在工业化B-Doped的电注入再生研究硅PERC太阳能电池

文摘

在这篇文章中, 金刚石Czochralski硅(Cz-Si)晶片制成PERC太阳能电池通过使用工业标准流程;然后,好PERC太阳能电池被使用电子注入和加热再生过程和不同的再生过程的影响(温度、时间和注入电流)在anti-light-induced退化(anti-LID) PERC太阳能电池的性能。结果表明,10的情况下注入电流和30分钟处理时间,最优加工温度约为180°C PERC太阳能电池获得最佳anti-LID性能。条件下的温度为180°C, 10的注入电流,和处理时间0 30分钟,anti-LID PERC太阳能电池的性能与处理时间的增加增强。当处理时间是20和30分钟,效率、短路电流和开路电压的加工PERC太阳能电池略高于再生前的初始值,并在随后的12小时的光降解过程中保持稳定在45°C和1-sun照明。180°C的温度和处理时间30分钟,6的注入电流足以获得再生效果好,但最优注入电流约为10。

1。介绍

依靠低成本的竞争优势,效率高、寿命长、成熟的工艺技术,等等,金刚石p型晶体硅太阳能电池已经在全球光伏市场牢牢占据了主导地位,但存在光致退化的问题(盖子),这种太阳能电池和这个问题已严重阻碍了他们的发展了很长一段时间。因此,盖子上的调查及其缓解金刚石p型晶体硅太阳能电池一直重视所有的时间1,2]。近年来,随着阿尔的成熟₂O₃钝化法和激光烧蚀技术,越来越多的光伏制造商正逐渐从生产升级传统铝背表面场(Al-BSF)太阳能电池全氯乙烯(钝化发射极和后细胞)太阳能电池的效率超过20% (3,4]。作为与Al-BSF太阳能电池相比,PERC太阳能电池更强烈的盖子和快5]。因此,研究盖及其缓解PERC太阳能电池引起了极大的兴趣和高度重视光伏社区。

人们普遍认为盖子是由boron-oxygen——(这)的形成与重组活动相关的缺陷在金刚石p型晶体硅晶片当照明(1]。2006年,Herguth等人发现,当金刚石Cz-Si晶片被注入与运营商(照明或电动注射),而加热(60 - 200°C),这缺陷进行再生反应;也就是说,这缺陷将从退化状态没有重组与再生重组活动活动,和少数载流子寿命的损失造成的盖子可以完全恢复。更重要的是,再生的状态。这缺陷的工作条件下是稳定的太阳能电池(6,7]。

应该注意的是,先前研究。这defect-induced退化(BO-LID)及其缓解几乎是进行生命周期(即样本。,Cz-Si晶片锯损害被免职,表面钝化)。然而,金刚石Cz-Si太阳能电池是非常不同于金刚石Cz-Si一生的样品;因此,有必要直接调查金刚石的盖子和缓解Cz-Si太阳能电池,尤其是新兴金刚石Cz-Si PERC太阳能电池。然而,有一个缺乏这样一个主题报告文学。正如Basnyat等人从国家可再生能源实验室(NREL)在他们的论文中所描述的美国在2015年,“虽然大量的信息可以在硅这效果,在太阳能电池盖子还没有完全理解。盖子对晶体硅太阳能电池的影响研究是一个小数量的研究小组,利用相对较小的样本集。甚至在文学报告的结果展示出巨大的多样性”8]。尽管Herguth团队康斯坦茨大学和控制团队的弗劳恩霍夫研究所太阳能系统(是)首次报道了他们的研究成果在盖子和再生的PERC太阳能电池在2015年(9- - - - - -12),他们的研究是基于PERC在实验室太阳能电池准备;因此,他们的研究结果不能代表那些工业化PERC太阳能电池。具体来说,Herguth的团队研究了PERC太阳能电池的背面被SiO钝化_x/罪_x:H,导致开路电压( )全氯乙烯的太阳能电池甚至略低于Al-BSF太阳能电池(9,10]。控制的研究小组研究了PERC太阳能电池使用利物浦(laser-fired接触)技术建立当地的电气接触晶片在后侧(11,12]。事实上,工业化PERC太阳能电池使用₂O₃层或薄的氧化铝_x/厚罪_x:H保护层使钝化表面和背面使用激光消融技术打开电接触窗户背面钝化层。最后,当地重新联系上形成后,屏幕打印粘贴和烧结。

