CN104505426A - 一种改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在组件层压的同时改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减的方法及装置。它通过对电池片制备过程中的关键工艺和组件封装过程中的关键工艺进行改善和优化，具体操作步骤如下：A.电池片制备：其关键在于，对PECVD镀膜工艺的改善与优化，通过控制SiNx和SiOxNy沉积反应，提高SiNx薄膜的氢含量；B.组件封装：其关键在于，在组件层压的同时，对电池片进行一定温度下的正向偏置预处理。本发明的有益效果是：降低和抑制晶体硅太阳能组件光致衰减，克服了由于光致衰减导致的实际功率与标称功率不符的问题，以简捷的方法实现产业化推广，也克服了光源系统导致的成本投入，更为经济可行。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池组件相关技术领域，尤其是指一种改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减的方法及装置。
背景技术
晶体硅太阳能电池组件大部分由60片或72片晶体硅太阳能电池串联而成，晶体硅太阳能电池经由制绒-扩散-边缘刻蚀-清洗-PECVD减反层镀膜-丝网印刷及烧结等常规工艺制备完成后，进行电池片分选、单焊及串焊，然后将电池片、玻璃和EVA及背板按照一定的层次敷设层压，固化后完成组件的制备。晶体硅太阳能电池目前大规模使用掺硼的P型硅片制备，由于硼氧键及其他复合中心的存在，导致电池片或组件在光照后，有一个初始的功率衰减过程，严重时，功率衰减超过3％。
目前，可以解决光致衰减问题的方法主要有：控制氧含量或采用其他元素，如镓或磷替代硼掺杂，但是受限于硅片制造成本和电池工艺等因素，均未实现大规模的产业化推广。近来，一种新方法被提出：在电池片制备完成后，进行一定温度下的载流子注入预处理，使硼氧键失活，达到抑制光致衰减的效果。但是，此方法还未见其在产业化中实现，而且，电池片预处理后进行组件封装的过程中需要进行焊接和层压等封装工艺，工艺温度分别达到了200℃和120℃以上，存在再次激活硼氧键，导致光致衰减的风险。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种在组件层压的同时降低和抑制晶体硅太阳能组件光致衰减的改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减的方法及装置。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减的方法，通过对电池片制备过程中的关键工艺和组件封装过程中的关键工艺进行改善和优化，具体操作步骤如下：
A.电池片制备：其关键在于，对PECVD镀膜工艺的改善与优化，通过控制SiNx和SiOxNy沉积反应，提高SiNx薄膜的氢含量；
B.组件封装：其关键在于，在组件层压的同时，对电池片进行一定温度下的正向偏置预处理。
利用加热加压方法克服组件光致衰减问题的原理在于：研究表明，温度和过量载流子注入的共轭作用，可以使硼氧键永久失活。升高温度，以光照或者偏压方式引起载流子注入实现复合活性物向非活性物的转变，即完成从退火态、衰减态到再生态的转变。目前，对该转变机理一个的解析认为，原子态氢的参与是关键，原子态氢起着钝化BO键的重要作用，如果能够进一步控制原子态氢的电荷态，将可以达到最佳的效果。因此，温度、载流子注入和原子态氢是解决光致衰减问题的三个关键工艺参数。
作为优选，在步骤A中，电池片制备的具体操作步骤如下：
(1)硅片分选后，在碱性溶液中进行粗抛去除杂质和损伤层；
(2)在碱性溶液或者酸性溶液中制绒后，清洗，甩干；
(3)扩散炉中进行高温磷扩散，形成pn结后，等离子体刻蚀去边结和二次清洗去除PSG；
