被基本消除后雜質(zhì)引起的光衰所起的作用，所以制造單晶PERC電池有必要注意硅片的雜質(zhì)含量。

UNSW(新南威爾士大學(xué))認(rèn)為(光致)再生過程的機(jī)理在于促使P型硅中存在的H+轉(zhuǎn)化為H0，H0可以鈍化BO+缺陷乃至金屬離子如Fei+、Cri+，商業(yè)化的光致再生設(shè)備因需要高生產(chǎn)速率，因此需要利用到高強(qiáng)度的光照(如激光)以在幾秒鐘內(nèi)完成再生過程。如下報(bào)告列舉了5家提供光致再生(LIR，Lightinduecdregeneration)設(shè)備的企業(yè)，其設(shè)備均有很好的處理效果。

國(guó)內(nèi)的晶寶、時(shí)創(chuàng)、昊建等均開發(fā)了電注入(電致再生)設(shè)備，不同于光注入設(shè)備需要在電池端與在線生產(chǎn)，電注入設(shè)備可以離線布置在電池端或組件端，多個(gè)電池片堆疊通電處理，在制造端也得到了大規(guī)模的應(yīng)用。

另外，摻Ga的P型硅與摻磷的N型硅則可以根本上杜絕了“B-O”衰減，也可以解決單晶PERC技術(shù)的光衰風(fēng)險(xiǎn)。因此單晶PERC技術(shù)規(guī)模應(yīng)用在理論上不存在問題，卻對(duì)硅片品質(zhì)與電池技術(shù)提出了更高的要求，光伏電站投資者需要選擇技術(shù)可靠的供應(yīng)商以避免風(fēng)險(xiǎn)。

3.多晶PERC光衰與LeTID

根據(jù)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，并展示了不同溫度下測(cè)試光衰的差別，75oC下的光衰明顯高于25oC的結(jié)果，而75oC是組件戶外工作時(shí)可能出現(xiàn)的溫度。

因此Q-Cells在15年命名的LeTID(Light andelevated Temperature Induced Degradation，光與升溫導(dǎo)致的衰減)并不是一個(gè)新的概念，不少文獻(xiàn)還是堅(jiān)持使用LIDinmc-silicon(多晶光衰)來描述同一現(xiàn)象。Q-Cells發(fā)現(xiàn)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(shí)后恢復(fù)至約99%，表明了多晶PERC電池再生態(tài)處理理論上的可行性，但由于耗時(shí)非常久，產(chǎn)業(yè)化付出的成本就會(huì)很高。

多晶PERC電池在暗退火處理(如150oC，10小時(shí))時(shí)可發(fā)生類似的衰減行為，研究者認(rèn)為該過程與LeTID有相同的機(jī)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(fā)現(xiàn)P型Cz單晶硅、Fz單晶硅以及N型硅在暗退火后也會(huì)發(fā)生衰減(考慮到暗退火條件并不見于戶外應(yīng)用，沒有必要因此擔(dān)心單晶PERC技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用)。UNSW發(fā)現(xiàn)了LeTID與氫的相關(guān)性；M. A. Jensen認(rèn)為L(zhǎng)eTID是氫與硅片中的一種和幾種缺陷共同作用導(dǎo)致的(evaluating root cause: The distinct roles of hydrogen and firing in activating light andelevated temperature-induced degradation，2018)；Kenta Nakayashiki認(rèn)為根本原因可能是兩個(gè)：1氫和深能級(jí)施主缺陷共同形成的點(diǎn)缺陷；2含Cu復(fù)合缺陷的構(gòu)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(fā)現(xiàn)雜質(zhì)元素Cu和Ni在LeTID過程中起著關(guān)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(shí)驗(yàn)依據(jù)，光衰很可能是多種因素共同作用導(dǎo)致的。對(duì)于產(chǎn)業(yè)化的解決上，多晶PERC生產(chǎn)商需要做的包括嚴(yán)控多晶硅片質(zhì)量(采用高品質(zhì)硅料)，長(zhǎng)時(shí)間‘再生’處理以及嚴(yán)控電池出廠光衰測(cè)試(75oC測(cè)試，提高抽測(cè)頻次)?？紤]到18年下半年多晶硅片處于虧本銷售的情況，差的硅料、回料很可能被用到，質(zhì)量相對(duì)較差的硅片制成的多晶PERC組件在系統(tǒng)中存在較高的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

目前晶硅電池LeTID的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)正在討論中，對(duì)于多晶PERC的光衰管控只有出廠測(cè)試才有意義，僅僅看第三方的送樣測(cè)試結(jié)果的參考價(jià)值不大，一方面多晶硅片來自鑄錠不同位置，硅片內(nèi)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(jié)

A.P型PERC電池的光衰明顯高于常規(guī)BSF電池，因此需要進(jìn)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(duì)制造商技術(shù)水平提出更高要求，投資者需選擇可靠供應(yīng)商。

C.多晶PERC電池的光衰機(jī)理復(fù)雜，也會(huì)發(fā)生“再生”過程但耗時(shí)很久，產(chǎn)業(yè)化需要使用高品質(zhì)硅片并加強(qiáng)電池的出廠光衰管控。