针对缺乏研究的盖子和再生工业金刚石Cz-Si PERC太阳能电池,本文旨在解决这一不足。再生治疗,有两种方法可以将航空公司注入一个太阳能电池,即。,光注入和电注入。自电注入光注入一些独特的优势,如低设备成本、节能、高注入水平,也没有光损伤,电注入和加热使用摘要再生工业化金刚石Cz-Si PERC太阳能电池的影响不同的再生工艺条件(温度、时间和注入电流)在anti-light-induced退化(anti-LID) PERC太阳能电池的性能是首次系统地调查和实验结果是合理解释为使用新的哈勒姆等人2016年提出的三态模型(13]。研究结果可以作为重要的参考,甚至直接应用行业进一步减少甚至完全消除的盖子影响工业化PERC太阳能电池,这是非常重要的考虑到整个光伏产业从生产常规Al-BSF太阳能电池转换效率PERC太阳能电池,和PERC太阳能电池正逐渐成为光伏市场的主流产品。

2。实验

2.1。样品制备

金刚石Cz-Si晶圆与圆的角和电阻率约1Ω·厘米制成PERC太阳能电池通过使用工业标准的过程。具体过程包括以下:删除看到使用KOH溶液损伤层和纹理,POCl₃扩散在850°C形成发射器约为85Ω/□,删除重新使用高频/ HNO PN结₃在750°C,形成解决方案,热氧化5纳米氧化层,沉积20纳米氧化铝_x/ 140 nm的罪_x钝化层的硅片背面PECVD在400°C, "沉淀约80海里的罪_x增透膜前表面的硅片PECVD在450°C, "激光开槽背面钝化层形成电接触窗户,丝网印刷电极前后,烧结温度高达800°C。的初始效率和PERC太阳能电池在20.5%至20.9%的范围。

2.2。实验方法

首先, - - - - - - 的特点和PERC太阳能电池测量。随后,PERC太阳能电池是使用不同的电子注入和再生加热条件对自主研发的设备,包括wxd - 2620可以调节加热阶段的温度从室温到400°C,一个JP8020D恒流源的输出电流范围0-20,和自组装探针保持者联系前电极的太阳能电池和铜盘接触电极的太阳能电池。温度显示在加热阶段控制器不能准确反映真实温度的太阳能电池,它是由一个接触铂RTD(电阻温度探测器)和非接触红外测温仪。然后, - - - - - - 特性测量。之后,再生太阳能电池被光降解浸泡12 h和1000 W / m的光强度²在45°C YQ-GF-SC4太阳能电池盖子的盒子。在12 h盖过程中,PERC太阳能电池被 - - - - - - 测量每10分钟之后在第一个小时和每1小时。所有的 - - - - - - 特征参数测量太阳能电池的vs - 6821 m的太阳能电池 - - - - - - 测试人员在标准测试条件下(AM1.5光谱,1000 W / m²25°C)。根据制造商的要求诊断和新加坡公司)的vs - 6821 m的太阳能电池 - - - - - - 测试人员,短路电流的测量结果的不确定性 ,开路电压 ,填充因数 ,和效率在4.99%的置信水平为95.4%,0.51%,0.48%,和5.00%,分别。为了比较全氯乙烯的再生和anti-LID影响太阳能电池再生通过使用不同的条件下,本文中的所有图表使用相对值( )的 - - - - - - 特征参数( , , ,和 )垂直轴。

