CN105322054A - 抑制光伏元件的光致衰减的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种抑制光伏元件的光致衰减的方法包含步骤(a)在没有环境光的干扰下，使用一个具有波长不小于300纳米的光线对该光伏元件作一个照光处理，以加热该光伏元件；及(b)保持该光伏元件的温度高于该光伏元件的一个回火温度达到至少零点五分钟,借此，达到有效抑制光致衰减的效果。一种抑制光伏元件的光致衰减的系统也被公开。

Description

抑制光伏元件的光致衰减的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种用于光伏元件的方法及系统，特别是涉及一种抑制光伏元件的光致衰减的方法及系统。
背景技术
光伏元件大多存在光致衰减效应。以结晶硅做为基材的硅基太阳能电池为例，由于结晶硅在成长过程中掺入了杂质，对硅基太阳能电池的初期光照会导致其中的掺杂剂(例如：硼)与氧、铁等杂质形成复合中心，从而使硅片的少数载子生命周期降低，引发硅基太阳能电池的光电转换效率下降，发生较大幅度的光致衰减。
关于降低光伏元件的光致衰减效应的先前技术如下所述。
有基于柴可拉斯基法(Czochralski；Cz)且可降低和控制单晶的氧含量的的磁场直拉法(MagneticCzochralski；MCz)。然而，由于更复杂的生产，利用MCz法制造的单晶较一般利用Cz法制造的单晶更昂贵。
也有基于降低结晶硅中硼浓度的方法。计算已显示，对于光伏元件的最佳光电转换效率可通过使用具有硼浓度约1×1016cm-3的硅基板而达成。采用硼浓度低于1×1016cm-3的硅基板制成的光伏元件其光致衰减效应虽然减缓，但是其生产后及时的光电转换也降低。
也有利用区熔单晶法(Float-Zone；FZ)拉制单晶。利用FZ法制成的晶圆具有最高的质量，但也最昂贵，且主要应用于电子领域。
也有使用其他掺杂剂(例如：镓)取代硼作为P型掺杂剂的长晶方法。然而，由于镓在硅中的溶解度行为具有决定性的缺点，也就是镓在整体晶体中均匀分布极度不可能达成。因此，于工业规模生产上，可预期会有大量的废品，使得此做法目前无法被视为工业上可行的。
采用磷作为N型掺杂剂的长晶方法。然而，在现有的光伏产业中，N型基板仍不普遍，这会需要整个生产处理的修改。
再者，US8,263,176公开一种使用稳定处理以制造光伏元件的方法，并将光伏元件或光伏元件的封装模组施以低温退火处理，退火温度范围约从50℃至230℃。进一步，将光伏元件或光伏元件的封装模组以辐射照射，辐射强度为高于10W/m2。借此，在基板内产生过量的少数电荷载子，以减缓光伏元件的光致衰减效应。然而，经低温退火处理的光伏元件，于运作过程中若遭遇高于当初退火温度的环境温度，抑制光致衰减的效果则会消失，光伏元件的光电转换效率仍会下降。此外，通过低温退火来减缓光伏元件的光致衰减效应的程度仍有改善的空间。
参阅图1，图1是以剖面视图示意地绘示一个典型的硅基光伏元件4的结构。硅基光伏元件4包含半导体结构组合40，其中半导体结构组合40具有正表面406以及与正表面406相对的背表面408。于图1中，半导体结构组合40中绘示接面404做为代表。半导体结构组合40包含具有第一导电型态的硅基材401，硅基材401可以是单晶硅基材、类单晶硅基材或多晶硅基材等。硅基材401的厚度范围为约150微米至220微米。接面404可以是p-n接面、n-p接面、p-i-n接面、n-i-p接面、双接面、多重接面，或其他类型接面。
正表面406通常会经粗纹化(Texturing)处理。也就是说，正表面406是粗纹化表面。正表面406的粗纹化可以通过酸、碱溶液蚀刻来达成，进而在，正表面406形成例如大小不均的金字塔型(PyramidTexture)结构。正表面406做为光入射面，粗纹化的正表面406可以有效降低入射光的反射率。
