CN102290448A - 太阳能电池、太阳能电池的制造方法和测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池、一种太阳能电池的制造方法和一种测试方法。本发明的太阳能电池(1)包括半导体衬底(10)和在迎光面侧布置于所述半导体衬底(10)的正面表面(11)的抗反射层(2)，所述抗反射层沿所述抗反射层(2)的层厚具有小于10伏、小于5伏或者小于3伏的极限电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池、一种太阳能电池的制造方法和一种测试方法。
背景技术
目前最有效的太阳能组件由许多单个的太阳能电池构成，这些太阳能电池借助所谓的电池连接器相连成串。这些电池串上覆有塑料膜，嵌入在框架内，并被玻璃板盖住，以免受到环境因素的影响。此外，这种太阳能组件沿其太阳能电池背面被背膜封装起来。也就是说，入射光先穿过玻璃板，再穿过塑料膜，然后才到达太阳能电池正面。该塑料膜一般由乙烯乙酸乙烯酯(EVA)构成。另外，太阳能电池上通常涂覆有用来抑制入射光发生背反射的抗反射层，因此，这个抗反射层的层表面紧贴塑料膜布置。
当一个由一或多个太阳能组件构成的太阳能组件串中的太阳能组件工作时，太阳能电池和框架之间会形成电位。如果太阳能组件中的太阳能电池采用串联连接，太阳能电池和框架之间的电位就会沿着该串联线路上升。工业上针对这个电位提出的限值通常约为1000伏，也即，沿该串联线路允许存在1000伏左右的电位，而且上述背膜一般也是为此设计的。如果其中一个太阳能电池相对于框架具有负电位或正电位，玻璃板和塑料膜中就相应会有正离子(例如钠离子、钙离子或镁离子)或负离子(例如氢氧根离子)沿电场朝该太阳能电池方向迁移。这会在玻璃板与塑料膜之间的界面和/或塑料膜与抗反射层之间的界面上引起载流子累积，从而导致太阳能电池发生故障。另外，并联电阻也会因此而减小，从而导致相关太阳能电池的部分或完全故障。这种基于组件框架和太阳能电池之间的诱发性电位差的衰退效应称为“电位诱发衰退”(PiD)。
一种可以防止太阳能电池发生上述故障的方法是避免太阳能组件框架与该太阳能组件所包含的太阳能电池之间形成负电位差(正面n型发射极)和正电位差(正面p型发射极)。但是，相关的接地措施有可能极其复杂。此外还会使逆变器的选择受到限制，对系统效率产生不良影响。可以使用由硼硅玻璃构成的玻璃板，因为硼硅玻璃中会促进电荷聚集的离子成分相对较少。但这会增加太阳能组件的成本，从经济角度看是不可接受的解决方案。最后还可以尝试用比EVA更合适的材料来制造塑料膜，例如有机硅(如Wacker公司的Tectosil)、PVB(聚乙烯醇缩丁醛)或热塑性塑料(如Dupont公司的Surlyn)，因为EVA中所含的乙酸以及EVA的高透水透湿性可能会产生 不良影响。但是，EVA薄膜出于各方面原因非常适合用于太阳能组件。
发明内容
因此，本发明的目的是以有效而经济的手段减小或者基本上完全排除太阳能电池发生电位诱发衰退的可能性。
本发明用以达成上述目的的解决方案为一种具有如权利要求1所述特征的太阳能电池、一种具有如权利要求9所述特征的太阳能电池制造方法和一种具有如权利要求10所述特征的测试方法。本发明的有利改进方案由从属权利要求给出。
本发明认为，对于安装在太阳能组件内的太阳能电池来说，电荷在玻璃板/塑料膜界面和/或塑料膜/抗反射层界面上的累积是其发生电位诱发衰退的原因所在。因此，本发明的基本思路是为太阳能电池采用某种设计，使得这些电荷沿着抗反射层的层厚或者横向于抗反射层的层表面被该抗反射层导入半导体衬底或者予以中和。自某个电压起，如果流向塑料膜/抗反射层界面的电流与流经抗反射层或沿抗反射层流动的电流之间达到平衡，那么就可将这个电压视为极限电压。只有这样，所述界面处才不会有进一步的电荷累积。
