CN111081815B - 一种降低掺硼perc电池载流子衰减的方法、设备及电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，其包括：(1)降低太阳能电池片的光致衰减；(2)将所述太阳能电池片在300‑600℃进行退火；(3)将所述太阳能电池片预热至120‑250℃；(4)在一定温度条件下，向太阳能电池片通入电流；(5)将所述太阳能电池片冷却至室温；本发明通过退火、预热、多次电注入、冷却的工艺，有效降低了氢化衰减和杂质引起的衰减，同时促进了H和B‑O复合体由不稳定态再生恢复为钝化稳定态，从而有效降低太阳电池的CID衰减率。本发明还公开了一种降低掺硼PERC电池在载流子衰减的设备，其可嵌入现有生产线，适合大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法、设备及电池。
背景技术
随着光伏行业的快速发展，太阳电池主流产品已从传统铝背场电池全面切换到高效PERC电池，转换效率大幅提升。然而，随着电池效率的不断刷新，高效太阳电池组件质量和可靠性要求也日趋严格，而载流子诱导衰减(CID：Carrier Induced Degradation)已逐渐成为制约光伏产业发展的关键问题之一。
CID是指太阳能电池及组件在载流子注入的过程中引起的功率衰减现象。目前对有关这种载流子引起的衰减机理尚未达成共识，且相关的监控标准尚未制定和实行。光伏业内目前对CID机理推测含以下几种原因：1)光致衰减(LID:light InducedDegradation)：电池在光照过程中引起的功率衰减，业内普遍认为LID主要受硼氧复合体和硼铁对引起，硼氧缺陷态理论相对比较成熟。其衰减可达到3-7％，有些甚至可高达10％；2)光热衰减(LeTID：Light and elevated Temperature Induced Degradation)：是指电池在高温以及光照条件下引起的功率衰减，其衰减可达到10％左右；3)氢致衰减(HID:HydrogenInduced Degradation)，钝化杂质和缺陷部位的氢键很容易由于高温和光照受到破坏，氢进入硅片体内，过多的氢诱发形成复合中心引起衰减；4)金属溶解分散理论，金属沉淀在高温快烧的过程中分散形成间隙金属离子，金属原子可激活杂质，引起衰减。
在现有技术中，多集中于对LID衰减的研究，如专利CN105552173B提供了一种降低B掺杂晶硅太阳电池光致衰减的方法，其在不同温度下采用不同光强对硅片进行不同时间的光照处理，有效降低了LID；又如专利CN109616555A提供了一种提高太阳能电池抗光衰能力的方法，其在不同温度下向电池片注入递减式电流，将LID降低至0.9％。
然而，LeTID、HID以及金属杂质造成的衰减与LID并不相同；LID的测试温度比较低，无法充分暴露PERC电池高温衰减的风险。发明人通过测试发现：常规的硅片在经过LID衰减处理以后，LID衰减虽然降低到了1％左右，但CID仍然在2-4％左右，可见采用常规的LID处理方式无法有效地降低CID。因此如何充分降低太阳能电池的CID衰减是行业亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，其能有效降低太阳能电池CID衰减，提升电池效率和可靠性。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的设备。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种降低掺硼PERC电池，其电池效率高，可靠性高。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，其包括：
(1)降低太阳能电池片的光致衰减；
(2)将所述太阳能电池片在300-600℃进行退火；
(3)将所述太阳能电池片预热至120-250℃；
(4)在第一温度下，向所述太阳能电池片通入第一电流，处理第一时间；
(5)在第二温度下，向所述太阳能电池片通入第二电流，处理第二时间；
(6)在第n温度下，向所述太阳能电池片通入第n电流，处理第n时间；
(7)将所述太阳能电池片冷却至室温；
其中，第一电流≥第二电流≥第n电流；第一温度≥第二温度≥第n温度；第一时间≥第二时间≥第n时间，n为大于等于3的正整数。
作为上述技术方案的改进，所述第一电流、第二电流、第n电流为8-12A；
所述第一温度、第二温度、第n温度为120-250℃。
作为上述技术方案的改进，所述第一电流、第二电流、第n电流为8-10A；
所述第一温度、第二温度、第n温度为120-180℃。
