TW201603305A - 抑制光伏元件之光致衰減的方法 - Google Patents

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Abstract

一種抑制光伏元件之光致衰減的方法，係以寬頻光照射光伏元件。寬頻光中的長波長光與短波長光以及所產生的熱一起作用達成對光伏元件抑制光致衰減的效果，其中所產生的加熱光伏元件之溫度範圍為約高於230℃。

Description

抑制光伏元件之光致衰減的方法
本發明係關於一種光伏元件之光致衰減(light-induced degradation,LID)的方法。
光伏元件大多存在光致衰減效應。以結晶矽做為基材的矽基太陽能電池為例，由於結晶矽在成長過程中摻入了雜質，對矽基太陽能電池的初期光照會導致其中的摻雜劑(例如，硼)與氧、鐵等雜質形成複合中心，從而使矽片的少數載子生命週期降低，引發矽基太陽能電池的光電轉換效率下降，發生較大幅度的光致衰減。
關於降低光伏元件的光致衰減效應的先前技術如下所述。
有基於柴可拉斯基法(Czochralski,Cz)且可降低和控制單晶的氧含量之的磁場直拉法(Magnetic Czochralski,MCz)。然而，由於更複雜的生產，利用MCz法製造的單晶較一般利用Cz法製造的單晶更昂貴。
也有基於降低結晶矽中硼濃度的方法。計算已顯示，對於光伏元件的最佳光電轉換效率可藉由使用具有硼濃度約1×1016cm-3之矽基板來而達成。採用硼濃度低於1×1016cm-3之矽基板製成的光伏元件其光致衰減效應雖然減緩，但是其生產後及時的光電轉換也降低。
也有利用區熔單晶法(float-zone,FZ)拉製單晶。利用FZ法製成的晶圓具有最高的品質，但也最昂貴，且主要 應用於電子領域。
也有使用其他摻雜劑(例如，鎵)取代硼作為P型摻雜劑的長晶方法。然而，由於鎵在矽中的溶解度行為具有決定性的缺點，也就是鎵在整體晶體中均勻分佈極度不可能達成。因此，於工業規模生產上，可預期會有大量的廢品，使得此做法目前無法被視為工業上可行的。
採用磷作為N型摻雜劑的長晶方法。然而，在現有的光伏產業中，N型基板仍不普遍，這會需要整個生產處理的修改。
再者，也有將光伏元件或光伏元件的封裝模組施以低溫退火處理，退火溫度範圍約從50℃至230℃。進一步，將光伏元件或光伏元件的封裝模組以輻射照射，輻射強度為高於10W/m2。藉此，在基板內產生過量的少數電荷載子，以減緩光伏元件的光致衰減效應。然而，經低溫退火處理的光伏元件，於運作過程中若遭遇高於當初退火溫度的環境溫度，抑制光致衰減的效果則會消失，光伏元件的光電轉換效率仍會下降。此外，藉由低溫退火來減緩光伏元件的光致衰減效應的程度仍有改善的空間。
請參閱圖1，圖1係以剖面視圖示意地繪示一典型的矽基光伏元件1的結構。
如圖1所示，矽基光伏元件1包含半導體結構組合10，其中半導體結構組合10具有正表面106以及與正表面106相對之背表面108。於圖1中，半導體結構組合10中繪示接面104做為代表。半導體結構組合10包含具有第一導電型態的矽基材101，矽基材101可以是單晶矽基材、類單晶矽基材或多晶矽基材等。矽基材101的厚度範圍為約150微米~220微米。接面104可以是p-n接面、n-p接面、p-i-n接面、n-i-p接面、雙接面、多重接面，或其他類型接面。
正表面106通常會經粗紋化(texturing)處理。也就是說，正表面106係粗紋化表面。正表面106的粗紋化可以藉由酸、鹼溶液蝕刻來達成，進而在，正表面106形成例如大小不均的金字塔型(pyramid texture)結構。正表面106做為光入射面，粗紋化的正表面106可以有效降低入射光的反射率。
一般會將摻雜劑摻雜於粗紋化的正表面106下一定範圍內，以形成具有第二導電型態的半導體區域103，以做為矽基光伏元件的射極(emitter)。摻雜劑可以是硼、磷或砷等。矽基材101可以是p型態，半導體區域103可以是n型態。於不同做法中，矽基材101可以是n型態，半導體區域103可以是p型態。
正電極17係形成於正表面106上，且與正表面106形成歐姆接觸。正電極17可以利用局部網印或塗佈預定的金屬漿料(例如，銀漿)在正表面106上，並經由燒結而成。在燒結過程中，銀漿裡的玻璃粉穿過抗反射層16與正表面106的矽形成接觸，進而讓正電極17與正表面106形成歐姆接觸。
至少一背面匯流排電極18係形成在背表面108上。背面匯流排電極18一般係藉由銀漿形成。背電極19係形成於背表面108上且覆蓋背表面108上形成至少一背面匯流排電極18以外的區域，即完成矽基光伏元件1。背電極19一般係藉由鋁漿形成。正電極17、背面匯流排電極18以及背電極19可以利用局部網印或塗佈預定的金屬漿料在抗反射層16與背表面108上，並利用共燒(co-firing)製程於570℃~840℃的溫度範圍燒結而成。
請參閱圖2，圖2係以剖面視圖示意地繪示一現有高效能的矽基光伏元件1的結構。
圖2繪示的矽基光伏元件1其結構與圖1繪示的矽基光伏元件1之結構大致上相同。不同的是，圖2之矽基光伏元件1還包含鈍化層16。鈍化層16形成在背表面108上。背電極19並未覆蓋背表面108，僅與局部背表面108接觸。圖2中具有與圖1中相同號碼標記之元件，有相同或類似的結構以及功能，在此不多做贅述。
先前技術有以低溫退火加上光照射處理如圖1所示典型的矽基光伏元件1，來達成抑制光致衰減的效果。然而，圖2所示高效能矽基光伏元件1，因其背電極19與背表面108接觸面積大幅減少，上述先前技術對其抑制光致衰減效應的程度也存相當大的改善空間。
因此，本發明所欲解決之一技術問題在於提供一種能有效地抑制光伏元件的光致衰減效應之方法，並讓抑制光伏元件的光致衰減效應之效果提升且不致日後遭到環境溫度破壞、消除抑制光致衰減效應的效果。特別地，本發明之方法能適用於高效能矽基光伏元件。
本發明之一較佳具體實施例之抑制光伏元件之光致衰減的方法，係以寬頻光照射光伏元件，其中光伏元件具有正表面以及背表面。寬頻光包含短波長光以及長波長光。短波長光穿透光伏元件之正表面，並且未傳遞至背表面。長波長光穿透光伏元件之正表面，並且傳遞至背表面。寬頻光並對光伏元件產生熱。特別地，熱與短波長光以及長波長光一起作用達成對光伏元件抑制光致衰減的效果。並且特別地，所產的熱加熱光伏元件之溫度範圍為約高於230℃。