一般会将掺杂剂掺杂于粗纹化的正表面406下一定范围内，以形成具有第二导电型态的半导体区域403，以做为硅基光伏元件的射极(Emitter)。掺杂剂可以是硼、磷或砷等。硅基材401可以是p型态，半导体区域403可以是n型态。于不同做法中，硅基材401可以是n型态，半导体区域403可以是p型态。
正电极47是形成于正表面406上，且与正表面406形成欧姆接触。正电极47可以利用局部网印或涂布预定的金属浆料(例如，银浆)在正表面406上，并经由烧结而成。在烧结过程中，银浆里的玻璃粉穿过抗反射层45与正表面406的硅形成接触，进而让正电极47与正表面406形成欧姆接触。
至少一个背面汇流排电极48是形成在背表面408上。背面汇流排电极48一般是通过银浆形成。背电极49是形成于背表面408上且覆盖背表面408上形成至少一个背面汇流排电极48以外的区域，即完成硅基光伏元件4。背电极49一般是通过铝浆形成。背面汇流排电极48以及背电极49可以利用局部网印或涂布预定的金属浆料在背表面408上，并利用共烧(Co-Firing)制程于570℃至840℃的温度范围烧结而成。
参阅图2，图2是以剖面视图示意地绘示一个现有高效能的硅基光伏元件4’的结构。图2绘示的硅基光伏元件4’其结构与图1绘示的硅基光伏元件4的结构大致上相同。不同的是，图2的硅基光伏元件4’还包含钝化层46。钝化层46形成在背表面408上。背电极49并未覆盖背表面408，仅与局部背表面408接触。图2中具有与图1中相同号码标记的元件，有相同或类似的结构以及功能，在此不多做赘述。
当利用先前技术US8,263,176所公开的稳定处理的方法，以低温退火处理如图1所示典型的硅基光伏元件4及如图2所示高效能的硅基光伏元件4’时，因为图2所示高效能的硅基光伏元件4’的背电极49与背表面408的接触面积大幅减少，使得如图2所示高效能硅基光伏元件4’相对于如图1所示典型的硅基光伏元件4，所能达成的抑制光致衰减的效果大幅地减少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效抑制典型的光伏元件及高效能的光伏元件的光致衰减的方法及系统。
本发明的一个观点，提供一种抑制光伏元件的光致衰减的方法，包含下列步骤：
(a)在没有环境光的干扰下，使用一个具有波长不小于300纳米的光线对该光伏元件作一个照光处理，以加热该光伏元件；及
(b)保持该光伏元件的温度高于该光伏元件的一个回火温度达到至少零点五分钟。
在一些实施态样中，该光伏元件的温度被保持在低于摄氏600度。
在一些实施态样中，在步骤(b)中，通过使用一个控温装置辅助地保持该光伏元件的温度。
在一些实施态样中，该控温装置是由一个加热装置及一个冷却装置的其中至少一者来实施。
或者在一些实施态样中，当步骤(b)实施时，还包含使用一个感测器侦测该光伏元件的温度。
或者在一些实施态样中，该光伏元件包含一个掺硼、含氧的硅基材，该回火温度是摄氏230度。
在一些实施态样中，该光伏元件的温度被保持在摄氏230度与摄氏577度间。
或者在一些实施态样中，作该照光处理的该光线所具有的波长的范围在450纳米至1000纳米间。
或者在一些实施态样中，该光伏元件包含一个照光面，该照光面的光强度高于0.5Sun。
在一些实施态样中，该光强度的范围从0.9Sun至5Sun。
或者在一些实施态样中，作该照光处理的该光线是从一个红外灯、一个卤素灯、一个半导体发光元件、及一个有机发光元件的其中至少一者所发出。
或者在一些实施态样中，该光伏元件包含一个掺硼、含氧的硅基材，或一个掺硼与镓、含氧的硅基材。