3所示。结果与讨论

3.1。加热温度对再生效果的影响

图1显示了时间依赖的效率与初始PERC再生前后的太阳能电池的效率和在随后的12 h盖过程,再生的使用10注入电流在不同的温度下(160,180,200,220,240,和260°C) 30分钟。如图1处理温度为260°C时,全氯乙烯的太阳能电池再生后略有降低。相比之下,全氯乙烯的太阳能电池再生后显著增加在其他加工温度。12 h盖子后,PERC太阳能电池的效率再生温度较低(160和180°C)高于再生前的初始值,而全氯乙烯的效率太阳能电池再生温度升高时(200、220、240、260°C)低于初始值。此外,衰变的速度处理温度的增加而增加,但再生PERC太阳能电池的效率都高于参考样本(治疗)。

图2显示了一个直方图描述的相对变化PERC太阳能电池的处理温度再生前后10 30分钟的注入电流,以及随后的12 h前后盖。如图2,当处理温度是160至240°C,再生PERC太阳能电池的效率都高于初始值的增量随着温度增加而减小。当温度升高到260°C时,增加的变得消极。12 h盖子后,衰减率全氯乙烯的太阳能电池在180°C值相对于再生盖子是最低的,这实际上对应于一个增量的0.15%。此外,衰变速率增加而增加处理温度。因此,最佳的anti-LID性能不能通过使用处理温度过高或过低。根据我们的实验结果,最佳的加工温度大约是180°C获得最佳的anti-LID性能。

上面的结果可以解释的新的三态模型。这哈勒姆等人2016年提出的缺陷(13]。根据新的三态模型(13),有三种配置这缺陷金刚石Cz-Si晶片的退火状态(A)没有重组活动,退化状态(B)与重组活动,和钝化状态(C)没有重组活动。他们可以互相转变成反应由以下公式:

可以看出,存在四种反应之间的三个配置;它们的降解反应退火状态(A)退化状态(B)(反应速率表示为 ),退火反应从退化状态(B)退火状态(A)(反应速率表示为 ),钝化反应的退化状态(B)钝化状态(C)(反应速率表示为 ),和不稳定的反应钝化状态(C)退化状态(B)(反应速率表示为 )。所有的四个反应速率随着温度上升,增加的有最低增长率和有一个最大增长速率,而这两个和有温和的增加率但吗好几个数量级比吗 。与温度有关的曲线的和相交于大约180°C,而与温度有关的曲线和相交在320°C。的温度范围120 - 320°C,再生反应速率是最大的在四个反应速率(见文献[13]详情)。

在180 - 320°C的温度范围内, 和之间的区别和随着温度的增加而减小;因此,当再生在这个温度范围内,很大一部分的退化状态与重组活动转变成钝化状态;与此同时,一小部分退化状态的转变成退火状态和退火状态的钝化状态的比例会随着温度的升高而增加。因为钝化状态只能从退化状态而不是从退火,退火状态一旦形成在再生过程中,这些退火状态会转变成太阳能电池工作条件下的退化状态,导致太阳能电池的盖子。我们评价标准的再生效果的比例稳定效率12 h盖子后的初始效率PERC太阳能电池再生之前应该最大化。也就是说,只有再生条件下获得最高的钝化状态的内容可以被看作是最好的。因此,为了让尽可能多的缺陷。这转变成钝化状态,120 - 180°C的温度区间对应的条件 应该选择在执行再生治疗。的温度范围120 - 180°C之间的区别和温度增加而增加,这意味着更高的温度可以加速钝化反应。因此,再生时间有限的情况下,再生约为180°C可以达到最好的再生效果。