作为上述技术方案的改进，n为大于等于5且小于等于15的正整数。
作为上述技术方案的改进，向所述太阳能电池片通入电流的总时间为15-60min。
作为上述技术方案的改进，步骤(2)包括：
(2.1)将所述太阳能电池片以10-40℃/s的速率升温至300-600℃，升温时间为10-30s；
(2.2)将所述太阳能电池片在300-600℃保温2-15s；
(2.3)将所述太阳能电池片以2-10℃/s的速率降温至60℃以下，降温时间为5-90s。
作为上述技术方案的改进，步骤(2)包括：
(2.1)将所述太阳能电池片以10-30℃/s的速率升温至350-450℃，升温时间为10-20s；
(2.2)将所述太阳能电池片在350-450℃保温4-10s；
(2.3)将所述太阳能电池片以2-10℃/s的速率降温至室温，降温时间为40-90s。
作为上述技术方案的改进，步骤(3)中，升温速率为50-100℃/min，预热时间为5-10min。
相应的，本发明还公开了一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的设备，其特包括用于传送太阳能电池片的传输带和依次设于所述传送带上的热退火装置和电热处理装置；
所述电热处理装置包括依次设于所述传送带上的第一电注入台、第二电注入台和第n电注入台；所述第一电注入台具有第一温度，其注入电流为第一电流，处理时间为第一时间；所述第二电注入台具有第二温度，其注入电流为第二电流，处理时间为第二时间；所述第n电注入台具有第n温度，其注入电流为第n电流，处理时间为第n时间；
其中，第一电流≥第二电流≥第n电流；第一温度≥第二温度≥第n温度；第一时间≥第二时间≥第n时间，n为大于等于3的正整数。
相应的，本发明还公开了一种掺硼PERC电池，其通过上述的方法进处理而得。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供了一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，其包括热退火、预热、多次电注入和冷却；其中，热退火过程可有效的激活太阳能电池片内的H和金属杂质，并且使H排出，使金属杂质沉淀，有效降低氢致衰减和金属杂质引起的CID衰减。预热工序可有效激活太阳电池内部的H和B-O复合体；电注入处理则可有效促进H和B-O的转换，使得B-O复合体由不稳定态再生恢复为钝化稳定态，从而有效降低太阳电池的CID衰减率。
同时，本发明还提供了一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的设备，其可嵌入现有生产线，适合大规模工业化生产。
附图说明
图1是本发明一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或一起未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
传统的降低光致衰减(LID)的方法无法有效降低载流子诱导衰减(CID)，降低了太阳能电池的效率和可靠性。为此，本发明提供了一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，参考图1，其包括以下步骤：
S1：降低太阳能电池片的光致衰减；
具体的，可采用电注入、光热再生、退火等方式中的一种或组合降低太阳能电池片的光致衰减，但不限于上述方法。具体的，可采用例如ZL201610091453.9或ZL201811542505.5中的方法降低太阳电池的光致衰减(LID)。
需要说明的是，载流子衰减(CID)与光致衰减(LID)是不同的。两者的产生机理、测试方法均不同。对于产生机理方面而言，目前学界对于LID的产生机理有明确的认识——主要是硅材料内的硼氧对和铁硼对缺陷；但对于CID的产生机理尚未有明确的结论，LID与CID之间究竟有何种关系，也未有明确的结论。对于测试方法而言，两者的测试条件也是不同的。LID的测试条件是：1)光照强度在1000±50W；2)光衰设定5kW·h或30kW·h；3)样品温度调整控制在60-70℃。CID的测试条件是：将太阳电池放置在110℃封闭暗室中，在0.5A连续正向电流通电条件下持续处理8h。虽然两者不同之处较多，但可以肯定的是，LID和CID两者都对太阳能电池性能影响巨大，需要对两者都进行处理。然而，在现有文献中，多集中于对LID的处理，往往忽视对CID的处理。发明人经过研究发现，在LID处理以后，LID会降低至1％左右，但是CID仍然可达到2-4％，可见，LID处理方法并不能有效地降低CID。为此，本发明还进行了下续步骤的处理：
S2：将所述太阳能电池片在300-600℃进行退火