本发明的另一个观点，提供一种抑制光伏元件的光致衰减的系统，包含一个座体、一个发光源、一个输送装置、一个温度感测器、一个控温装置、及一个控制器。
该座体包括一个沿一个长度方向延伸的顶壁、一个与该顶壁间隔设置的底壁、及一个设置于该顶壁与该底壁间的围绕壁，并界定出一个腔室。该围绕壁包含一个输入口，及一个在该长度方向上与该输入口相对的输出口。该发光源安装于该顶壁，并组配成发射一个向下的照明光线。
该输送装置包括一个用来运送该光伏元件的输送部，该输送部组配成沿一个运转路线延伸，该运转路线由该输入口通到该输出口，并平行且邻近该底壁，以使得该光伏元件被该照明光线照射。
该温度感测器安装在该腔室内，以侦测该光伏元件的温度。该控温装置调控该光伏元件的温度。该控制器组配成根据该温度感测器所侦测的温度，控制该发光源所发射的该光线及该控温装置。
在一些实施态样中，该发光源包括一个红外灯、一个卤素灯、一个半导体发光元件、及一个有机发光元件的其中至少一者。
或者在一些实施态样中，该控温装置包括一个冷却装置。
在一些实施态样中，该控温装置还包括一个加热装置。
或者在一些实施态样中，该控温装置包括一个加热装置。
本发明的有益的效果在于：通过该抑制光伏元件的光致衰减的系统实施该抑制光伏元件的光致衰减的方法，使得光伏元件再接受特定的照光处理后，例如照射光线的波长或光伏元件的温度的设计，而能够达到有效抑制光致衰减的成果。
附图说明
图1是一个典型的光伏元件的剖面示意图；
图2是一个高效率的光伏元件的剖面示意图；
图3是一个示意图，说明本发明抑制光伏元件的光致衰减的方法的一个实施例；
图4是一个示意图，说明本发明抑制光伏元件的光致衰减的系统的一个第一实施例；
图5是一个示意图，说明本发明抑制光伏元件的光致衰减的系统的一个第二实施例；
图6是一个示意图，说明本发明抑制光伏元件的光致衰减的系统的一个第三实施例；
图7是一个示意图，说明本发明抑制光伏元件的光致衰减的系统的一个第四实施例；及
图8是一个示意图，说明本发明抑制光伏元件的光致衰减的系统的一个第五实施例。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图3，本发明抑制(Inhibiting)光伏元件的光致衰减(Light-InducedDegradation；LID)的方法的一个实施例包含下列步骤：
(A)照光处理：
在没有环境光(AmbientLight)的干扰下，使用一个从一个发光源12发射出的光线对一个光伏元件2作一个照光处理，以加热该光伏元件2。该光线具有的波长不小于300纳米。
作该照光处理的该发光源12是一个红外灯、一个卤素灯、一个半导体发光元件、一个有机发光元件、或前述的其中至少一者的组合。
举例来说，该光伏元件2包含一个掺硼、含氧的硅基材、或一个掺硼与镓、含氧的硅基材、或其他相似物。该光伏元件2具有一个顶面20及一个相对于该顶面20的底面22。
从该发光源12发射出的该光线可以被分类为一个短波长光线及一个长波长光线。该短波长光线具有的波长范围在300纳米(nm)至450纳米间。该长波长光线具有的波长不小于450纳米，且较佳的波长范围在450纳米至1000纳米间。该短波长光线能穿透该光伏元件2的该顶面20，但不能到达该光伏元件2的该底面22。该长波长光线能穿透该光伏元件2的该顶面20，且能到达该光伏元件2的该底面22。因此，用来作照光处理的该光线所具有的较佳波长范围是在450纳米至1000纳米间(也就是该长波长光线)。
受到照光处理的该光伏元件2的温度要上升到高于该光伏元件2的一个回火温度。具体地说，当受到照光的该光伏元件2是一个掺硼、含氧的硅基材时，该回火温度是摄氏230度。
(B)保持该光伏元件的温度：
