晶体缺陷对多晶硅太阳电池反向漏电影响研究*

陈文浩，黄红娜，刘仁中，张 斌，李红波

（海润光伏科技股份有限公司，江苏 江阴 214407）

晶体缺陷对多晶硅太阳电池反向漏电影响研究*

陈文浩†，黄红娜，刘仁中，张 斌，李红波

（海润光伏科技股份有限公司，江苏 江阴 214407）

多晶硅太阳电池所使用的多晶硅材料往往因铸造过程中温度、应力等方面控制不佳，导致晶体缺陷形成。本文通过研究“黑丝”电池片以及点状烧穿电池片这两种在电学性能上表现为严重的反向线性漏电的异常电池片，对比观察其异常所处位置的表面及其解理断面的微观结构，发现导致这两种反向漏电现象出现的本质原因是由于其所处位置的硅片结构存在位错或其他晶体缺陷。这种由于晶体缺陷导致的反向漏电现象会使电池在工作过程中局部过热，给光伏发电系统带来巨大隐患。

多晶硅；晶体缺陷；反向漏电；太阳电池

0 引 言

在当前的太阳电池制备技术中，多晶硅材料具有明显的成本优势。然而相对于单晶硅材料，其制备成太阳电池后转换效率较差。国内外研究组均针对多晶硅材料进行了多方面的研究，普遍认为造成多晶硅太阳电池效率较低的主要原因并非是多晶硅中存在的大量晶界，纯净的晶界并不会对太阳电池带来过大的影响[1-2]，而是由于其杂质含量较高、存在位错等结构缺陷，这些缺陷会成为载流子的复合中心，大幅影响太阳电池载流子的收集，进而导致太阳电池转换效率的下降[3-5]。近年来高效多晶硅材料的流行也佐证了这一看法[6]，高效多晶硅材料利用的就是在多晶硅材料上生成大量的晶界，这些晶界可以有效控制位错的产生和增殖，这种材料所制 备的太阳电池转换效率显著提高。

然而之前对于位错等结构缺陷的认识主要在于其对于电池效率的影响，本文通过研究两类实际生产所遇到的反向漏电流较大的异常电池片，发现多晶硅材料中所存在的结构缺陷不仅会成为载流子的复合中心，较为严重的位错等结构缺陷的富集还会导致太阳能电池出现较大的反向漏电流，这些结构缺陷富集区域在发电过程中大量放热会给太阳能电池带来致命的影响。此外，少量的结构缺陷也容易在电池制程过程中导致电池栅线处出现严重的点状漏电现象，造成“烧穿”。

1 实验方法

本研究所使用的样品由太仓奥特斯维能源有限公司提供，其电学性能表现为反向漏电较大。通过红外热成像（IR测试）观察电池片在9 V反向负载电压条件下的发热情况；通过电致发光测试仪（EL测试仪）确定电池片的漏电类型。选取了其中的“黑丝”电池片（位错富集片，其表现为位错在晶体中成丝状或团状分布，该区域的少子寿命较低，导致其在EL图像下呈“黑丝”状分布，同时由于该区域活化能较低易在酸刻蚀过程中留下黑丝状分布的深坑痕迹）以及出现点状漏电现象的“烧穿”异常电池片进行了观察研究。

通过扫描电子显微镜（SEM）观察漏电区域以及正常区域的微观结构，对比分析电池片漏电原因。

2 结果与讨论

2.1 “黑丝”片漏电原因分析

随机选取了10片“黑丝”电池片进行电学性能测试，其结果如表1所示。相比于正常电池片，“黑丝”片效率明显下降，同时其并联电阻偏低，会出现大于1 A的反向漏电流（−12 V反向偏压条件下）。

表1 “黑丝”片电学性能测试结果表（灰底数据为正常电池片）Table 1 Electrical performance test result of “black yarn” pieces (grey data for normal cells)

对“黑丝”片的电流随反向负载电压变化进行测试，其IV特性曲线如图1所示。可以看到，这些“黑丝”片样品的电流随反向负载电压变化呈线性关系，属较为严重的线性漏电，表明该类样品存在发射极区或体区反转、杂质或一些缺陷贯穿电池的现象。

图1 反向负载电压条件下“黑丝”片IV测试曲线Fig. 1 IV test curves of “black yarn” pieces under the condition of reverse load voltage