於一具體實施例中，長波長光之波長範圍為約高於450nm。短波長光之波長範圍為約低於450nm。進一步，長波長光之波長範圍為約從450nm至1000nm。
於一具體實施例中，寬頻光可以是藉由寬頻紅外線燈、鹵素燈、半導體發光元件、有機發光元件，或其他可發射寬頻光的光源所發射。
於一具體實施例中，寬頻光照射在光伏元件的正表面上的光強度範圍為約從0.9Sun至5Sun。
於一具體實施例中，光伏元件包含摻硼、含氧的矽基材。
於一具體實施例中，光伏元件包含摻硼與鎵、含氧的矽基材。
於實際應用中，經寬頻光照射過之光伏元件的光致衰減導致光電轉換效率下降程度與初始光電轉換效率比值小於2.5%。
與先前技術不同，本發明之方法減緩光伏元件的光致衰減效應的程度明顯提升，且不致日後遭到環境溫度破壞、消除抑制光致衰減效應的效果。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
1‧‧‧光伏元件
10‧‧‧半導體結構組合
101‧‧‧矽基材
103‧‧‧半導體區域
104‧‧‧接面
106‧‧‧正表面
108‧‧‧背表面
16‧‧‧鈍化層
17‧‧‧正電極
18‧‧‧背面匯流排電極
19‧‧‧背電極
2‧‧‧系統
22‧‧‧光源
3‧‧‧光伏元件
30‧‧‧正表面
32‧‧‧背表面
圖1係一典型的矽基光伏元件的剖面視圖。
圖2係一現有高效能矽基光伏元件的剖面視圖。
圖3係執行根據本發明之一較佳具體實施例之抑制光伏元件之光致衰減的方法之系統的架構示意圖。
請參閱圖3，圖3係示意地繪示用以執行根據本發明之一較佳具體實施例之抑制光伏元件3之光致衰減的方 法之系統2的架構。
如圖3所示，本發明之抑制光伏元件3之光致衰減的方法，係以光源22發射的寬頻光照射光伏元件3。
光伏元件3具有正表面30以及背表面32。寬頻光包含短波長光以及長波長光。短波長光穿透光伏元件3之正表面30，並且未傳遞至背表面32。長波長光穿透光伏元件3之正表面30，並且傳遞至背表面32。寬頻光並對光伏元件3產生熱。特別地，熱與短波長光以及長波長光一起作用達成對光伏元件3抑制光致衰減的效果。並且特別地，所產生的熱加熱光伏元件之溫度範圍為約高於230℃。
於一具體實施例中，長波長光之波長範圍為約高於450nm。短波長光之波長範圍為約低於450nm。進一步，長波長光之波長範圍為約從450nm至1000nm。
於實際應用中，上述經寬頻光照射過之光伏元件3的光致衰減導致光電轉換效率下降程度與初始光電轉換效率比值小於2.5%。進一步，本發明之方法採行的處理溫度範圍為約從230℃至577℃，此處理需配合強光度的寬頻光源22，同時提供足夠的光強和溫度，使光伏元件3獲得足夠的能量以進行抑制光致衰減的處理。經本發明之方法所處理的光伏元件3，日後遭到高於230℃環境溫度的機率甚低，因此，不致日後遭到環境溫度破壞、消除抑制光致衰減效應的效果。處理溫度高於577℃時，因為已經超過鋁矽合金的固熔點，將會破壞光伏元件3。
於一具體實施例中，光源22可以是寬頻紅外線燈、鹵素燈、半導體發光元件、有機發光元件，或其他可發射寬頻光的光源。
於一具體實施例中，寬頻光照射在光伏元件3的正表面30上的光強度範圍為約從0.9Sun至5Sun。在此範圍 內的光強度可以達到本發明之方法所要求的溫度範圍。於另一具體實施例中，使用較低光強度的光源22，讓寬頻光照射在光伏元件3的正表面30上的光強度低於0.9Sun，但是需要搭配加熱系統。於另一具體實施例中，使用較強光強度的光源22，讓寬頻光照射在光伏元件3的正表面30上的光強度高於5Sun，但是需要搭配冷卻系統。
於一具體實施例中，寬頻光照射光伏元件3的時間為約至少1分鐘。
於一具體實施例中，光伏元件3包含摻硼、含氧的矽基材，但本發明並不以此為限。
於另一具體實施例中，光伏元件3包含摻硼與鎵、含氧的矽基材，但本發明並不以此為限。
於一具體實施例中，經寬頻光照射過之光伏元件3的光致衰減導致光電轉換效率下降程度與初始光電轉換效率比值小於2.5%。
經實驗印證，本發明的方法執行在如圖2所示高效能矽基光伏元件，能有效抑制其光致衰減效應。
請參閱表1，表1列舉數十片經本發明之方法處理(250℃、10min)與未處理之矽基光伏元件的平均光電轉換效率與光致衰減程度之測試結果。光致衰減(LID)測試環境為在模擬太陽光下曝曬72小時。表1呈現的結果證實本發明之方法能有效抑制光伏元件的光致衰減效應，且導致光電轉換效率下降程度與初始光電轉換效率比值小於1%。
請參閱表2，表2列舉數十片經本發明之方法處理(250℃、10min)與經先前技術之低溫退火處理(200℃、15min)之矽基光伏元件且經不同處理時間的光電轉換效率下降程度之測試結果。表2呈現的結果證實本發明之方法導致光伏元件的光電轉換效率下降的程度較先前技術導致光伏元件的光電轉換效率下降程度來得小。
推究本發明之方法可以有效抑制光致衰減的原因，其採用的光源具有寬頻光以及高光強度(約高於0.9Sun)。光伏元件曝曬在此光源下，然後此光源提供能量(熱與 光)讓局部的鋁金屬成為雜質陷阱(impurity sink)。在本發明之抑制光致衰減處理期間，局部的鋁金屬持續捕捉雜質並且改善光伏元件的品質。由於雜質抑制的程序，光伏元件的光致衰減效應可以被改善。顯見地，本發明之方法抑制光致衰減效應的機制與先前技術對光伏元件或光伏元件的封裝模組施以低溫(低於230℃)退火處理來減緩光伏元件的光致衰減效應的機制不同。採行低溫退火處理的先前技術其在基板內產生過量的少數電荷載子，以減緩光伏元件的光致衰減效應。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之面向加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的面向內。因此，本發明所申請之專利範圍的面向應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。
2‧‧‧系統
22‧‧‧光源
3‧‧‧光伏元件
30‧‧‧正表面
32‧‧‧背表面