(4)进行正面钝化层/减反层的沉积：采用PECVD镀膜工艺，首先在n型发射区上沉积SiNx薄膜，然后在SiNx薄膜上沉积SiOxNy薄膜，形成SiNx/SiOxNy叠层；
(5)背银、背铝和正银丝网印刷及烧结后，进行测试分选。
BO键的结合是掺B硅片存在光衰的根本原因，原子态氢则可实现BO键的断裂和失活。原子态氢的引入可通过外部氢源或者内部氢扩散实现，如SiNx：H介电薄膜。该方法通过优化电池片生产过程中的PECVD镀膜工艺，控制晶体硅和SiNx：H薄膜的含氢量，同时增加SiOxNy叠层，进一步提高氢含量，以内部氢扩散方式满足钝化BO键的需要，无需额外的投资。丝网印刷后的烧结工艺使介电层的氢向晶体硅扩散。该方法通过控制沉积反应，达到控制介电层的氢含量的目的，为组件封装工艺过程中的抑制光致衰减预处理提供更多的原子氢。
作为优选，在步骤(1)和(2)中，碱性溶液为NaOH或者KOH溶液。
作为优选，在步骤(2)中，酸性溶液为HF+HNO3溶液，绒面尺寸在5um以内。
作为优选，在步骤(3)中，扩散方阻为80-120ohm/squ。
作为优选，在步骤(4)中，首先在n型发射区上沉积厚度在65-75nm，折射率在1.9-2.1之间的SiNx薄膜，然后在SiNx薄膜上沉积10-20nm，折射率在1.5-1.9之间的的SiOxNy薄膜，其中：薄膜的氢源来自于反应气体SiH4和NH3。控制SiNx和SiOxNy沉积反应，达到控制介电层的氢含量的目的；SiOxNy薄膜除了提供氢源外，同时作为高温烧结过程中的扩散阻挡层，抑制氢从SiNx层向外环境扩散，因此，SiNx/SiOxNy叠层比SiNx单层具有更好的体钝化效果，为组件工艺过程中的抑制光衰预处理提供更多的原子氢。
作为优选，在步骤B中，组件封装的具体操作步骤如下：
(a)电池片分选、单焊、串焊后，将电池串、玻璃和EVA、背板按照一定的层次敷设，准备层压；
(b)层压机的层压室加热到一定温度，把层叠好的组件玻璃面向下，由传送带送入层压机的层压系统，层压腔室开始抽真空，上室开始充气，经过三个阶段的加压后，进入层压阶段；
(c)恒流加压室加热至一定温度，待层压过程结束及层压室完成放气后，组件通过传送系统进入改善光致衰减预处理工艺腔室，腔室具有固定的卡槽，用于固定组件的位置，恒流源输出探针与组件电极接触，开始向组件施加正向偏压，控制恒流源输入电流密度，同时，实时监测组件电压输出，当输出电压逐渐增大至饱和后，及时向控制系统反馈，冷却系统开始工作，腔室冷却至一定温度以下，停止施加偏压。
(d)开盖，送出组件。
有关光致衰减的三个状态：退火态、衰减态和再生态是一个热活化过程，服从Arrhenius方程，温度是控制缺陷转换速率的关键。组件封装过程中，需要加热以使EVA实现交联，该过程可以很好的与抑制光衰的预处理过程兼容。
载流子注入不仅是发生光致衰减的原因，更是改善光衰的再生过程重要的因素。施加光照和偏压是产生载流子注入的两个途径，相对光照来说，本发明采取施加偏压的方式，适于量产化推广，也克服了光源系统导致的成本投入，更为经济可行。
作为优选，在步骤(a)中，所述的电池片为单晶硅或者多晶硅太阳能电池；在步骤(b)中，层压室加热温度为100-150℃，层压时间为8-15min。
作为优选，在步骤(c)中，恒流加压室加热温度为70℃-200℃，恒流源输入电流密度为5mA/cm2-15mA/cm2，腔室冷却至50℃温度以下，预处理工艺时间根据施加电流和腔室温度的不同，在1min到15min之间。