本发明人发现，在组装完毕的太阳能组件中，只有当每个单个太阳能电池的抗反射层本身就具有低于某个值的极限电压时，才能有效防止电位诱发衰退。为了测量抗反射层的极限电压，在太阳能电池处于未被接触状态时，即制造太阳能电池时在沉积抗反射层之后但在电镀处理之前，在该抗反射层上产生电晕放电。其中，抗反射层下面的半导体衬底起电极作用，设置一个电晕放电电极作为电晕放电所需的另一电极。随后测量该抗反射层的层表面的表面电压。
这个表面电压可沿抗反射层的层表面发生变化，且可用电容探针(例如Kelvin探针)加以测量。如果测得的表面电压低于具有上述值的极限电压，就可认为，太阳能组件中设有这种抗反射层的太阳能电池即使不采取接地措施也不会发生电位诱发衰退。
如果在所述半导体衬底(例如半导体晶片)的背面表面和所述电晕放电电极之间施加一个数千伏(kV)的高电压，所述电晕放电就会在所述抗反射层的层表面产生表面电荷。其中，电晕放电电极布置在抗反射层的层表面上方数厘米(cm)处。之后马上测量所述表面电压。举例而言，所施加的高电压可为5.2kV，抗反射层的层表面与电晕放电电极顶端之间的距离约为10cm。在此情况下，电晕中会产生约为0.2微安(μA)的电流，大约经过30分钟后，所述表面电压不再会因该电流而进一步发生变化，这时就可用(例如)Kelvin探针来加以测量。
在所述抗反射层的层表面测得的表面电压优选可以是该抗反射层的击穿电压。所述极限电压则是最大击穿电压，其作用是防止太阳能电池轻易发生电位诱发衰退。但极限电压是一个比击穿电压更为普遍的参数。击穿电压只能表征那些具有击穿特性的抗反射层。一旦超过击穿电压，流经抗反射层的电流就会呈指数级上升。而极限电压则可以表征那些即使在电压较低的情况下也具有导电能力的抗反射层，只是其电导率只有在超过该极限电压时才能用来实现有效的电荷迁移。下文将要介绍一些用来降低该极限电压的抗反射层处理措施，通过这些处理措施可以提高抗反射层的电导率和/或减小其击穿电压。
制造所述太阳能电池时，所选用的制造参数应该使所述抗反射层如上所述具有足够低的极限电压。作为替代或补充方案，还可利用前述测试方法来测试抗反射层的极限电压并把符合上述标准的太阳能电池归类为适合进一步处理成太阳能组件的太阳能电池。常规方法只有在将太阳能电池装入太阳能组件后才能识别出该太阳能电池发生电位诱发衰退(PiD)的可能性有多大，与之相比，本发明测试方法的优点是可以在太阳能电池尚未装入太阳能组件时就识别出这种PiD易发性。这样就可以提前将容易发生PiD的太阳能电池淘汰。
有一系列的方法可以制造出具有符合要求的极限电压的抗反射层。优选通过适当选择抗反射层的材料和/或构成抗反射层的化合物的化学计量组成来实现这一点。
在某些实施方式中，可以通过适当选择抗反射层的折射率值来调节其极限电压，因为在参数相同的情况下，所述极限电压可与折射率产生关联。另一种特别有利的方案是使所述极限电压低于上述值，但是折射率会比较低。根据一种优选实施方式，所述抗反射层在632nm波长下测定的折射率小于n＝2.2、n＝2.15、n＝2.1、n＝2.05、n＝2.0、n＝1.9、n＝1.8、n＝1.6或n＝1.4。在这么低的折射率下发生PiD的概率特别大。但是通过选择一个程度相应的低极限电压，就算在这种情况下也能排除发生PiD的可能性。这样可将抗反射层的光学特性(特别是折射率)与它的电特性(即极限电压)予以分离。由此确保所述抗反射层可以在太阳能电池中继续发挥其本职作用。
根据一种有利的改进方案，所述抗反射层经掺杂处理。通过用合适的掺杂剂对所述抗反射层进行掺杂处理，可以提高抗反射层的电导率，从而减小其极限电压。根据一种合理的设计方案，所述抗反射层中掺杂有磷、砷、氟或硼。作为替代方案，也可采用其他的合适物质或化合物作为掺杂剂。
根据一种优选实施方式，所述抗反射层中掺有透明的导电氧化物。适合使用于所 述抗反射层内部的这样一种透明导电氧化物例如有氧化铟锡、氧化锌铝、氧化锡锑或掺氟氧化锡。
根据一种有利的实施方式，所述抗反射层中的杂质浓度经相应调节，以便对所述抗反射层的电导率施加选择性影响。换言之，本实施方式在制造时就已通过抗反射层内的杂质浓度对抗反射层的电导率施加过选择性影响。举例而言，这样的杂质可以是数量较大的不饱和键(所谓的悬挂键)，其产生原因例如是抗反射层内的氢含量降低。