分别将正常电池片和“黑丝”片置于9 V反向电压下进行热成像测试并进一步使用EL测试进行分析，其中典型结果如图2所示。从热成像IR结果可以看到，正常电池片在9 V反向电压条件下，电池片（图2a）整体温度分布均匀且在30℃以下。而“黑丝”样品（图2c）在其右上角出现明显发热区域，局部温度高达90℃以上，而其他区域的温度约在30℃左右。同时，在“黑丝”电池片的EL测试结果（图2d）中可以看到，在发热的对应位置出现大量黑色丝线的富集现象，而正常电池片（图2b）未见明显的富集黑丝。这些富集的“黑丝”应该就是电池片局部过热的根本原因，也是导致电池在反向负载条件出现较大漏电流的原因。

进一步对硅片的“黑丝”区域进行显微结构分析，如图3所示。从其表面的微观形貌图上可以看到，有大量黑色深坑和黑线富集在电池片上。相关研究表明[7]，这种深坑和黑丝应当是大量的晶体位错等缺陷经腐蚀后留下的痕迹。从断面情况上来看，断面的晶体结构呈现明显的分层和交界，而通常的脆性解理断口应当呈河流状特征，较完整晶体的断口应是有大片平滑区域[8]，这种较为复杂的晶体结构表明了该区域有较为明显的晶体缺陷。因此这种“黑丝”片上富集的“黑丝”实际上表明了硅晶体在该区域中存在大量的位错或其他晶体缺陷。

图2 正常电池（a、b）及 “黑丝”片（c、d）的IR与EL测试成像结果图Fig. 2 IR and EL test imaging figure of “black yarn” piece (a, b) and normal cell (c, d)

图3 “黑丝”片正常区域和“黑丝”区域的表面（a, b）以及断面（c, d）显微结构分析（SEM）Fig. 3 Surface (a, b) and cross sections (c, d) of normal area and “black yarn” regional microscopic analysis (SEM)

硅晶体中的位错和其他一些缺陷结构会导致硅晶体的晶体结构不再完整，同时会成为有害金属等杂质的附着点，杂质很容易在晶体缺陷区域富集。后续制备成电池后，尤其是金属杂质为深能级杂质，会导致结的反向击穿电压降低，漏导损耗增加，从而产生较大的PN结漏导电流，甚至直接引起PN结变窄[9]。此外这种结构会成为非常严重的载流子复合中心，在载流子向复合中心复合移动的过程中产生漏电流。最终由于该结构对载流子的强烈复合作用及PN结的局部失效，致使该区域的发电能力极弱。

若将太阳能电池简化为无数个微元电池并联，有晶体缺陷的区域由于其发电能力基本可以忽略，在整个系统中成为负载，其他微元电池所产生的电流对其供电导致漏电，同时在此过程中晶体缺陷区域电阻较大会大量的释放热量，引起局部过热。当这种“黑丝”片连接进光伏发电系统时，由于该区域发电能力弱会导致其在系统中处于反偏状态，反偏电压大到一定程度会引起雪崩击穿，局部大量放热导致“热斑”[10]形成。同时，长时间的局部高温会进一步导致整个电池片的失效，最终可能会造成组件损坏，甚至在组件散热不佳等情况时会带来火灾的风险。

2.2 “烧穿”片漏电原因分析

“烧穿”现象指的是一种通常发生在栅线或栅线边缘区域的点状漏电现象，通常表现为在电池片电学性能测试过程中检测到较为明显的反向漏电流，在 −12 V的反向负载条件下漏电流大于1 A。其电学性能表现与“黑丝”片类似：并联电阻较低，电池效率低于正常电池片。对其中5片典型“烧穿”电池片的电流随反向负载电压变化趋势进行测试，其IV特性曲线如图4所示。可以看到“烧穿”电池片的电流随反向负载电压的增加呈现线性变化，表明“烧穿”现象所导致的漏电是一种较为严重的线性漏电，对太阳电池危害较大。

图4 反向负载电压条件下“烧穿”片IV测试曲线Fig. 4 IV test curves of “burnthrough” pieces under the condition of reverse load voltage

细栅处发生“烧穿”现象的电池片典型IR及EL测试结果如图5所示。在IR图像中出现了明显的点状发红区域，同时在对应位置的EI图像中可以得到位于细栅上的黑点。发生于主栅处的“烧穿”现象与此类似。

图5 “烧穿”片IR（a）与EL（b）测试成像图Fig. 5 IR (a) and EL (b) test imaging figures of “burnthrough” piece

