CN109004061B - 晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试装置及方法 - Google Patents

晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试装置及方法，所述测试装置包括暗箱、样品测试台、温控装置、电源装置和图像采集装置，所述样品测试台、温控装置、电源装置和图像采集装置位于暗箱内，所述样品测试台用于放置太阳能电池片，所述温控装置用于控制太阳能电池片的温度，所述电源装置给太阳能电池片提供电流，所述图像采集装置用于采集太阳能电池片在不同温度和电流条件下的电致发光图像。该装置能够提供稳定的温度和电流，在不同的温度和电流条件下获取太阳能电池片的电致发光图像，可方便查看电池片激发缺陷和钝化缺陷的全过程，结构简单，测试方便。

Description

晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试装置及方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池片制造领域，特别涉及一种晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试装置及方法。
背景技术
太阳能作为一种清洁、可再生的能源，对它的利用一直被人们所关注。晶体硅太阳能电池是目前光伏市场上的主要产品，但是光致衰减(light-induced degradation，LID)问题极大限制了其规模化量产应用。市面上的光伏组件的初始光致衰减是由电池的初始光致衰减导致的，因此需对电池片抗光衰处理。对相应的缺陷及杂质进行钝化是抑制光致衰减的有效方式，主要机理是：光照或是电注入改变载流子浓度诱发复合中心的形成，同时改变电子的准费米能级，促进相应元素对复合中心进行钝化。为实现该注入方式，现行晶硅光伏太阳能电池抗LID技术主要是通过光热炉以及电注入退火炉实现的。
现有技术中采用的光注入退火设备主要为隧道式结构，隧道内安装有光源(卤素灯/LED/激光)，电池片经过隧道时，利用光源的光热技术对电池片加热到一定温度，从而实现对电池片的抗LID处理，可以有效抑制单晶钝化发射极及背局域接触电池(PassivatedEmitter Rear Contact，PERC)的光衰，将转换效率衰减结果从之前的3％～5％降低至1.5％以内。但是在实际测试中发现光照退化处理后电池片的输出不太稳定，还存在较大的衰减，同时功耗大、成本较高。因此提出采用电注入退火的方法进行抗光衰处理，能够很好地降低成本和保证电池的稳定性。
由于晶硅光伏太阳能电池的缺陷和杂质复杂，对于每种复合中心所需的温度和施加外电压都不尽相同。一旦超出相应的温度或施加外电压，已经丧失活性的复合中心就会被激活，单一的注入方式难以有效钝化所有复合中心。针对多种衰减机制，多晶的处理方式将存在多个子阶段，需要更长的处理时间。因此，为了更有效地钝化缺陷，知道太阳能电池片主要缺陷的种类及其处理条件，需要了解温度和电流在缺陷钝化和激活过程中的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试装置，该装置能够提供稳定的温度和电流，在不同的温度和电流条件下获取太阳能电池片的电致发光图像，可方便查看电池片激发缺陷和钝化缺陷的全过程，结构简单，测试方便。
本发明的另一个目的在于提供一种晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试方法，该方法在不同的温度和电流条件下分别获得太阳能电池片衰减速率和再生速率，通过数据分析，可以得出温度和电流对太阳能电池片衰减速率和再生速率的影响。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试装置，所述测试装置包括暗箱、样品测试台、温控装置、电源装置和图像采集装置，所述样品测试台、温控装置、电源装置和图像采集装置位于暗箱内，所述样品测试台用于放置太阳能电池片，所述温控装置用于控制太阳能电池片的温度，所述电源装置给太阳能电池片提供电流，所述图像采集装置用于采集太阳能电池片在不同温度和电流条件下的电致发光图像。
作为优选的技术方案，所述暗箱包括氮气注入口和排风口。从氮气注入口可注入氮气，氮气避免太阳能电池片在电注入退火测试过程中被氧化。
作为优选的技术方案，所述样品测试台包括上探针固定架、上探针排、下探针固定架和下探针排，所述上探针固定架固定所述上探针排，所述下探针固定架固定所述下探针排。
作为优选的技术方案，温控装置包括恒温加热台、温度传感器、温控开关和风扇，所述恒温加热台置于所述样品测试台的下方，所述温度传感器与太阳能电池片连接，所述风扇安装于暗箱的排风口处，温控开关用于控制风扇的通断电。
