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SiNx 减反射层对抗PID 影响

2016-12-5 09:40| 发布者: Kristy| 查看: 1729| 评论: 0|来自: 摩尔光伏

摘要: 摘要:利用管式PECVD工艺,通过调整气体流量比,得到减反射性能较佳的双层SiNx:H膜电池片,再对电池片封装成的光伏组件进行96h、300h的PID实验,得出较佳的抗PID工艺。实验结果表明,当折射率2.05时,电池片的抗PID ...
摘要:利用管式PECVD工艺,通过调整气体流量比,得到减反射性能较佳的双层SiNx:H膜电池片,再对电池片封装成的光伏组件进行96h、300h的PID实验,得出较佳的抗PID工艺。实验结果表明,当折射率<2.05时,电池片的抗PID效果较差,当折射率>2.16时,抗PID效果显著;即减反射层工艺为达到较高的光电转化效率并同时满足抗PID效果,控制SiNx膜电池片的折射率为2.16±0.02;即淀积1的较佳流量比NH3/SiH4为4.83,淀积2的较佳流量比NH3/SiH4为13.33,在此配比下电池片外观正常,电性能稳定性较好,同时组件抗PID测试300h后衰减<5%。

0引言
  电池诱导衰减(potentialinduceddegradation,PID)早几年就已受到业界普遍重视,据相关资料显示,组件在户外使用几年后会出现PID现象,严重情况下会导致组件约40%的功率损失,严重影响光伏系统正常使用。PID现象的真实机理目前还没有科学的论断,但普遍认为是光伏组件在使用过程中与地面接触产生电势差,由于组件表面玻璃内含有金属离子(如钠、钙等),这些离子可能向下运动到电池片内部,导致电池在利用太阳光发电中发生功率损耗及衰减[1]。PID现象通常发生在系统中负电位一端的组件,研究发现,电池片与接地边框之间巨大的负电势差是导致这一现象的直接原因[2]。一些国家和地区已经把抗PID作为组件的关键要求之一,虽然PID的真正原因还没有明确的定论,但各个组件厂和研究机构的数据表明,PID现象与电池工艺、玻璃、EVA、温度、湿度等有关[3]。
  为提高光伏组件抗PID能力,本文重点研究了等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺,即改变SiNx减反射层结构,在保证电池片效率较高的前提下同时具备良好的抗PID能力,PECVD作为辅助光吸收工艺在整个太阳电池工艺中处于相对重要的地位。
  PECVD的目的是在硅片表面沉积一层折射率低于硅片本身折射率的薄膜,减少光入射到硅片时的表面反射。采用双层减反射膜层,即底层沉积一层折射率大而薄的SiNx,而顶层采用折射率低且较厚的SiNx,这种结构不仅可以提供很好的钝化效果,反射率也能大幅降低。故探究PECVD工艺的膜层结构对光伏组件抗PID能力的影响意义重大。
  本文主要通过对PECVD工艺中的减反射层结构的优化,得出较佳的抗PID电池工艺,使电池片效率最佳的同时满足光伏组件抗PID能力,即确保PID300h后衰减<5%[4-6]。

1实验过程
  1.1减反射层薄膜原理
  PECVD是气态物质间发生的化学反应,是利用气体放电和非平衡等离子体来生成有效SiNx减反射层薄膜[7]。其原理如下:


     目前,PECVD工艺普遍采用的反应气体为氢稀释的SiH4和NH3。硅烷和氨气反应得到的H离子在薄膜层中的作用不可替代,可以弥补膜层结构中缺陷能级,使材料的价电子得到有效控制。通过多次实验获得较佳的膜层结构参数[8],从而得到可量产的较佳PECVD工艺参数。
  1.2实验
  实验采用156mm×156mm多晶硅片,电阻率介于1.0~3.0Ω·cm。太阳电池片制备过程:1)经过链式酸制绒(Rena机台)得到凹凸不平绒面;2)由POCl3热扩散得到p-n结;3)湿法刻蚀和去电池片表面磷硅玻璃(链式RenaInoxside机台);4)利用PECVD法沉积SiNx:H减反射层膜;5)丝网印刷Ag背电极、Al背电场和Ag正电极;6)烧结和效率测试[4]。本课题通过调整PECVD的膜层结构来优化工艺,镀膜设备采用青岛赛瑞达有限公司生产的管式PECVD炉管,通过调整硅烷和氨气流量控制SiNx:H膜的折射率;利用Helios积分球反射仪测试硅片的反射率和波长;利用Sentech公司生产的SE400adv-PV型单波长椭圆偏振仪测试减反膜的折射率。
  将最优工艺条件下得到的电池片封装成组件,组件为60片电池规格,组件从上而下的结构为:钢化玻璃→改性EVA→电池片→改性EVA→FST背板。在此基础上验证不同膜层结构的光伏组件的抗PID能力,采用陕西众森电能有限公司的XJCM-8A型光伏组件测试仪测试组件功率,利用ASICCN测试仪对组件外观进行缺陷测定。

