探析晶硅光伏電池漏電的原因
本文描述了晶體硅太陽能電池片局部漏電現(xiàn)象,分析了晶體硅硅片及電池生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生的漏電原因及預(yù)防措施。電池生產(chǎn)過程中刻蝕不完全或未刻蝕、點(diǎn)狀燒穿和印刷擦片或漏漿等情況會產(chǎn)生漏電,嚴(yán)重影響電池片的品質(zhì),另外發(fā)現(xiàn)Si3N4顆粒、多晶硅晶界等也有可能造成電池片漏電。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/366562.htm太陽能發(fā)電由于其具有環(huán)保、高效、節(jié)能以及取之不盡、用之不竭等特點(diǎn),已成為新能源中最受矚目的能源。太陽能電池是一個(gè)巨大的半導(dǎo)體二極管,以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。目前,光伏行業(yè)中晶體硅太陽能電池還是占主導(dǎo)位置。
晶體硅太陽電池主要分為兩種,一種是將圓柱形的單晶硅棒切割成單晶硅片;一種是通過鑄錠方式生成多晶硅片。單晶硅棒和多晶鑄錠的質(zhì)量很大程度上可以影響晶體硅電池片的質(zhì)量。隨著晶體硅電池利用的日益廣泛,晶體硅太陽電池局部漏電問題逐漸受到人們的關(guān)注與重視。因此晶體硅電池漏電原因的分析與討論成為晶體硅電池研究的熱點(diǎn)之一。
在晶體硅太陽電池生產(chǎn)過程中,部分晶體硅太陽電池難免會因?yàn)楦鞣N原因?qū)е戮植柯╇?,甚至短路。晶體硅片在制作生產(chǎn)過程中導(dǎo)致局部漏電主要原因?yàn)?)通過PN結(jié)的漏電流;2)沿電池邊緣的表面漏電流;3)金屬化處理后沿著微觀裂紋或晶界形成的微觀通道的漏電流。本文主要探究了晶體硅電池漏電的原因,并進(jìn)行具體分析。
一、晶體硅太陽電池工作原理
如圖1所示,當(dāng)處于開路的情況下,當(dāng)光生電流和正向電流相等的時(shí)候,則由于電子和空穴分別流入N區(qū)和P區(qū),使N區(qū)的費(fèi)米能級比P區(qū)的費(fèi)米能級高,在這兩個(gè)費(fèi)米能級之間,P-N結(jié)兩端將建立起穩(wěn)定的電勢差Voc(P區(qū)為正,N區(qū)為負(fù))。如果將外電路短路,則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過,這個(gè)電流稱作短路電流,只要光生電流不停止,就會有源源不斷的電流通過電路,P-N結(jié)起到了一個(gè)電源的作用。這就是太陽能電池的工作原理。
圖2是利用P/N結(jié)光生伏特效應(yīng)做成的理想光電池的等效電路圖。
圖中把光照下的p-n結(jié)看作一個(gè)理想二極管和恒流源并聯(lián),恒流源的電流即為光生電流IL,由于前面和背面的電極和接觸,以及材料本身具有一定的電阻率,基區(qū)和頂層都不可避免的要引入附加電阻。流經(jīng)負(fù)載的電流,經(jīng)過它們時(shí),必然引起損耗。在等效電路中,可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻RS來表示。由于電池邊沿的漏電和制作金屬化電極時(shí),在電池的微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等,使一部分本應(yīng)通過負(fù)載的電流短路,這種作用的大小可用一并聯(lián)電阻RSH來等效。本文主要研究的就是在實(shí)際太陽電池生產(chǎn)中的漏電原因。
二、晶體硅太陽電池漏電分析