作为优选的技术方案，所述电源装置为恒流源。恒流源可为太阳能电池片提供稳定的电流。
作为优选的技术方案，所述图像采集装置包括相机、相机支架、相机固定块和滑块，所述相机通过相机固定块固定于相机支架上，所述相机通过滑块实现在相机支架上滑动。
本发明的另一个目的可以通过如下技术方案实现：
一种晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试方法，所述方法包括如下步骤:
接通温控装置，使太阳能电池片保持在恒定温度T；
将太阳能电池片放置于样品测试台上，连接电路，向太阳能电池片注入电流I，并获取太阳能电池片初始电致发光图像；
保持温度T和电流I不变，每隔一段时间获取一次电致发光图像，直到电致发光图像中的黑暗区域不变才停止；
通过分析电致发光图像中黑暗区域随时间变化情况来估计衰减时间tdeg和再生时间tre，即可得到相应的衰减速率Rdeg和再生速率Rre：
改变温度或电流，重复上述步骤，得到不同电注入退火条件下晶硅光伏电池长时间电致发光图像，从而分析得到不同电注入退火条件下的衰减速率Rdeg和再生速率Rre；
根据不同电注入退火条件下的衰减速率Rdeg和再生速率Rre，分析温度、电流对衰减速率Rdeg和再生速率Rre的影响。
作为优选的技术方案，温度T的范围为30-100℃，电流I的范围为0.1A-15A，拍照间隔范围为1-10分钟。
作为优选的技术方案，根据电注入退火测试方法得到温度对衰减速率Rdeg和再生速率Rre的影响可以拟合为以下方程：和/>其中T为温度，Ea为反应活化能，kB＝1.38×10-23J/K，A为频率因子。
作为优选的技术方案，根据电注入退火测试方法得到电流对衰减速率Rdeg和再生速率Rre的影响可以拟合为以下方程：和/>其中I为电流，a和b为影响因子。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明的测试装置是结合太阳能电池片电致发光检测与电注入退火为一体的测试装置，可以在电注入退火测试期间进行电致发光检测，减少了检测时间，降低测试能耗。
2、本发明采用的温控装置可根据检测到的太阳能电池片的温度控制风扇的通断，从而调节太阳能电池片的温度，提高降温速度，使测试环境维持在恒温状态，有效保证太阳能电池片在不同电注入退火条件下衰减和再生的稳定性。
3、本发明在获得不同时间段不同温度和电流条件下的电致发光图像，进行化学动力学分析，从而研究温度、电流对太阳能电池片衰减阶段和再生阶段的影响，可以为多阶段退火处理提供依据。
附图说明
图1是本发明实施例中暗箱的结构示意图
图2是本发明实施例中置于暗箱内的样品测试台、温控装置、电源装置和图像采集装置的结构示意图
图3是本发明实施例中晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试方法流程图
附图说明：1：计算机，2：下探针固定架，3：下探针排，4：太阳能电池片，5：载具架，6：滑块，7：相机支架，8：相机固定块，9：相机，10：上探针排，11：上探针固定架，12：温度传感器，13：温控开关，14：恒温加热台，15：恒流源，16：氮气注入口，17：暗箱，18：排风口，19：风扇
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1、2所示，本发明实施例中提供了一种晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试装置，该装置包括暗箱17、样品测试台、温控装置、电源装置和图像采集装置。样品测试台、温控装置、电源装置和图像采集装置位于暗箱17内。暗箱17为一个长方体结构，在暗箱的一个侧面开设有氮气注入口16，对称的另一个侧面开设有排风口18。可从氮气注入口16注入氮气，避免太阳能电池片在电注入退火测试过程中被氧化。暗箱17是不透光的，拍出的电致发光图像清晰度更好，准确性更高。
样品测试台包括上探针固定架11、上探针排10、下探针固定架2和下探针排3。上探针固定架11固定上探针排10，下探针固定架2固定下探针排3。太阳能电池片4放置在样品测试台上，上探针排10、下探针排3的每根探针都与和太阳能电池片4主栅精确接触，确保晶太阳能电池片4通电。
温控装置包括恒温加热台14、温度传感器12、温控开关13和风扇19。恒温加热台14置于样品测试台的下方，恒温加热台14最高可调控至450℃。温度传感器12是热电偶温度传感器，与太阳能电池片4连接。风扇19安装于暗箱17的排风口18处。温控开关13用于控制风扇19的通断电。温度传感器12将太阳能电池片的温度传输至温控开关13，通过温控开关13来控制风扇19的通断电，以保持太阳能电池片恒温。
电源装置为恒流源15，恒流源15通过耐高温电缆和上探针排10和下探针排3连接。上探针排10和下探针排3与太阳能电池片4的主栅精确接触，确保电流能够导通太阳能电池片4。