该光伏元件2的温度被保持在高于该光伏元件2的该回火温度，且较佳的是低于摄氏600度并达到至少零点五分钟。如前面所述，当受到照光的该光伏元件2是一个掺硼、含氧的硅基材时，该光伏元件2的温度被保持在高于摄氏230度，且较佳的是低于摄氏600度。更佳的是该光伏元件2的温度被保持在摄氏230度与摄氏577度间。当该光伏元件2的温度高于摄氏577度时，该光伏元件2可能会损坏。
(C)侦测：
当步骤(B)实施时，使用一个感测器侦测该光伏元件2的温度。当该感测器所侦测的该光伏元件2的温度超过摄氏230度与摄氏577度间的范围时，该保持步骤(也就是步骤(B))通过使用一个控温装置辅助地保持该光伏元件的温度。具体地说，当该感测器所侦测的该光伏元件2的温度低于摄氏230度时，该控温装置是由一个加热装置来实施。当该感测器所侦测的该光伏元件2的温度高于摄氏577度时，该控温装置是由一个冷却装置来实施。
为了保持该光伏元件2的温度在摄氏230度与摄氏577度间，该光伏元件2的一个照光面(也就是该顶面20)所具有的光强度高于0.5Sun，且较佳的范围是0.9Sun至5Sun。
参阅图4，本发明抑制光伏元件2的光致衰减的系统1的一个第一实施例包含一个座体10、至少一个发光源12(多个发光源12说明如图4)、一个包括一个输送部11’的输送装置11、一个温度感测器14、一个控温装置15、及一个控制器18。
该座体10包括一个沿一个长度方向延伸的顶壁101、一个与该顶壁101间隔设置的底壁102、及一个设置于该顶壁101与该底壁102间的围绕壁103，并界定出一个腔室104。该围绕壁103包含一个输入口105，及一个在该长度方向上与该输入口105相对的输出口106。
该至少一个发光源12安装于该顶壁101，并组配成发射一个向下的照明光线。该至少一个发光源12包括一个红外灯、一个卤素灯、一个半导体发光元件、一个有机发光元件、或前述的其中至少一者的组合。
当该至少一个发光源12用来实施前述的本发明抑制光伏元件的光致衰减的方法时，该至少一个发光源12所发射的光线可以被分类为一个短波长光线及一个长波长光线。该短波长光线具有的波长范围在300纳米(nm)至450纳米间。该长波长光线具有的波长不小于450纳米，且较佳的波长范围在450纳米至1000纳米间。该短波长光线能穿透该光伏元件2的一个顶面20，但不能到达该光伏元件2的一个底面22。该长波长光线能穿透该光伏元件2的该顶面20，且能到达该光伏元件2的该底面22。因此，由该至少一个发光源12发射的光线所具有的较佳波长范围是在450纳米至1000纳米间(也就是该长波长光线)。此外，由该至少一个发光源12发射的光线使得该光伏元件2的一个照光面(也就是该顶面20)所具有的光强度高于0.5Sun，且较佳的范围是0.9Sun至5Sun。
特别值得一提的是：本发明抑制光伏元件2的光致衰减的系统1可以被应用在其他的照光处理，例如公开在US8,263,176中，并使得该至少一个发光源12可以被调整所发射的光线，以符合其他照光处理的特定需求。
该输送装置11的该输送部11’用来运送该光伏元件2，并组配成沿一个运转路线延伸，使得该光伏元件2被该照明光线照射。该运转路线由该输入口105通到该输出口106，并平行且邻近该底壁102。
该温度感测器14安装在该腔室104内，以侦测该光伏元件2的温度。举例来说，适合本发明的该温度感测器14包含一个红外线温度感测器、一个热耦合温度感测器、或其他类似的装置。
该控温装置15被用来调控该光伏元件2的温度。在本实施例中，当该温度感测器14所侦测的该光伏元件2的温度高于在前述步骤(B)中，该光伏元件2的保持温度的一个需求范围的一个上限时，该需求范围例如是前述的摄氏230度与摄氏577度间，该控温装置15包括一个冷却装置16以降低该光伏元件2的温度。