從晶體硅太陽電池生產(chǎn)工藝流程看,以下幾個(gè)因素與電池片漏電有關(guān):1)刻蝕不完全或未刻蝕;2)點(diǎn)狀燒穿;3)印刷擦片或漏漿。對上述三方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,在研究過程中發(fā)現(xiàn)除了以上三種漏電原因外,還有Si3N4顆粒、多晶晶界等也會造成電池片漏電。
1、刻蝕不完全或未刻蝕造成的漏電
擴(kuò)散工藝中在硅片的上表面和周邊都擴(kuò)散上了N型結(jié),如果不去除周邊的N型結(jié)會導(dǎo)致電池片正負(fù)極被周邊的N型結(jié)聯(lián)接起來,使電池正負(fù)極接通,起不到電池的作用了,我們用等離子刻蝕去除太陽能電池的周邊結(jié),其腐蝕反應(yīng)方程為:
CF4------C+4F*(1)
Si+4F------SiF4*↑(2)
等離子體刻蝕是采用高頻輝光放電反應(yīng),使反應(yīng)氣體激活成活性粒子,如原子或游離基,這些活性粒子擴(kuò)散到需刻蝕的部位,在那里與被刻蝕材料進(jìn)行反應(yīng),形成揮發(fā)性生成物而被去除。
如果硅片未刻蝕或刻蝕不完全沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn),并且下傳印刷,將產(chǎn)生局部漏電的電池片,我們可以通過IR紅外熱成像儀,判斷局部漏電硅片是否刻蝕原因產(chǎn)生的。
IR紅外熱成像儀的工作原理是在連接電池片的正負(fù)極時(shí),使電池片上會形成一個(gè)電流回路,當(dāng)有區(qū)域漏電時(shí),該區(qū)域的電流就會特別大,產(chǎn)生的熱量就會比較多,紅外成像儀可以根據(jù)硅片表面產(chǎn)生的不同熱量轉(zhuǎn)換為電信號,進(jìn)而在顯示器上形成熱圖像,可以對發(fā)熱的異常區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確的識別。
刻蝕不完全或未刻蝕的硅片在IR下表現(xiàn)為電池片邊緣發(fā)紅,如圖3所示。刻蝕不完全或未刻蝕的電池片在進(jìn)行四周打磨后漏電流會減少到2A以下,如表1所示。
以上幾點(diǎn)可以判斷為刻蝕不完全或未刻蝕造成的??涛g不完全主要是由于硅片邊結(jié)由于設(shè)備原因或人為原因未去除干凈,導(dǎo)致漏電過大的異?,F(xiàn)象主要有以下原因:1)刻蝕功率過小;2)刻蝕時(shí)間不足;3)刻蝕壓力波動導(dǎo)致刻蝕不均;4)刻蝕時(shí)機(jī)臺故障,以致刻蝕未進(jìn)行完全;5)刻蝕時(shí),硅片底部托盤未旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致刻蝕不均;6)人為原因,將未刻蝕硅片下傳;針對以上原因需要加強(qiáng)刻蝕機(jī)的監(jiān)控,增加人員的責(zé)任意識。
2、點(diǎn)狀燒穿造成的漏電
點(diǎn)狀燒穿通常意義上指IR拍攝出呈現(xiàn)點(diǎn)狀發(fā)紅的漏電現(xiàn)象,具體表現(xiàn)如圖4所示,其主要由以下三種因素引起,1)隱裂引起的點(diǎn)狀燒穿;2)微隱裂引起的點(diǎn)狀燒穿;3)未知因素引起的點(diǎn)狀燒穿。
隱裂引起的點(diǎn)狀燒穿主要有兩種方式產(chǎn)生,1)擴(kuò)散前隱裂即在擴(kuò)散步磷源順著裂縫擴(kuò)散,從而導(dǎo)致上下導(dǎo)通,產(chǎn)生點(diǎn)狀燒穿;2)印刷前隱裂即在印刷過程中,漿料恰巧印過裂縫,銀漿通過裂縫滲透到背面產(chǎn)生點(diǎn)狀燒穿。對于由隱裂而產(chǎn)生的點(diǎn)狀燒穿,我們必須規(guī)范生產(chǎn)現(xiàn)場操作,盡量避免產(chǎn)生隱裂片的可能。比如裝舟卸舟時(shí)輕拿輕放,保持印刷機(jī)臺干凈平整等等。