数据3(一个)- - - - - -3 (c)显示的时间依赖性 , ,和全氯乙烯的太阳能电池与初始值之前和之后的再生,在随后的12 h盖子,再生的使用10注入电流在不同的温度下(160、180、200、220、240和260°C) 30分钟,分别。如数据所示3(一个)和3 (b),和基本上有相同的变化趋势 。除了260°C和全氯乙烯的太阳能电池再生在其他温度都高于初始值。12 h盖子后,相对应的加工温度价值高于初始值是160°C和180°C,而相对应的加工温度价值高于初始值是160,180和200°C。这个结果表明更大的衰减结果PERC太阳能电池再生的200°C低于它的初始值。此外,当处理温度高于180°C的衰减率和相对于初始值随着温度增加。从图可以看出3 (c)12 h后盖子,衰变速率的再生的PERC太阳能电池显示越来越倾向的增加处理温度。具体来说,衰变速率PERC太阳能电池再生温度较低(160°C, 180°C, 200°C)低于参考样本,而的衰减率PERC太阳能电池再生温度升高时(220°C, 240°C, 260°C)高于参考样品。这一结果表明,过高温度不能改善PERC太阳能电池的再生效果但anti-LID性能降低。

3.2。处理时间对再生效果的影响

图4显示了时间依赖的效率与初始值的PERC太阳能电池再生之前和之后,在随后12 h盖子,再生的使用10注入电流在180°C不同时间(0、2、5、10、20和30分钟)。如图4,当再生时间小于或等于10分钟,再生的PERC太阳能电池的衰减率明显降低减少与增加处理时间。具体来说,衰变速率对应的处理时间,2、5、10分钟是4.87%,4.07%,和2.77%,分别。相比之下,20到30分钟的PERC太阳能电池再生和效率的参考样品没有明显的衰减。此外,PERC太阳能电池再生的20到30分钟略有增加。这些结果表明,PERC太阳能电池可能腐烂时,再生时间短,而PERC太阳能电池可能恢复,甚至超过初始值时,再生时间更长。

12 h盖子后,参照样本显示显著的退化,衰变速率的相对于之前的价值盖子高达7.54%。然而,的衰减率再生的PERC降低太阳能电池明显增加处理时间;具体来说,衰变速率相应的处理时间的2、5、10、20和30分钟是1.27%,0.84%,-0.05%,-0.08%,和-0.15%,分别。特别是,PERC太阳能电池再生20甚至30分钟有一个轻微的增加效率对再生前的初始值。

图5显示了一个直方图描述的相对变化PERC太阳能电池的处理时间之前和之后的再生与注入电流在180°C,以及随后的前后12 h盖子。如图5退化的参考样品比再生PERC是强烈的太阳能电池12 h后盖子。随着时间的增加再生,衰变速率的前/后/前12 h后再生和盖子逐渐减少,后者的衰变速率远低于前者。此外,当再生时间超过10分钟,PERC太阳能电池的效率高于12 h盖子后在盖子的过程。因此,anti-LID PERC太阳能电池性能与处理时间的增加增强。

根据新的哈勒姆提出的三态模型等。13),薄熙来缺陷有三个组合形式,即。,the annealed state without recombination activity, the degraded state with recombination activity, and the passivated state without recombination activity. The specific LID situations of boron-doped Cz-Si PERC solar cells are determined by the concentrations of three defect states and the processing conditions. For the case given in this paper, before the regeneration, the BO defects in the as-prepared PERC solar cells mainly exist in the form of the annealed state, with a small amount of BO defects in the degraded state. Since the annealed state can only transform into the degraded state instead of the passivated state, the generation rate of the degraded state defects is much higher than that of the passivated state defects at the initial stage of the regeneration, which would result in a decrease in the bulk-carrier lifetime and efficiency of the solar cells. The amount of the degraded state defects increases with increasing processing time, so that the regeneration reaction would dominate at the middle-late stage of regeneration, and the concentration of the passivated state defects would increase with the increase in processing time. When the processing time is long enough, most of the annealed state and degraded state defects could convert into stable passivated state defects, which would lead to the recovery of the bulk-carrier lifetime and efficiency, making the regenerated PERC solar cells possess anti-LID performance.