2实验结果与讨论
  在正常工艺条件下,选取相同批次、相同片源的批量电池片进行太阳电池的工艺实验,在衬底温度、压强等相同条件下改变镀膜时混合气体的NH3/SiH4流量比,得到不同流量比下的折射率参数(多次实验平均值),如表1所示。


  由表1可知,通过改变淀积1和淀积2的气体流量比和时间,最终的电池片折射率呈上升趋势,说明硅氮比直接影响折射率。此结构参数下的批量电池片经过丝网印刷得到的电性能参数如表2所示。

  由表2可知,3种工艺条件下的电性能差异不大,效率呈现上升趋势;折射率为2.16时,工艺在效率上较优越。将以上3种工艺条件下的电池片各封装为60片组件2块,采用相同的光伏玻璃、EVA、背板、硅胶等物料,并测试组件实验前功率和EL图;然后进行PID96h实验,实验条件为边框接地-1000V、温度85℃、湿度85%RH,96h[5,6,9]后待组件背面温度稳定为25℃左右时,测试组件实验后功率和EL图,结果如表3所示。
  从表3的实验结果看,折射率约为2.05的工艺在温度85℃、湿度85%RH、边框接地-1000V的条件下,48h后EL图边缘电池片就开始变黑,说明组件即将要出现功率损失现象,即PID现象;96h后边缘有一圈电池片已发黑,可定义为问题组件,如图1(实验前)和图2(实验后)所示,测试功率衰减高达23.58%,EL图中显示组件边缘的电池片为黑片。


  为了更进一步验证第2种工艺(SY2)和第3种工艺(SY3)的抗PID效果,将96h后的组件继续实验204h,即300h后的PID结果如表4所示。


  由表4可得,第3种工艺即折射率偏高的电池片抗PID300h后衰减率最低,实验效果较佳。由图6实验后EL图可知,组件实验前后EL无差异。后续通过量产得出各项电性能参数正常,返工比例正常,组件的PID300h抽检衰减率都在要求范围内,即PID300h<5%。


3结论
  通过实验对比可知,折射率控制在2.16±0.02的电池片,选择合适的封装物料后,组件的抗PID效果较佳;其他各段工艺在产线正常工艺条件下,电池片外观正常,电性能稳定性较好,同时组件各项性能较佳,抗PID测试300h后衰减<5%,均满足要求。
参考文献
[1] Rutschmann I. Auch module von evergreen zeigenpolarizationsverhalten[J]. Photon, 2008, (1): 122 - 123.
[2] 吴翠姑, 于波, 韩帅, 等. 晶硅光伏组件功率衰减的原因分析以及优化措施[J]. 电气技术, 2009, 8: 113 - 114.
[3] Wohlgemuth J H, Conway M, Meakin D H. Reliability andperformance testing of photovoltaic modules[A]. Texas:28thIEEE PVSC[C], Austin, 2000.
[4] 梁吉连, 张健, 孙瑜, 等. 多晶硅酸制绒工艺研究[J]. 太阳能, 2014, (5): 43 - 45.
[5] 刘志平, 赵謖玲, 徐征, 等. PECVD 沉积氮化硅膜的工艺研究[J]. 太阳能学报, 2011, 32(1): 54 - 57.
[6] 金鹏, 朱亦鸣. 关于PID 现象对光伏组件影响的研究[J]. 中国科技论文, 2013,(4): 2 - 6.
[7] 蒋杰. 全透明InGaZnO4 薄膜晶体管[D]. 湖南: 湖南大学,2009.
[8] 张树明, 廖华, 何京鸿, 等. PECVD 氮化硅薄膜工艺参数研究[J]. 云南师范大学学报, 2011, 31(5): 28 - 32.
[9] Mon G R, Ross R G. Electrochemical degradation ofamorphous-silicon photovoltic modules[A]. 18th IEEE PVSC[C],Las Vegas, 1985.

浙江正泰太阳能科技有限公司
梁吉连 刘平 卢玉荣 张剑锋 王仕鹏 黄海燕 陆川
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