该冷却装置16安装在该顶壁101上，并包含一个气体冷却单元162。该气体冷却单元162提供冷却空气、冷却惰性气体、或其他类似物以冷却该光伏元件2。在本实施例中，由该气体冷却单元162提供的该冷却空气、该冷却惰性气体、或其他类似物是由该顶壁101流向该底壁102。
该控制器18组配成根据该温度感测器14所侦测的温度，控制该发光源12所发射的该光线及该控温装置15。
参阅图5，本发明抑制光伏元件2的光致衰减的系统1的一个第二实施例大致上是与该第一实施例相似，不同的地方在于：该冷却装置16安装在该底壁102，且由该气体冷却单元162提供的该冷却空气、该冷却惰性气体、或其他类似物是由该底壁102流向该顶壁101。
参阅图6，本发明抑制光伏元件2的光致衰减的系统1的一个第三实施例大致上是与该第一实施例相似，不同的地方在于：该冷却装置16包含一个安装在该输送部11’的下方的液体冷却单元164。该液体冷却单元164有冷却液体，如水或冷却剂，以降低该光伏元件2的温度。
参阅图7，本发明抑制光伏元件2的光致衰减的系统1的一个第四实施例大致上是与该第二实施例相似，不同的地方在于：该冷却装置16还包含安装在该输送部11’的下方的该液体冷却单元164。
参阅图8，本发明抑制光伏元件2的光致衰减的系统1的一个第五实施例大致上是与该第四实施例相似，不同的地方在于：该控温装置15还包括一个安装在该腔室104内的加热装置19，以加热该光伏元件2。
为证明本发明方法的有利效果，实作多个实验。利用本发明的方法将数十个光伏元件的温度保持在摄氏250度达到十分钟。在经过本发明的方法处理后，量测该等光伏元件的初始光电转换效率(Initialphotoelectricconversionefficiencies)，该等光伏元件的初始光电转换效率的一个平均值显示于表1中。在一个拟真日光照射的环境下，测试该等经过本发明的方法处理过的光伏元件的光致衰减(LID)。量测该等经过光致衰减测试的光伏元件的光电转换效率，该等光伏元件的光电转换效率的一个平均值显示于表1中。利用该等初始光电转换效率的该平均值与该等经过光致衰减测试的光电转换效率的平均值的差值除以该等初始光电转换效率的该平均值，计算一个衰减比例(DegradationRation)。该衰减比例也显示于表1中。
量测其他没有经过本发明的方法处理过的数十个光伏元件的初始光电转换效率，且该等光伏元件的初始光电转换效率的一个平均值显示于表1中。在一个拟真日光照射的环境下，测试该等未经过本发明的方法处理过的光伏元件的光致衰减。量测该等经过光致衰减测试的光伏元件的光电转换效率，该等光伏元件的光电转换效率的一个平均值显示于表1中。一个衰减比例被计算并显示于表1中。
表1
利用本发明的方法将数十个光伏元件的温度保持在摄氏250度达到不同的时间区间(也就是五分钟、十分钟、及十二分钟)。利用本发明的方法分别在处理每一光伏元件前与后的该初始光电转换效率的差值除以利用本发明的方法在处理前的该初始光电转换效率，计算一个光电转换效率的平均衰减率(AverageReductionRation)。该等结果显示于表2中。
为比较的目的，利用公开在US8,263,176中的照光稳定处理(IlluminationStabilizationTreatment)将其他数十个光伏元件的温度保持在摄氏200度达到不同的时间区间(也就是十分钟及十五分钟)。利用公开在US8,263,176中的照光稳定处理的方法分别在处理每一光伏元件前与后的该初始光电转换效率，同样计算该光电转换效率的平均衰减率。该等结果显示于表2中。
表2
如表2所示，利用本发明的方法处理一光伏元件所造成的光电转换效率的衰减率是实质低于利用US8,263,176的照光稳定处理的方法处理一光伏元件所造成的光电转换效率的衰减率。
