CN108899392A - 一种确定单晶硅电池的电注入最佳处理时间的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定单晶硅电池的电注入最佳处理时间的方法,将单晶硅电池处于电注入退火温度并保持上述温度;对电池两端施加恒定电流源,电流方向从电池PN结的P型端流入,从N型端流出,设置恒定电流源不变,开始进行并计时;实时监测电池两端的电压值;a)如果电压值下降或增长,继续电注入处理过程;b)如果电压值不再变化,电注入处理结束,计时结束,得到处理时间减去判断时间即为最佳的处理时间。

Description

一种确定单晶硅电池的电注入最佳处理时间的方法
技术领域
本发明涉及到单晶硅太阳电池的生产制造、工艺优化和品质监控领域。
背景技术
目前,单晶硅太阳电池在光伏市场上的占有率稳步上升,有逐渐超越和代替多晶硅太阳电池的趋势。其中直拉法(Czochralski法)制备的掺硼P型单晶硅片衬底以其低成本和高质量目前仍然是单晶硅太阳电池主流配置。但基于这种硅片的电池,其效率提升却受到光致衰退现象的制约。光致衰退(LID,Light Induced Degradation,下文简称光衰)是指太阳电池在使用初期,其转换效率会有一定下降并稳定在较低水平。光衰产生的原因是直拉法制备中杂质氧含量较高,在光照下,在硅片内部会形成硼氧(BO)复合体,从而形成光生载流子的复合中心,妨碍电池效率。当前,晶体硅太阳电池制备技术正经历着从铝背表面电场(Al-BSF,Al-Back Surface Field)电池结构转型为钝化反射极和背面电池结构(PERC,Passivated Emitter Rear Cell)的大规模产业升级。对比Al-BSF电池,PERC电池的衬底硅片的表面钝化质量更高,这使得PERC电池的光衰现象更为严重,亟待解决。实验已经证明,如果在电池两端对电池的PN结施加正偏直流电流,同时对电池进行一定温度的退火,即所谓“电注入”处理,可以显著降低电池的光衰水平。因此,电注入有三个工艺参数:直流电流水平,电池温度和处理时间。经历不同的生产工艺制备的单晶硅电池需要配合不同的电注入工艺参数,才能获得最小的光衰程度,即需要最佳工艺参数。特别是处理时间存在一个最优值,过短电注入效果不明显,过长则影响电注入设备的产能。
一般摸索最优处理的时间的方法是,采用电池样品施加不同的处理时间进行电注入处理,并且设定参照组电池(即无任何处理),对两组电池进行光衰实验,再对比光衰后两组电池的效率。所谓光衰实验是指,在室温附近(一般低于60℃)令电池在一定光强照射下(一般为100mW/cm2)保持一段时间(一般为至少5小时)。在光衰试验前后,在标准条件下(25℃,100mW/cm2,AM1.5G)测量电池的效率,一般用电池效率降低的百分比指示光衰的程度。本专利提出一种方法,可以在电注入处理过程中直接确定最佳的处理时间。无需参照组电池,无需光衰实验,节省工艺开发的时间。可以作为一种品控的自动监控功能集成在电注入设备上。
发明内容
本发明要解决的技术问题
本专利根据掺硼P型晶体硅中的硼氧复合体的状态转换机制,提出一种在晶体硅太阳电池的抗光衰处理的电注入工艺过程中优化最佳处理时间的方法。采用本发明专利的技术方案无需采用电池参照组,也无需做光致衰退试验,极大地节省工艺研发时间、人力成本和电池样品消耗。该方法可以集成到电注入设备中由计算机程序控制,在电注入工艺过程中自动判断最佳处理时间。
本专利技术方案的原理
掺硼P型单晶硅太阳电池因其硅片衬底内硼氧(BO)复合体的对载流子的复合机制的变化,电池性能在宏观上表现为三个状态:退火态,衰减态和再生态,电池总是处于某个状态中或两个状态的过渡中,相互转变关系如图1。
产线上刚刚制备出的电池往往处于退火态,表现为电池效率较高,进行光衰实验后效率显著降低,光衰值很高进入衰减态。如果对刚刚制备出的电池直接进行电注入处理,实验表明随着处理时间增长,电池会经历效率变差然后又变好的过程,而且效率变好后会稳定在某一数值附近,即经历了衰减态然后进入再生态,如图1。
将处于再生态的电池进行光衰试验,发现光衰值会非常低。上述电池性能的变化,仅来自于硅片内BO复合体的状态变化,这都反映在电池的反向饱和电流(I0)的变化上:I0提高时电池性能恶化,表现在电池短路电流(ISC)、开路电压(VOC)和填充因子(FF)的降低;I0降低时电池性能好转,表现在电池短路电流(ISC)、开路电压(VOC)和填充因子(FF)的提高。电池的暗态电流-电压性能大体上符合如下的理想公式,
其中I0是反向饱和电流,q是单位电荷,V是电池两端电压,T是温度,k是玻尔兹曼常数。可以看到,如果保持电池正偏直流电流不变,I0的提高可以使得对应的正偏电压降低,I0的降低可以使得对应的正偏电压提高。因此,在电注入中如果电流恒定,根据公式(1)可预见电池的两端的电压随着电注入处理过程的进行,经历先衰减再升高并饱和,如图2所示,电池两端的电压从V0到V1电压是逐渐减小,从V1到V2电压逐渐增大。电池两端电压的饱和意味着电池性能不会继续好转,那么这次处理的抗光衰效果已达到最大程度。因此,只要监控电注入中电压情况就可以判断电注入目前的处理水平。
根据上述原理,本发明专利的技术方案如下:
1.电注入处理可以针对一个或多个P型单晶硅太阳电池;如选取多个电池进行电注入的情况下,电池之间采用串联连接;
2.将电池温度处于所设置的电注入退火温度上并保持温度,可以选择的温度值60-250℃。
3.对电池两端或者串联的电池两端组施加恒定电流源,电流方向从电池PN结的P型端流入,从N型端流出,并设置恒定电流源不变,开始进行并计时,进入电注入处理过程,恒定电流值可以选择的范围为1A-50A。
4.在电处理过程中,实时监测电池两端的电压值;
a)如果电压值下降或增长,继续电注入处理过程;
b)如果电压值不再变化(判断时间为1-20min),电注入处理结束,计时结束,得到处理时间减去判断时间即为最佳的处理时间。当最佳处理时间确定后,相同工艺制备的电池可以直接采用最佳处理时间处理。
这样比较测量的端电压和处理时间,会得到最优的电注入工艺条件;可以将上述参数的控制集成到计算机程序中,计算机程序控制电注入进行最佳处理时间的判断。
有益效果
与现有技术相比,本发明无需参照组电池,无需光衰实验,节省工艺开发的时间。可以作为一种品控的自动监控功能集成在电注入设备上。
附图说明
图1单晶硅电池性能表现为三种状态;(1)是进行光衰实验,(2)是电注入处理。
图2在固定注入电流和电池温度的电注入处理过程中,监控电池的两端电压随时间的变化。
具体实施方式
下面以165mm×165mm面积的P型单晶硅太阳电池为例,对本发明的技术方案做进一步的说明。
1.采用400片165mm×165mm面积的P型单晶硅太阳电池串联连接。
2.将太阳电池加热到电注入所需退火温度,如175℃,并保持太阳电池处于该175℃温度下。
3.对该串联的电池组两端施加恒定电流源,电流方向从电池PN结的P型端流入,从N型端流出,设置恒定电流源为5A,并保持恒定,同时保持电池温度175℃不变;开始计时。
4.观察电处理过程中,串联电池组两端电压的变化情况先变低再升高并饱和,表明电池从退火态经过衰减态进入到再生态;此时,结束电注入过程,获得针对该批次电池的最佳处理时间,例如2小时。
5.相同工艺制备的电池的电注入的时间,直接采用上述的最佳处理时间处理。