所述抗反射层优选具有多个沿所述抗反射层的层厚或沿所述抗反射层的层表面分布的电导率通道。这些电导率通道可以通过用激光移除抗反射层的材料而形成。这些电导率通道内可以充填具有提高电导率作用的材料。作为替代方案，这些电导率通道可以是空的，这时通过沿电导率通道内表面的表面传导来提高电导率。
沿所述抗反射层的层表面分布的电导率通道优选是形成在该层表面中的浅沟或平面覆盖层。而沿所述层厚分布的电导率通道则优选是位于所述抗反射层内的孔洞。根据一种合理的实施方式，分布在所述抗反射层内的电导率通道覆盖所述抗反射层的整个层厚。也即，这样的电导率通道是贯穿抗反射层直达下方的半导体衬底的通孔。
根据一种有利的设计方案，所述抗反射层由碳化硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、金属氧化物或上述物质的组合所构成。所述抗反射层也可由多个分层构成。在此情况下，各分层可分别由不同的材料构成，这些材料优选包括上述含硅化合物。
根据一种优选改进方案，所述抗反射层上布置有多个接触电极。也即，该实施方式涉及的是一种双面接触型太阳能电池，即正面和背面都发生接触的太阳能电池。但是，本发明所介绍的所有实施方式优选均可应用于单纯的背接触太阳能电池，即用于两极的接触电极均布置于太阳能电池背面的太阳能电池。
附图说明
下面参照附图对本发明的实施例进行说明。
图1a-1e为按照一种优选实施方式制造太阳能电池时各中间步骤的截面图；
图2为具有一个经掺杂处理的抗反射层的太阳能电池；
图3为具有一个抗反射层的太阳能电池，该抗反射层中设有多个电导率通道；
图4为一用于测试太阳能电池发生电位诱发衰退概率的测量设备的示意图；及
图5为一安装在太阳能组件中的太阳能电池的截面图。
具体实施方式
图1a至图1e展示一种太阳能电池的制造方法。首先按照图1a所示提供一个优选 为硅晶片的半导体衬底10。实施完有可能需要的净化步骤后对半导体衬底10进行表面织构化处理，以便形成一个正面表面11。图1b展示的就是由此形成的表面织构，其作用是延长入射光在半导体晶体内的吸收距离。图2和图3所示为下文将要予以介绍的太阳能电池实施方式，虽然未对该表面织构进行图示，但该表面织构优选也可出现在这些实施方式中。
如图1c所示，在半导体衬底10上实施完织构化步骤后通过掺杂处理在正面表面11构建发射极掺杂层12，以便形成一p-n结。随后在发射极掺杂层12上形成抗反射层2，从而获得如图1d所示的结构。最后对太阳能电池1进行双面电镀，在正面表面11安装多个接触电极4，这些接触电极穿透抗反射层2，与发射极掺杂层12电性连接。背面表面13则设置一个整面的背面电镀层5，优选先涂覆金属膏再加以热处理。虽然在图1e所示的实施方式中，太阳能电池1是双面接触型太阳能电池，但是此处以及下文将要说明的有关抗反射层2的所有特征也适用于单纯的背接触太阳能电池1。
通过如图1a至图1e所示的制造方法在太阳能电池上产生的抗反射层2的极限电压小于10伏，小于5伏或者小于3伏。图2和图3所示为两个可以相应实现这一点的示例。
图2所示的太阳能电池具有一个经掺杂处理的抗反射层2。由此形成的掺杂中心6在图2中用点表示。通过适当选择掺杂剂可以提高抗反射层2垂直于其层表面21的电导率，以便将其极限电压降低至一个符合要求的值。
借助如图4所示的装置可以实施一种用以测试太阳能组件中的太阳能电池1发生电位诱发衰退概率的测试方法。该装置包括一高压电源7，该高压电源的正电压极71与电晕放电电极8连接，负电压极72与半导体衬底10的背面表面13连接。举例而言，半导体衬底10可平放在一块与负电压极72接触的金属板上。
电晕放电电极8布置在半导体衬底10的正面表面11上方数厘米处。通过在电晕放电电极8和太阳能电池1之间施加高电压，在抗反射层2的层表面21产生一个带有微安范围内的极小电流的电晕。经过一段时间(例如30分钟)后就可以测量抗反射层2的层表面21的表面电压。优选用图4未予展示的Kelvin探针实施这一测量。测量时使Kelvin探针发生振动并靠近层表面21。