数据6(一)- - - - - -6 (c)显示的时间依赖性 , ,和全氯乙烯的太阳能电池与初始值之前和之后的再生,在随后的12 h盖子,再生的使用10注入电流在180°C不同时间(0、2、5、10、20和30分钟,分别)。如数据所示6(一)和6 (b),和基本上有相同的变化趋势 ,和和PERC太阳能电池再生的20到30分钟几乎没有明显的衰减对初始值,几乎保持稳定在随后12 h盖子。然而,和PERC太阳能电池再生的小于或等于10分钟有明显衰减相对于初始值,但是他们anti-LID表演比参考样品在随后的12 h盖子和anti-LID性能改进与提高再生时间。此外,在12 h盖子,相对的值全氯乙烯的太阳能电池显示与波动上升的趋势,而这些的保持稳定。的相对价值之前和之后的再生与基本上具有相同的变化趋势 , ,和 。的衰变速率PERC太阳能电池再生的小于或等于10分钟高于参考的样本,而FF的PERC太阳能电池再生值20或30分钟甚至略高于再生前的初始值。在12 h盖子,衰变的速度显示了不同的趋势 , ,和 。具体来说,当再生时间小于或等于10分钟,衰变速率的大于参考的样本,而衰变速率的PERC太阳能电池再生的20或30分钟不到的参考样本。上述实验结果可以解释如下:随着时间的增加再生,更多的钝化recombination-active缺陷,其结果是散货船一生的增加和上升 , ,和全氯乙烯的太阳能电池。自不仅是散货船一生的影响还受其他因素如串联和并联电阻、会表现出不同的变化趋势 , ,和 。

3.3。注入电流对再生效果的影响

数据7(一)- - - - - -7 (d)显示的时间依赖性 , , ,和PERC太阳能电池与初始值的再生通过使用不同的注入电流(6、8、10、12、14、16和18 A)在180°C 30分钟之前和之后的再生,在随后的12 h盖子,分别。如图7, , , ,和全氯乙烯的太阳能电池再生通过使用不同的注入电流在180°C 30分钟都高于再生前的初始值。在12 h盖子,显示了一个轻微的波动,而显示了一个轻微的降低趋势,随波动;作为一个结果,显示略有下降趋势与波动。12 h盖子后,和全氯乙烯的太阳能电池再生与不同的注入电流都高于前的初始值再生,而只有值的PERC太阳能电池再生利用10,16 A,和18高于初始值;因此,效率的PERC太阳能电池再生目前除了12高于初始值。上述结果表明,180°C条件下30分钟,6 A的注入电流大到足以获得良好的再生效果,并提高注入电流不一定提高再生效果。考虑到处理温度和时间,最好的再生效果似乎对应一个最佳的注入电流。根据我们的实验结果,相对应的最优注入电流的条件180°C和30分钟是10左右。当然,这还需要进一步研究来达到最好的再生效果减少处理时间的同时增加了注入电流。

研究的参数范围内,最优再生条件对应于治疗10注入电流30分钟在180°C。在这样一个最优的再生条件下,效率的比例在12 h盖子的初始效率达到最大值1.019 6 h光浸泡和稳定值1.012 12 h光浸泡(见图7(一))。效率随时间的波动似乎可以归因于可逆反应的本质这三种配置之间的缺陷和三个州的混合物通常被达到。为什么适当再生全氯乙烯的效率太阳能电池12 h后盖子超过最初的效率,我们没有进行退火处理(200°C, 30分钟)在黑暗中让所有的缺陷。这之前转换成退火状态测量初始效率。中包含的大多数退化状态的缺陷和PERC太阳能电池转换成合适的再生后钝化状态,导致效率的上升。