微隱裂引起的點(diǎn)狀燒穿主要是因?yàn)楣杵旧砭w結(jié)構(gòu)存在缺陷,在燒結(jié)過程中會破壞晶體結(jié)構(gòu),銀漿順著晶界滲透至基區(qū),從而產(chǎn)生漏電。我們通常也稱此現(xiàn)象為微隱裂。判斷是硅片本身的缺陷還是晶體硅電池生產(chǎn)過程中導(dǎo)致的點(diǎn)狀燒穿,我們需要借助掃描電鏡進(jìn)行分析。
由掃描電鏡即掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope,簡稱SEM),主要用于觀察樣品的表面形貌、割裂面結(jié)構(gòu)、管腔內(nèi)表面的結(jié)構(gòu)等,所獲得的圖像立體感強(qiáng),可用來觀察樣品的各種形貌特征。
由SEM圖片可知:微隱裂正面與背面均存在凹槽缺陷,導(dǎo)致點(diǎn)狀燒穿,如圖5所示。對于此類由晶體缺陷引起的點(diǎn)狀燒穿,如果要降低其產(chǎn)生的可能性,則需要在進(jìn)料時(shí)加一道檢測工序,測量每片原料片的少子壽命分布,剔除異常片。但該工序費(fèi)時(shí)費(fèi)力,可行性有待進(jìn)一步商榷。
3、擦片或漏漿造成的漏電
擦片主要是指在印刷過程中出現(xiàn)的印刷不良片用酒精等將柵線擦拭干凈后重新印刷的電池片。這些電池片如果沒有處理好,可以看到如圖6所示的形貌。在顯微鏡下觀察可以看到還有部分漿料殘留在硅片表面,IR圖像顯示有大面積漏電,EL圖像顯示表面有大面積污染,
SEM圖像顯示可以看到密密麻麻的細(xì)點(diǎn),這些細(xì)點(diǎn)即為銀漿,在擦片的過程中銀漿滲進(jìn)電池片里;小顆粒銀漿是團(tuán)狀銀漿在燒結(jié)過程中形成玻璃態(tài)造成的大面積漏電。
造成擦片漏電的原因主要為人為操作不規(guī)范導(dǎo)致的,1)人為的擦片破壞Si3N4膜面,使Si3N4鈍化效果失效;2)絨面凸起部分在人為摩擦過程中極易受損,使電池片p型裸露,印刷后直接與金屬電極導(dǎo)通發(fā)生短路;3)即使擦片后表觀看來已無漿料,但仍會有少量漿料殘留在絨面凹陷處,燒結(jié)后成為金屬復(fù)合中心,降低少子壽命,漏電明顯增大;4)擦片過程中難免使電池片四周沾到漿料,造成pn結(jié)導(dǎo)通,發(fā)生漏電。
漏漿主要包含邊緣漏漿和表面漏漿兩種,邊緣漏漿是指電池片四周沾到漿料,造成pn型導(dǎo)通,發(fā)生漏電如圖7所示;邊緣漏漿和刻蝕不完全只看IR圖像很難區(qū)分,必須在SEM或者基恩士下觀察方能準(zhǔn)確判斷。
表面漏漿是指電池片在印刷前有隱裂,印刷時(shí)隱裂處沾染上鋁漿,燒結(jié)時(shí)鋁漿隨銀漿一起被燒進(jìn)PN結(jié),而導(dǎo)致PN結(jié)被燒穿,引起的漏電如圖8所示。平面圖上明顯看到漿料(紅色線條包圍的區(qū)域),這些漿料以鋁漿為主。
4、其他原因造成的漏電
Si3N4顆粒有可能造成漏電如圖9所示,Si3N4顆粒主要來源:1)鑄造多晶硅時(shí)在坩堝表面噴涂的Si3N4脫落融入硅錠所致;2)鍍膜時(shí)SiH4的含量偏高,形成Si3N4顆粒。Si3N4顆粒的晶粒貫穿電池片的層錯(cuò),使PN結(jié)導(dǎo)通而導(dǎo)致漏電。
晶界缺陷有可能造成漏電如圖10所示,其原因主要為1)雜質(zhì)原子容易在晶界位置集中,形成各類缺陷和復(fù)合中心;2)高溫?cái)U(kuò)散的原子也容易沿著位錯(cuò)和晶界形成微小的橋路漏電。
三、結(jié)論
分析了晶體硅硅片及電池生產(chǎn)階段可能產(chǎn)生的漏電原因及預(yù)防措施。在電池生產(chǎn)過程中產(chǎn)生漏電的主要原因?yàn)椋?)刻蝕不完全或未刻蝕2)點(diǎn)狀燒穿3)印刷擦片或漏漿等,嚴(yán)重影響電池片的品質(zhì)。在分析過程中還發(fā)現(xiàn)Si3N4顆粒、多晶晶界等也有可能造成電池片漏電,在以后的研究中也需要重點(diǎn)關(guān)注。
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