此外，本发明还提供了上述改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减方法的装置，包括上箱体和下箱体，所述的上箱体和下箱体之间设有层压室和恒流加压室，所述的层压室内配置有真空系统和加热系统，所述的恒流加压室内配置有恒流源系统和加热系统，所述的上箱体包括上箱盖和硅胶板，所述的下箱体上设有传送系统，所述的硅胶板置于上箱盖的下方且与下箱体上的传送系统相对，所述硅胶板的下方设有四个密封胶并通过四个密封胶将上箱体和下箱体之间的空间分成层压室和恒流加压室，所述的传送系统上设有晶体硅太阳能电池组件且分别置于层压室和恒流加压室中，所述置于恒流加压室中的晶体硅太阳能电池组件上表面设有组件电极，所述置于恒流加压室中的硅胶板上设有恒流源输出探针，所述恒流源输出探针的位置与组件电极的位置相对。
本发明的有益效果是：SiNx/SiOxNy叠层比SiNx单层具有更好的体钝化效果，为组件封装工艺过程中的抑制光致衰减预处理提供更多的原子氢；在组件加热层压的过程中，同时进行组件预处理，降低和抑制晶体硅太阳能组件光致衰减；可以在现有组件层压机的基础上进行升级实现，使组件功率保持在一个较高的水平，克服了由于光致衰减导致的实际功率与标称功率不符的问题，以简捷的方法实现产业化推广，同时克服预处理后电池片由于组件阶段的高温处理再次发生光衰现象的风险，也克服了光源系统导致的成本投入，更为经济可行。
附图说明
图1是本发明中装置的结构示意图。
图中：1.硅胶板，2.层压室，3.恒流输出探针，4.恒流加压室，5.上箱盖，6.传送系统，7.晶体硅太阳能电池组件，8.组件电极，9.密封胶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例一：
1、电池片制备：
(1)硅片分选后，在碱性溶液(NaOH或者KOH溶液)进行粗抛去除杂质和损伤层；
(2)碱性溶液(NaOH或者KOH溶液)或者酸性溶液(HF+HNO3)中制绒后，清洗，甩干，绒面尺寸在5um以内；
(3)扩散炉中进行高温磷扩散，形成pn结后，等离子体刻蚀去边结和二次清洗去除PSG，扩散方阻为80-120ohm/squ；
(4)进行正面钝化层/减反层的沉积，本步骤是本发明的关键工艺之一。首先，采用PECVD(通入SiH4和NH3)在发射区上沉积一层SiNx，膜厚为65nm，折射率为2.0-2.1；然后，在SiNx薄膜上沉积SiOxNy薄膜(通入SiH4、NH3和N2O)，膜厚为15nm，折射率1.8-1.9，形成SiNx/SiOxNy叠层；
(5)背银、背铝和正银丝网印刷及烧结后，进行测试分选。
2、组件封装
(1)电池片分选、单焊、串焊后，将电池串、玻璃和EVA、背板按照一定的层次敷设，准备层压；
(2)层压机的层压室2加热到130℃，把层叠好的组件玻璃面向下，由传送系统6送入层压机的层压室2，层压室2开始抽真空，300s后，上室开始充气，经过三个阶段的加压后，进入层压阶段，层压时间为500s；
(3)恒流加压室4加热至130℃，待层压过程结束及层压室2完成放气后，组件进入改善光衰预处理工艺腔室(恒流加压室)，恒流加压室4通过硅胶板与密封胶的配合形成固定的卡槽，用于固定组件的位置，恒流源输出探针3与组件电极8接触，开始向组件施加正向偏压，电流密度为5mA/cm2，同时，实时监测组件电压输出，当输出电压逐渐增大至饱和后，及时向控制系统反馈，冷却系统开始工作，腔室冷却至50℃以下，停止施加偏压，预处理时间在800s-900s之间。
(4)开盖，送出组件。
实施例二：
1、电池片制备：
PECVD(通入SiH4和NH3)在发射区上沉积一层SiNx，膜厚为70nm，折射率为2.0-2.1；然后，在SiNx薄膜上沉积SiOxNy薄膜(通入SiH4、NH3和N2O)，膜厚为10nm，折射率1.8-1.9；其他工艺与实施例一相同。
2、组件封装：同实施例一。
实施例三：
1、电池片制备：
PECVD(通入SiH4和NH3)在发射区上沉积一层SiNx，膜厚为60nm，折射率为2.0-2.1；然后，在SiNx薄膜上沉积SiOxNy薄膜(通入SiH4、NH3和N2O)，膜厚为20nm，折射率1.8-1.9；其他工艺与实施例一相同。
2、组件封装：同实施例一。
实施例四：
1、电池片制备：同实施例一。