以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。

Claims (17)

1.一种抑制光伏元件的光致衰减的方法，其特征在于：其包含下列步骤：
(a)在没有环境光的干扰下，使用一个具有波长不小于300纳米的光线对该光伏元件作一个照光处理，以加热该光伏元件；及
(b)保持该光伏元件的温度高于该光伏元件的一个回火温度达到至少零点五分钟。
2.根据权利要求1所述的抑制光伏元件的光致衰减的方法，其特征在于：该光伏元件的温度被保持在低于摄氏600度。
3.根据权利要求2所述的抑制光伏元件的光致衰减的方法，其特征在于：在步骤(b)中，通过使用一个控温装置辅助地保持该光伏元件的温度。
4.根据权利要求3所述的抑制光伏元件的光致衰减的方法，其特征在于：该控温装置是由一个加热装置及一个冷却装置的其中至少一者来实施。
5.根据权利要求1所述的抑制光伏元件的光致衰减的方法，其特征在于：当步骤(b)实施时，还包含使用一个感测器侦测该光伏元件的温度。
6.根据权利要求1所述的抑制光伏元件的光致衰减的方法，其特征在于：该光伏元件包含一个掺硼、含氧的硅基材，该回火温度是摄氏230度。
7.根据权利要求6所述的抑制光伏元件的光致衰减的方法，其特征在于：该光伏元件的温度被保持在摄氏230度与摄氏577度间。
8.根据权利要求6所述的抑制光伏元件的光致衰减的方法，其特征在于：作该照光处理的该光线所具有的波长的范围在450纳米至1000纳米间。
9.根据权利要求1所述的抑制光伏元件的光致衰减的方法，其特征在于：该光伏元件包含一个照光面，该照光面的光强度高于0.5Sun。
10.根据权利要求9所述的抑制光伏元件的光致衰减的方法，其特征在于：该光强度的范围从0.9Sun至5Sun。
11.根据权利要求1所述的抑制光伏元件的光致衰减的方法，其特征在于：作该照光处理的该光线是从一个红外灯、一个卤素灯、一个半导体发光元件、及一个有机发光元件的其中至少一者所发出。
12.根据权利要求1所述的抑制光伏元件的光致衰减的方法，其特征在于：该光伏元件包含一个掺硼、含氧的硅基材，或一个掺硼与镓、含氧的硅基材。
13.一种抑制光伏元件的光致衰减的系统，其特征在于：其包含：
一个座体，包括一个沿一个长度方向延伸的顶壁、一个与该顶壁间隔设置的底壁、及一个设置于该顶壁与该底壁间的围绕壁，并界定出一个腔室，该围绕壁包含一个输入口，及一个在该长度方向上与该输入口相对的输出口；
一个发光源，安装于该顶壁，并组配成发射一个向下的照明光线；
一个输送装置，包括一个用来运送该光伏元件的输送部，该输送部组配成沿一个运转路线延伸，该运转路线由该输入口通到该输出口，并平行且邻近该底壁，以使得该光伏元件被该照明光线照射；
一个温度感测器，安装在该腔室内，以侦测该光伏元件的温度；
一个控温装置，调控该光伏元件的温度；及
一个控制器，组配成根据该温度感测器所侦测的温度，控制该发光源所发射的该光线及该控温装置。
14.根据权利要求13所述的抑制光伏元件的光致衰减的系统，其特征在于：该发光源包括一个红外灯、一个卤素灯、一个半导体发光元件、及一个有机发光元件的其中至少一者。
15.根据权利要求13所述的抑制光伏元件的光致衰减的系统，其特征在于：该控温装置包括一个冷却装置。
16.根据权利要求13所述的抑制光伏元件的光致衰减的系统，其特征在于：该控温装置包括一个加热装置。
17.根据权利要求15所述的抑制光伏元件的光致衰减的系统，其特征在于：该控温装置还包括一个加热装置。
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