具体的，S2包括：
S21：将所述太阳能电池片以10-40℃/s的速率升温至300-600℃，升温时间为10-30s；
具体的，快速升温可激活太阳能电池中的H和金属杂质。
优选的，将所述太阳能电池片以10-30℃/s的速率升温至350-450℃，升温时间为10-20s。在此条件下，太阳能电池中的无效H和金属杂质能够被有效地激活。
S22：将所述太阳能电池片在300-600℃保温2-15s；
在较高温度(300-600℃)下保温，可以促进H快速分解成H+、H-和H0，并且也可以有效地延长各种H的扩散长度，确保无效H能被有效地排出太阳能电池片外，防止过多的H在高温和载流子注入后重新捕获H-，造成较高的CID衰减。此外，在较高温度下保温，也能够促进硅片内Cu、Fe、Ni等杂质的激活和聚集，方便后期进行沉淀处理。
优选的，将所述太阳能电池片在350-450℃保温4-10s。若处理时间＞10s，则太阳能电池片中的有效H也会被排出，造成太阳电池体内H钝化不足，电池转换效率降低。
S23：将所述太阳能电池片以2-10℃/s的速率降温至60℃以下，降温时间为5-90s。
通过降温，可使得被激活的金属杂质转化为沉淀形式，降低金属所引发的CID衰减。高温使得金属原子迁移至正常晶格内，当降温速率＞10℃/s时，金属原子容易形成高度电活性点缺陷，造成材料少子寿命降低，即CID衰减提升。
优选的，降温速率为2-5℃/s，降温时间为40-90s，降温至室温。
S3：将退火后的太阳能电池片预热至120-250℃；
热退火过程排出了大量的无效H，也会造成太阳能电池内有效H的排出，导致太阳能电池内钝化不足。为此，采用预热激活介质膜中的H，使其进入太阳电池内部。同时预热也可促进B-O复合体转化为退火态，在后续工序中通过电注入处理后转换为再生态，有利于对CID进行充分处理。
其中，预热温度为120-250℃，预热升温速率为50-100℃/min，预热时间为5-10min；在此预热条件下，可有效控制H的扩散长度，防止介质膜中的有效H被大量排出太阳能电池片；同时也能保证H具有足够的扩散长度，能够与B-O复合体充分接触。
优选的，上述预热在氮气气氛中进行，以防止在硅片中引入O，形成更多的B-O缺陷。
S4：在一定温度条件下，向所述太阳能电池片通入电流；
具体的，S4包括n个阶段：
S41：在第一温度下，向所述太阳能电池片通入第一电流，处理第一时间；
S42：在第二温度下，向所述太阳能电池片通入第二电流，处理第二时间；
S4n：在第n温度下，向所述太阳能电池片通入第n电流，处理第n时间；
其中，n为大于等于3的正整数。第一温度、第二温度、第n温度为120-250℃，第一电流、第二电流、第n电流为8-12A；第一时间+第二时间+第n时间为15-60min。优选的，第一温度、第二温度、第n温度为120-180℃，第一电流、第二电流、第n电流为8-10A；第一时间+第二时间+第n时间为15-40min。
在电注入处理的过程中，预热激活的H向着H-、H+、H0转化，退火态B-O复合体与H-结合，钝化形成再生态。为了控制上述过程，控制温度为120-180℃，具体的，当温度超过180℃时，H的扩散长度较大，容易从硅片溢出，无法有效与B-O复合中心结合。当温度＜120℃时，H的转换作用较差，无法钝化衰减态的B-O复合体。
进一步的，在电注入过程中，控制第一电流≥第二电流≥第n电流；第一温度≥第二温度≥第n温度，可在不同时间点形成梯度钝化，确保太阳能电池片中H和B-O的有效转化，进而有效降低CID衰减。
优选的，本发明中，n为大于等于5且小于等于15的正整数，即对太阳能电池片进行5-15次的电注入操作；进一步优选的，n取值为9，即对太阳能电池片进行9次的电注入操作。
S5：将所述太阳能电池片冷却至室温；
其中，采用降温风扇将太阳能电池片冷却，冷却时间为5-15min。具体的，冷却时间可为5min、8min、10min、12min、15min，但不限于此。
相应的，本发明还公开了一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的设备，包括用于传送太阳能电池片的传输带和依次设于所述传送上的热退火装置和电热装置。
所述电热处理装置包括依次设于所述传送带上的第一电注入台、第二电注入台和第n电注入台；所述第一电注入台具有第一温度，其注入电流为第一电流，处理时间为第一时间；所述第二电注入台具有第二温度，其注入电流为第二电流，处理时间为第二时间；所述第n电注入台具有第n温度，其注入电流为第n电流，处理时间为第n时间；
其中，第一电流≥第二电流≥第n电流；第一温度≥第二温度≥第n温度；第一时间≥第二时间≥第n时间，n为大于等于3的正整数。