2、组件封装：电流密度为10mA/cm2，时间在700s-800s之间；其他工艺与实施例一相同。
实施例五：
1、电池片制备：同实施例一。
2、组件封装：电流密度为15mA/cm2，时间在600s-700s之间；其他工艺与实施例一相同。
实施例六：
1、电池片制备：同实施例一。
2、组件封装：恒流加压室4不与层压室2同时加热，恒流加压室4加热温度为170℃，电流密度为5mA/cm2，时间在400s-500s之间；其他工艺与实施例一相同。
实施例七：
1、电池片制备：同实施例一。
2、组件封装：恒流加压室4不与层压室2同时加热，恒流加压室4加热温度为200℃，电流密度为10mA/cm2，时间在60s-120s之间；其他工艺与实施例一相同。
对比例1：
电池片制备工艺在PECVD镀膜时，仅沉积SiNx介电层，具体膜厚为80nm，折射率为2.0-2.1，其他电池片制备工艺与实施例一相同；组件封装工艺不经过恒温加压处理，即不经过改善光衰的预处理，层压工艺与实施例一相同；
对比例2：
电池片制备工艺与对比例1相同，组件封装工艺与实施例一相同，即经过改善光衰的预处理；
对比例3：
电池片制备工艺在PECVD镀膜时，仅沉积SiNx介电层，具体膜厚为80nm，折射率为2.0-2.1，介电层含氢量较对比例2要高，其他电池片制备和组件封装工艺均与实施例一相同；
实施例与对比例具体电学参数如表1所示，其中Voc为电池片开路电压，Isc为电池片短路电流，FF为电池片填充因子，Eff为电池片转化效率，ΔPm为组件光衰后功率衰减百分比，[H]为介电层的含氢浓度。
表1
由对比例3和对比例1、2比较可见，[H]含量的增加更有利于电池的体钝化，表现为Voc更高，但是，由于介电层折射率的改变，导致Isc和FF有所下降，因此，电池效率基本持平；
由实施例1-7和对比例1、2比较可见，SiOxNy层的加入，可在保持[H]含量和Voc的前提下，提高Isc，因此，电池效率有0.2％的提升；
由对比例1和对比例2ΔPm的变化可见，经过光衰预处理工艺后，组件光致衰减明显下降；由对比例3和对比例2比较可见，[H]的增加有利于光衰的改善；由实施例与对比例3的比较可见，SiOxNy介电层的增加，可以有效的阻挡SiNx介电层的[H]向外扩散，进一步抑制了光辐照后的功率衰减。
Claims (10)
1.一种改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减的方法，其特征是，通过对电池片制备过程中的关键工艺和组件封装过程中的关键工艺进行改善和优化，具体操作步骤如下：
A.电池片制备：其关键在于，对PECVD镀膜工艺的改善与优化，通过控制SiNx和SiOxNy沉积反应，提高SiNx薄膜的氢含量；
B.组件封装：其关键在于，在组件层压的同时，对电池片进行一定温度下的正向偏置预处理。
2.根据权利要求1所述的一种改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减的方法，其特征是，在步骤A中，电池片制备的具体操作步骤如下：
(1)硅片分选后，在碱性溶液中进行粗抛去除杂质和损伤层；
(2)在碱性溶液或者酸性溶液中制绒后，清洗，甩干；
(3)扩散炉中进行高温磷扩散，形成pn结后，等离子体刻蚀去边结和二次清洗去除PSG；
(4)进行正面钝化层/减反层的沉积：采用PECVD镀膜工艺，首先在n型发射区上沉积SiNx薄膜，然后在SiNx薄膜上沉积SiOxNy薄膜，形成SiNx/SiOxNy叠层；
(5)背银、背铝和正银丝网印刷及烧结后，进行测试分选。
3.根据权利要求2所述的一种改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减的方法，其特征是，在步骤(1)和(2)中，碱性溶液为NaOH或者KOH溶液。