图5是一个安装在太阳能组件中的太阳能电池的截面图。此处仅展示了与电位诱发衰退有关的各层之间的相对布置方式。因此，该图并未将太阳能电池1的例如背面电镀层示意为单独的一层。带有抗反射层2的太阳能电池1在所述太阳能组件中正面 由塑料膜92和玻璃板91，背面由背面封装材料93提供保护，以免受到环境因素影响。背面封装材料93优选是一背膜。
以一个正面发射极为正射极的传统太阳能组件为例，如果太阳能电池1相对于该太阳能组件的框架具有负电位，玻璃板91中的正离子就会穿过玻璃板91和塑料膜92，并且聚集在玻璃板91与塑料膜92之间的界面和/或塑料膜92与太阳能电池1的半导体衬底10之间的界面处。如果抗反射层2采用前述设计，那么在上述界面处聚集起更多电荷之前，抗反射层2就会将电荷导入太阳能电池1的半导体衬底10。
元件符号表
1 太阳能电池
10 半导体衬底
11 半导体衬底的正面表面
12 发射极掺杂层
13 背面表面
2 抗反射层
21 抗反射层的层表面
3 电导率通道
4 接触电极
5 背面电镀层
6 掺杂中心
7 高压电源
71 正电压极
72 负电压极
8 电晕放电电极
91 玻璃板
92 塑料膜
93 背面封装材料。
Claims (12)
1.一种太阳能电池(1)，包括半导体衬底(10)和在迎光面侧布置于所述半导体衬底(10)的正面表面(11)的抗反射层(2)，所述抗反射层沿所述抗反射层(2)的层厚具有小于10伏、小于5伏或者小于3伏的极限电压。
2.如权利要求1所述的太阳能电池(1)，其特征在于，所述抗反射层(2)在632nm波长下测定的折射率小于n＝2.2、n＝2.15、n＝2.1、n＝2.05、n＝2.0、n＝1.9、n＝1.8、n＝1.6或n＝1.4。
3.如权利要求1或2所述的太阳能电池(1)，其特征在于，所述抗反射层(2)经掺杂处理。
4.如权利要求3所述的太阳能电池(1)，其特征在于，所述抗反射层(2)中掺杂有磷、砷、氟或硼。
5.如上述权利要求中任一项所述的太阳能电池(1)，其特征在于，所述抗反射层(2)中掺有透明的导电氧化物。
6.如上述权利要求中任一项所述的太阳能电池(1)，其特征在于，所述抗反射层(2)中的杂质浓度经相应调节，以便对所述抗反射层(2)的电导率施加选择性影响。
7.如上述权利要求中任一项所述的太阳能电池(1)，其特征在于，所述抗反射层具有多个沿所述层厚或沿所述抗反射层(2)的层表面(21)分布的电导率通道(3)。
8.如权利要求5所述的太阳能电池(1)，其特征在于，分布在所述抗反射层(2)内的电导率通道(3)覆盖所述抗反射层(2)的整个层厚。
9.如上述权利要求中任一项所述的太阳能电池(1)，其特征在于，所述抗反射层(2)由碳化硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、金属氧化物或上述物质的组合所构成。
10.如上述权利要求中任一项所述的太阳能电池(1)，其特征在于，所述抗反射层(2)上布置有多个接触电极(4)。
11.一种太阳能电池制造方法，包括下列处理步骤：
提供半导体衬底(10)；以及
在所述半导体衬底(10)位于迎光面侧的正面表面(11)以某种方式涂覆抗反射层(2)，使得所述抗反射层沿所述抗反射层(2)的层厚具有小于10伏、小于5伏或者小于3伏的极限电压。
12.一种用于测试太阳能电池(1)在太阳能组件内发生电位诱发衰退概率的测试方法，所述太阳能电池包括正面抗反射层(2)，其特征在于，将所述抗反射层(2)涂覆到所述太阳能电池(1)的半导体衬底(10)的正面表面(11)后，在所述抗反射层(2)上产生电晕放电，在所述电晕放电之后测量所述抗反射层(2)的表面电压，如果测得的所述表面电压高于一10伏、5伏或3伏的极限电压，就将所述太阳能电池(1)归类为容易发生电位诱发衰退的太阳能电池。
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