相应的，本发明还公开了一种掺硼PERC电池，其通过上述方法进行处理而得。优选的，所述一种掺硼PERC电池为单晶硅太阳能电池。
下面以具体实施例进一步说明本发明：
实施例1
本实施例提供一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，具体包括以下步骤：
(1)降低太阳能电池片的光致衰减；
具体的，采用ZL201610091453.9的方法降低太阳能电池片的光致衰减；经过此步骤后，LID为1.1％；CID为3.5％；
(2)将太阳能电池片在350℃退火；
具体的，包括：
(2.1)将太阳能电池片以33℃/s的速率升温至350℃，升温时间为10s；
(2.2)在350℃保温4s；
(2.3)将太阳能电池片以10℃/s的速率冷却至50℃，降温时间为30s。
(3)将太阳能电池片预热至200℃；
其中，升温速率为50℃/min，预热时间为6min；
(4)对太阳能电池片进行电注入处理，具体电注入工艺如下表：
(5)将太阳能电池片降温至室温；
其中，采用采用降温风扇将太阳能电池片冷却，冷却时间为15min。
实施例2
本实施例提供一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，具体包括以下步骤：
(1)降低太阳能电池片的光致衰减；
具体的，采用ZL201811542505.5的方法降低太阳能电池片的光致衰减；经过此步骤后，LID为0.9％；CID为2.3％；
(2)将太阳能电池片在400℃退火；
具体的，包括：
(2.1)将太阳能电池片以25℃/s的速率升温至400℃，升温时间为15s；
(2.2)在400℃保温5s；
(2.3)将太阳能电池片以6℃/s的速率冷却至58℃，降温时间为57s。
(3)将太阳能电池片预热至240℃；
其中，升温速率为30℃/min，预热时间为9min；
(4)对太阳能电池片进行电注入处理，具体电注入工艺如下表：
(5)将太阳能电池片降温至室温；
其中，采用降温风扇将太阳能电池片冷却，冷却时间为8min。
实施例3
本实施例提供一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，具体包括以下步骤：
(1)降低太阳能电池片的光致衰减；
具体的，采用ZL201811542505.5的方法降低太阳能电池片的光致衰减；经过此步骤后，LID为0.9％；CID为2.3％；
(2)将太阳能电池片在400℃退火；
具体的，包括：
(2.1)将太阳能电池片以25℃/s的速率升温至400℃，升温时间为15s；
(2.2)在400℃保温5s；
(2.3)将太阳能电池片以5℃/s的速率冷却至30℃，降温时间为74s。
(3)将太阳能电池片预热至240℃；
其中，升温速率为30℃/min，预热时间为9min；
(4)对太阳能电池片进行电注入处理，具体电注入工艺如下表：
(5)将太阳能电池片降温至室温；
其中，采用降温风扇将太阳能电池片冷却，冷却时间为8min。
实施例4
本实施例提供一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，具体包括以下步骤：
(1)降低太阳能电池片的光致衰减；
具体的，采用ZL201811542505.5的方法降低太阳能电池片的光致衰减；经过此步骤后，LID为0.9％；CID为2.3％；
(2)将太阳能电池片在400℃退火；
具体的，包括：
(2.1)将太阳能电池片以25℃/s的速率升温至400℃，升温时间为15s；
(2.2)在400℃保温5s；
(2.3)将太阳能电池片以5℃/s的速率冷却至30℃，降温时间为74s。
(3)将太阳能电池片预热至240℃；
其中，升温速率为30℃/min，预热时间为9min；
(4)对太阳能电池片进行电注入处理，具体电注入工艺如下表：
(5)将太阳能电池片降温至室温；
其中，采用降温风扇将太阳能电池片冷却，冷却时间为8min。
对比例1
本对比例提供一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，具体包括以下步骤：
(1)降低太阳能电池片的光致衰减；
具体的，采用ZL201811542505.5的方法降低太阳能电池片的光致衰减；经过此步骤后，LID为0.9％；CID为2.3％；
(2)采用ZL201610091453.9的方法对太阳电池进行一次处理。
对比例2
本对比例提供一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，具体包括以下步骤：
(1)降低太阳能电池片的光致衰减；
具体的，采用ZL201811542505.5的方法降低太阳能电池片的光致衰减；经过此步骤后，LID为0.9％；CID为2.3％；