图像采集装置包括相机9、相机支架7、相机固定块8和滑块6。相机9为近红外相机，相机9通过相机固定块8固定于相机支架7上，通过滑块6实现在相机支架7上滑动。相机9用于获取电致发光图像，通过电致发光图像中黑暗区域的变化规律来分析电流和温度对衰减速率和再生速率的影响。图像采集装置和样品测试台安装在载具架5上，载具架5是为铝合金材料制成。
本发明实施例中还提供了一种晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试方法，所述方法包括如下步骤：
接通温控装置，使太阳能电池片保持在恒定温度T，T为50℃。
将太阳能电池片的主栅与上探针排10和下探针排3良好接触，连接电路，向太阳能电池片注入电流I，I为10A，并获取太阳能电池片初始电致发光图像。
保持温度T和电流I不变，每隔一段时间(5分钟)获取一次电致发光图像，直到电致发光图像中的黑暗区域不变才停止。
通过分析电致发光图像中黑暗区域随时间变化情况来估计衰减时间tdeg和再生时间tre，即可得到相应的衰减速率和再生速率/>如根据实验选取0h、4h、10h、27h、45h、66h、90h、140h时刻所对应的电致发光图像进行黑暗区域的变化情况分析。(A)通过0h到10h可以对比出整个电致发光图像在变暗，并且比较均匀，有少数区域黑暗程度较为明显，衰减平稳，衰减速率小；(B)从10h到27h这一时间段，图像中黑暗区域变得更加均匀化，几乎没有明显突出的区域，衰减速率没有出现较大的波动；(C)但是到了45h后，图像中多处出现了明显的局域暗块，形成鲜明对比，衰减发生突变，衰减速率急剧增加；(D)从66h到90h这一时间段，暗块在消失，慢慢向中心区域移动，处于衰减和再生的动态平衡中，总体而言衰减在减少，再生速率在增加；(E)最后90h到140h，衰减逐渐消失，以再生为主体，再生速率较为稳定，最终图像和初始图像相比，依旧残留很少的暗痕，但是可以忽略。
改变温度或电流，重复上述步骤，得到不同电注入退火条件下晶硅光伏电池长时间电致发光图像，从而分析得到不同电注入退火条件下的衰减速率Rdeg和再生速率Rre。
根据不同电注入退火条件下的衰减速率Rdeg和再生速率Rre，分析温度、电流对衰减速率Rdeg和再生速率Rre的影响。
太阳能电池片4可以为掺B、掺Ga、掺Ge的单晶硅电池片或多晶硅电池片，并且最好选择同一厂家同一规格的太阳能电池片，保证测试结果的稳定性。温度T的范围为30-100℃，电流I的范围为0.1A-15A，拍照间隔范围为1-10分钟。
经过多次测试，获得温度对衰减速率Rdeg和再生速率Rre的影响可以拟合为以下方程：
和/>
其中T为温度，Ea为反应活化能，Ea＝0.5921，kB＝1.38×10-23J/K，A为频率因子，A＝1.42×10-8。
经过多次测试，获得电流对衰减速率Rdeg和再生速率Rre的影响可以拟合为以下方程：
和/>其中I为电流，a和b为影响因子，a＝-3.11，b＝67。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤:
接通温控装置，使太阳能电池片保持在恒定温度T；
将太阳能电池片放置于样品测试台上，连接电路，向太阳能电池片注入电流I，并获取太阳能电池片初始电致发光图像；
保持温度T和电流I不变，每隔一段时间获取一次电致发光图像，直到电致发光图像中的黑暗区域不变才停止；
通过分析电致发光图像中黑暗区域随时间变化情况来估计衰减时间tdeg和再生时间tre，即可得到相应的衰减速率Rdeg和再生速率Rre：
改变温度或电流，重复上述步骤，得到不同电注入退火条件下晶硅光伏电池长时间电致发光图像，从而分析得到不同电注入退火条件下的衰减速率Rdeg和再生速率Rre；
根据不同电注入退火条件下的衰减速率Rdeg和再生速率Rre，分析温度、电流对衰减速率Rdeg和再生速率Rre的影响。
2.根据权利要求1所述的一种晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试方法，其特征在于，温度T的范围为30-100℃，电流I的范围为0.1A-15A，拍照间隔范围为1-10分钟。
3.根据权利要求1所述的一种晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试方法，其特征在于，根据电注入退火测试方法得到温度对衰减速率Rdeg和再生速率Rre的影响可以拟合为以下方程：和/>其中T为温度，Ea为反应活化能，kB＝1.38×10-23J/K，A为频率因子。
4.根据权利要求1所述的一种晶硅光伏太阳能电池电注入退火测试方法，其特征在于，根据电注入退火测试方法得到电流对衰减速率Rdeg和再生速率Rre的影响可以拟合为以下方程：和/>其中I为电流，a和b为影响因子。
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