Claims (6)

1.一种确定单晶硅电池的电注入最佳处理时间的方法,其特征在于:
将单晶硅电池处于电注入退火温度并保持上述温度;
对电池两端施加恒定电流源,电流方向从电池PN结的P型端流入,从N型端流出,设置恒定电流源不变,开始进行并计时;
实时监测电池两端的电压值;
a)如果电压值下降或增长,继续电注入处理过程;
b)如果电压值不再变化,电注入处理结束,计时结束,得到处理时间减去判断时间即为最佳的处理时间。
2.根据权利要求1所述的一种确定单晶硅电池的电注入最佳处理时间的方法,其特征在于:选取多个单晶硅电池,多个单晶硅电池之间采用串联连接;对串联的电池组两端施加恒定电流源。
3.根据权利要求1所述的一种确定单晶硅电池的电注入最佳处理时间的方法,其特征在于:所述单晶硅电池的电注入退火温度范围为60-250℃。
4.根据权利要求1或2所述的一种确定单晶硅电池的电注入最佳处理时间的方法,其特征在于:对电池或者串联的电池组两端施加恒定电流源的电流值范围为1A-50A。
5.根据权利要求1所述的一种确定单晶硅电池的电注入最佳处理时间的方法,其特征在于:当最佳处理时间确定后,相同工艺制备的电池的电注入直接采用所述的最佳处理时间处理。
6.根据权利要求1所述的一种确定单晶硅电池的电注入最佳处理时间的方法,其特征在于:所述确定单晶硅电池的电注入的最佳时间的方法可以由计算机程序控制。
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