Claims (9)

  1. 一種抑制一光伏元件之光致衰減的方法，包含下列步驟：以一寬頻光照射該光伏元件，其中該光伏元件具有一正表面以及一背表面，該寬頻光包含一短波長光以及一長波長光，該短波長光穿透該光伏元件之該正表面且未傳遞至該背表面，該長波長光穿透該光伏元件之該正表面且傳遞至該背表面，該寬頻光並對該光伏元件產生一熱，該熱與該短波長光以及該長波長光一起作用達成對該光伏元件抑制光致衰減的效果，該熱加熱該光伏元件之一溫度範圍為約高於230℃。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該長波長光之波長範圍為約高於450nm，該短波長光之波長範圍為約低於450nm。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該長波長光之波長範圍為約從450nm至1000nm。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該寬頻光係藉由選自由一寬頻紅外線燈、一鹵素燈、一半導體發光元件以及一有機發光元件所組成之群組中之其一所發射。
  5. 如請求項4所述之方法，其中該寬頻光照射在該光伏元件之該正表面上之一光強度範圍為約從0.9Sun至5Sun。
  6. 如請求項5所述之方法，其中該熱加熱該光伏元件之該溫度範圍為約從230℃至577℃。
  7. 如請求項5所述之方法，其中該寬頻光照射該光伏元件的時間為約至少1分鐘。
  8. 如請求項5所述之方法，其中該光伏元件包含一摻硼、含 氧的矽基材。
  9. 如請求項5所述之方法，其中該光伏元件包含一摻硼與鎵、含氧的矽基材。
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