据报道,“一个非常快的再生过程不到10 s在230°C和2.7太阳照明可以实现。“然而,这一结论是来自研究寿命样本吸气(POCl₃在840°C)吸气,氢化(PECVD-SiN_x:双方H),适当地解雇了,完全退化(200°C在黑暗中退火10分钟)(14,15]。更重要的是,作者没有提供直接的证据的稳定性最优再生寿命样本下太阳能电池的工作条件(14,15]。显然,这快不在良好的协议与我们的再生条件。原因如下:(1)PECVD-SiN_x:H和电极点火工艺条件用于制造PERC太阳能电池行业的优化PERC太阳能电池的效率最大化,这不同于一生的最佳制备条件。此外,没有200°C在黑暗中退火前做好准备全氯乙烯太阳能电池进行再生。(2)最优再生条件的判断标准也不同。具体来说,最优光注入再生条件由完全恢复完全退化的寿命样本照明和加热条件下,而我们的判断标准是最大化的比例稳定再生太阳能电池效率12 h后盖子(45°C, 1-sun照明)的初始效率再生之前,这意味着只有再生条件的最高含量钝化状态可以被看作是获得最优。此外,可以实现最优再生的原因在180°C也被给定一个合理的解释根据哈勒姆提出的新的三态模型等。(见部分3.1详情)。(3)因为太阳能电池的生产过程和体系结构复杂和重要影响再生和控制过程,再生的结论和盖子的终身样本不能直接应用的太阳能电池(16),本文的结论仅适用工业化PERC太阳能电池。

由于报告光注入再生资源的稀缺性以及anti-LID工业PERC太阳能电池的性能,我们不能把我们的研究成果与那些受光注入再生。然而,在我们看来,这个工作是值得出版的有以下原因:(1)电注入有一些显著的优势,超过光注入,如更简单设备从而导致降低设备成本,提高能源利用效率(没有electricity-to-light和light-to-electricity转换),和更高的注入水平没有担心的光损伤。(2)由于电力注入再生装置可以制成一批加工设备(17),没有问题将30分钟anti-LID批处理过程集成到一个太阳能电池制造过程中,因为制造工艺也使用其他耗时的批处理过程如PECVD-SiN和扩散过程_x:H过程。(3)从机制的角度,是否光注入电注入,他们只是引入非平衡少数载流子的方法(即。,电子)金刚石Cz-Si晶片。注入的电子能把附近的氢离子(H⁺)形成氢原子,氢原子可以更快地分散在加热,从而可以有效地使钝化缺陷与重组活动。人们认为温和的温度,更高的注入水平,和更高的氢离子浓度可以给一个更好的再生效果(14,15]。与光注入,电注入不会带来损害太阳能电池在高注入水平;因此,电注入应该有一个更好的再生效果比光注入。(4)不同于先前的研究在盖子和再生的主要特点是寿命或 ,所有的照明 - - - - - - 特征参数( , , ,和 )使用本文描述的再生和anti-LID工业化PERC太阳能电池的性能。此外,研究结果可以作为重要的参考或直接使用的行业进一步减少或完全消除盖子工业化PERC太阳能电池的问题。

4所示。结论

PERC太阳能电池是使用工业标准制造的,通过使用不同的再生过程和治疗(电子注入和加热)条件下,再生的影响条件(温度、时间和注入电流)在anti-LID好全氯乙烯的太阳能电池的性能进行了研究。结果表明, , ,和PERC太阳能电池再生的10 180°C条件下注入电流和30分钟处理时间降解率相对于值最低盖之前,实际上对应于最大增量。当处理时间小于或等于10分钟10 180°C条件下,注入电流, , ,和再生全氯乙烯的太阳能电池对前的初始值再生显著衰减,但在随后的12 h盖子,anti-LID表演比参考样品及其anti-LID表演的提高随着处理时间。当处理时间是20或30分钟, , ,和再生的PERC太阳能电池相对于之前的初始值略有增加再生基本上保持稳定在随后12 h盖子。180°C条件下30分钟,6注入电流足以获得再生效果好,但最优注入电流在这样一个条件是10左右。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在纸上。原始数据测量与vs - 6821 m的太阳能电池 - - - - - - 测试人员提供补充材料。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号广州61774171)和特殊的科学研究项目(批准号201607020032)。

补充材料

辅料是原始数据测量与vs - 6821 m的太阳能电池 - - - - - - 测试之前和之后的再生治疗和随后的12 h盖过程中部分所示3.1第三节。2,部分3.3的手稿。(补充材料)

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