4.根据权利要求2所述的一种改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减的方法，其特征是，在步骤(2)中，酸性溶液为HF+HNO3溶液，绒面尺寸在5um以内。
5.根据权利要求2所述的一种改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减的方法，其特征是，在步骤(3)中，扩散方阻为80-120ohm/squ。
6.根据权利要求2所述的一种改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减的方法，其特征是，在步骤(4)中，首先在n型发射区上沉积厚度在65-75nm，折射率在1.9-2.1之间的SiNx薄膜，然后在SiNx薄膜上沉积10-20nm，折射率在1.5-1.9之间的的SiOxNy薄膜，其中：薄膜的氢源来自于反应气体SiH4和NH3。
7.根据权利要求1所述的一种改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减的方法，其特征是，在步骤B中，组件封装的具体操作步骤如下：
(a)电池片分选、单焊、串焊后，将电池串、玻璃和EVA、背板按照一定的层次敷设，准备层压；
(b)层压机的层压室加热到一定温度，把层叠好的组件玻璃面向下，由传送带送入层压机的层压系统，层压腔室开始抽真空，上室开始充气，经过三个阶段的加压后，进入层压阶段；
(c)恒流加压室加热至一定温度，待层压过程结束及层压室完成放气后，组件通过传送系统进入改善光致衰减预处理工艺腔室，腔室具有固定的卡槽，用于固定组件的位置，恒流源输出探针与组件电极接触，开始向组件施加正向偏压，控制恒流源输入电流密度，同时，实时监测组件电压输出，当输出电压逐渐增大至饱和后，及时向控制系统反馈，冷却系统开始工作，腔室冷却至一定温度以下，停止施加偏压。
(d)开盖，送出组件。
8.根据权利要求7所述的一种改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减的方法，其特征是，在步骤(a)中，所述的电池片为单晶硅或者多晶硅太阳能电池；在步骤(b)中，层压室加热温度为100-150℃，层压时间为8-15min。
9.根据权利要求7所述的一种改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减的方法，其特征是，在步骤(c)中，恒流加压室加热温度为70℃-200℃，恒流源输入电流密度为5mA/cm2-15mA/cm2，腔室冷却至50℃温度以下，预处理工艺时间根据施加电流和腔室温度的不同，在1min到15min之间。
10.一种如权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9所述的改善晶体硅太阳能电池组件光致衰减方法的装置，其特征是，包括上箱体和下箱体，所述的上箱体和下箱体之间设有层压室(2)和恒流加压室(4)，所述的层压室(2)内配置有真空系统和加热系统，所述的恒流加压室(4)内配置有恒流源系统和加热系统，所述的上箱体包括上箱盖(5)和硅胶板(1)，所述的下箱体上设有传送系统(6)，所述的硅胶板(1)置于上箱盖(5)的下方且与下箱体上的传送系统(6)相对，所述硅胶板(1)的下方设有四个密封胶(9)并通过四个密封胶(9)将上箱体和下箱体之间的空间分成层压室(2)和恒流加压室(4)，所述的传送系统(6)上设有晶体硅太阳能电池组件(7)且分别置于层压室(2)和恒流加压室(4)中，所述置于恒流加压室(4)中的晶体硅太阳能电池组件(7)上表面设有组件电极(8)，所述置于恒流加压室(4)中的硅胶板(1)上设有恒流源输出探针(3)，所述恒流源输出探针(3)的位置与组件电极(8)的位置相对。
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