使用扫描电子显微镜分别观察正常细栅处和发生“烧穿”现象的细栅断面显微结构，如图6所示。可以看到，在正常细栅处，细栅下的断口结构呈现河流状特征，晶体平滑完整；出现“烧穿”现象的细栅，其细栅下的断面结构却不再呈现河流状特征，而是出现明显晶体分层现象，这表明该区域存在着 较为明显的材料结构缺陷。为了进一步论证晶体缺陷与栅线处“烧穿”现象的联系，继续取10片出现“烧穿”现象的电池片进行观察，发现“烧穿”处栅线下的晶体结构均不呈河流状特征，而观察其附近的正常栅线，其断面结构呈现正常的脆性解理断口的河流状特征。这表明细栅“烧穿”现象与晶体缺陷结构存在明显对应关系，晶体缺陷应当是导致“烧穿”现象发生的重要原因。

图6 正常细栅断面（a）与细栅“烧穿”处断面（b）SEM扫描图像Fig. 6 Cross sections of normal gridline (a) and gridline with burnthrough (b) SEM scan images

进一步观察主栅处发生的“烧穿”现象，正常主栅与发生“烧穿”现象的主栅处断面显微结构如图7所示。从结果上可以看到，与细栅处发生的“烧穿”现象类似，发生“烧穿”现象的栅线处，其断面结构往往不呈河流状特征，表明烧穿处存在着明显的晶体结构缺陷。

图7 正常主栅断面（图a）与主栅“烧穿”处断面（图b）SEM扫描图像Fig. 7 Cross sections of normal busbar (a) and busbar with burnthrough (b) SEM scan images

由于“烧穿”现象通常发生于栅线处，然而在栅线烧结等电池制程工艺中，其产生的作用力不足以导致硅晶体产生严重的晶体缺陷。这种栅线处晶体所存在的结构缺陷应当是在原料硅片制备过程中就存在的，这种存在于硅片中的晶体缺陷结构在栅线烧结时，由于烧结温度以及浆料的不均匀性等因素，会导致残余应力的富集，从而使这种原本就存在的晶体缺陷变得更为严重。同时由于晶体结构缺陷区域的化学活化能较低，银浆在该区域的腐蚀能力变强，极易导致银离子扩散至耗尽层导通PN结，甚至银浆烧穿PN结，导致严重的漏电。我们观察到一典型银浆烧穿PN结的电池片断面的微观结构图像，如图8所示。可以看到，在细栅的断面位置，银浆大量融进硅晶体内部烧穿PN结，而在其附近可见明显的晶体分界，表明该处亦存在着较为明显晶体缺陷，这与我们之前的分析是一致的。

图8 细栅“烧穿”处银浆融入硅晶体断面微观形貌图（SEM）Fig. 8 Microstructure image (SEM) of silver slurry into the silicon crystal section under the gridline with burnthrough

3 结 论

多晶硅电池中位错和其他晶体缺陷大量富集时会在电池工作时导致明显的反向漏电。这些反向漏电除会对电池效率带来影响，还会引起电池局部发热严重。此外少量位错等晶体缺陷也会在某些条件下于栅线处引起电池的点状“烧穿”现象，致使点状区域放热较大。这种电池片的局部高温会对太阳能发电系统带来灾难性的影响。因此进一步改善和控制多晶硅材料位错等晶体缺陷的生成十分必要。

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Impact of Crystal Defects on Shunting of Mutlicrystalline Silicon Solar Cells

CHEN Wen-hao, HUANG Hong-na, LIU Ren-zhong, ZHANG Bin, LI Hong-bo
(Hareon Solar Technology Co. Ltd., Jiangyin, 214407, Jiangsu, China)

Multicrystaline silicon materials used for solar cells are usually under poor control of temperature and stress during the casting which may induce defects. Two kinds of abnormal solar cells, “black yarn” solar cells and dotted burnthrough solar cells, were studied in this paper. These two solar cells show severe reverse linear shunt current on the electrical properties. By observing the microstructures of the surface and cleavage plane on the abnormal areas, we find the ultimate reason of these two kinds of reverse currents is that there are dislocations or other crystal defects in the abnormal areas. The reverse current caused by defects could lead to local overheating of the solar cells under operation. This phenomenon may bring huge risk to the photovoltaic power generation systems.

multicrystalline silicon； crystal defects； reverse current； solar cell

TK514

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.06.008

2095-560X（2015）06-0459-05

陈文浩（1990-），男，硕士，工程师，主要从事光伏材料与器件方向研究。

2015-09-24

2015-11-04

† 通信作者：陈文浩，E-mail：chenwh@hareon.net