(2)将太阳能电池片在400℃退火；
具体的，包括：
(2.1)将太阳能电池片以25℃/s的速率升温至400℃，升温时间为15s；
(2.2)在400℃保温5s；
(2.3)将太阳能电池片以5℃/s的速率冷却至30℃，降温时间为74s。
(3)采用ZL201811542505.5的方法对太阳电池进行一次处理。
将实施例1-4、对比例1-2的太阳能电池片做测试，结果如下：
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例1 | 对比例2 | |
| LID | 0.9％ | 0.64％ | 0.51％ | 0.36％ | 0.81％ | 0.77％ |
| CID | 2.25％ | 1.22％ | 1.06％ | 0.88％ | 2.1％ | 2.01％ |
以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，其特征在于，包括：
(1)降低太阳能电池片的光致衰减；
(2)将所述太阳能电池片在300-600℃进行退火；
(3)将所述太阳能电池片预热至120-250℃；
(4)在第一温度下，向所述太阳能电池片通入第一电流，处理第一时间；
(5)在第二温度下，向所述太阳能电池片通入第二电流，处理第二时间；
(6)在第n温度下，向所述太阳能电池片通入第n电流，处理第n时间；
(7)将所述太阳能电池片冷却至室温；
其中，第一电流≥第二电流≥第n电流；第一温度≥第二温度≥第n温度；第一时间≥第二时间≥第n时间，n为大于等于3的正整数；
步骤(2)包括：
(2.1)将所述太阳能电池片以10-40℃/s的速率升温至300-600℃，升温时间为10-30s；
(2.2)将所述太阳能电池片在300-600℃保温2-15s；
(2.3)将所述太阳能电池片以2-10℃/s的速率降温至60℃以下，降温时间为5-90s；
步骤(3)中，升温速率为50-100℃/min，预热时间为5-10min。
2.如权利要求1所述的降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，其特征在于，所述第一电流、第二电流、第n电流为8-12A；
所述第一温度、第二温度、第n温度为120-250℃。
3.如权利要求2所述的降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，其特征在于，所述第一电流、第二电流、第n电流为8-10A；
所述第一温度、第二温度、第n温度为120-180℃。
4.如权利要求1所述的降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，其特征在于，n为大于等于5且小于等于15的正整数。
5.如权利要求1所述的降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，其特征在于，向所述太阳能电池片通入电流的总时间为15-60min。
6.如权利要求1所述的降低掺硼PERC电池载流子衰减的方法，其特征在于，步骤(2)包括：
(2.1)将所述太阳能电池片以10-30℃/s的速率升温至350-450℃，升温时间为10-20s；
(2.2)将所述太阳能电池片在350-450℃保温4-10s；
(2.3)将所述太阳能电池片以2-10℃/s的速率降温至室温，降温时间为40-90s。
7.一种降低掺硼PERC电池载流子衰减的设备，其特征在于，包括用于传送太阳能电池片的传输带和依次设于所述传输带上的热退火装置和电热处理装置；
所述电热处理装置包括依次设于所述传输带上的第一电注入台、第二电注入台和第n电注入台；所述第一电注入台具有第一温度，其注入电流为第一电流，处理时间为第一时间；所述第二电注入台具有第二温度，其注入电流为第二电流，处理时间为第二时间；所述第n电注入台具有第n温度，其注入电流为第n电流，处理时间为第n时间；
其中，第一电流≥第二电流≥第n电流；第一温度≥第二温度≥第n温度；第一时间≥第二时间≥第n时间，n为大于等于3的正整数；
所述热退火装置的操作方法包括：
将所述太阳能电池片以10-40℃/s的速率升温至300-600℃，升温时间为10-30s；
将所述太阳能电池片在300-600℃保温2-15s；
将所述太阳能电池片以2-10℃/s的速率降温至60℃以下，降温时间为5-90s。
8.一种掺硼PERC电池，其特征在于，其通过如权利要求1-6任一项所述的方法处理而得。
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