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非晶硅太阳电池的衰减及可靠性

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非晶硅太阳电池的衰减及可靠性

发布日期:2018-06-20 00:00 来源:金沙官网 点击:

 长期以来,影响非晶硅太阳电池推广应用的主要障碍一是效率偏低, 二是性能衰减问题。前者随着技术的发展,通过采用新型的材料、结构、工艺等手段,逐渐有所改善;后者则还需要从形成机理、影响因素等多方面加以深入研究。

  a-Si:H的电导率和光电特性因光照会发生衰减,该现象由Stabler和Wronski发现,因而称为S-W效应。S-W效应是非晶硅材料结构的一一种光致亚稳变化效应,光使非晶硅产生中性悬挂键等亚稳缺陷,因此,a-Si膜制备的太阳电池,经过照射后会产生变化,是由短路电流密度Jsc及FF的降低造成的。特性变化与光照时的负载状态密切相关,如果在反向偏压状态,就没有发现特性变化。经长期更加深人和广泛的研究表明,非晶硅太阳电池在光照之后,其性能的衰减快慢及程度不仅与沉积条件有关,而且与电池的结构及其他因素有关

  光照所引起的其他太阳电池参数的变化,包括暗状态反向电流密度和二极管因子的增加,以及由电容-电压(C-U)法测定的结果都显示出禁带内状态密度的增加。

  人们以提高a-Si太阳电池的转换效率及可靠性为目标,广泛进行了改进a-Si:H膜的研究。其中一项就是研究向a-Si:H中添加杂质元素。向非晶硅P-I-N型太阳电池的I层掺杂2 x 10 -6硼后,其转换效率可比常规的非掺杂I层的太阳电池增加10%左右。连续光照后,其 特性与1层膜厚及其他制备条件无关,且没有发现变化。另外,使用a-Si:F:H膜太阳电池的报告指出,利用SiF.气体和SiH,制备的太阳电池耐连续光照射,性能稳定。这可以从掺硼a-Si:H膜及a-Si:F:H膜的S-W效应来进行说明

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  为了揭示S-W效应的起因,科学家们在理论上提出了有关S-w效应机制的各种微观模型,如Si-Si弱键模型、电荷转移模型、再杂化双位模型、Si-H弱键模型及桥键模型等。尽管目前国际学术界对S-W效应起因的解释还不一致, 但在大多数模型中都提到H在光致变化中可能起重要作用。为了减少材料中H的含量,在制备方法方面采用了电子回旋共振化学气相沉积( ECR-CVD)、氢根化学气相沉积( HR-CVD)、热丝(HW)法沉积和二极管系统等;在制备工艺方面采用了用H等离子体化学退火法、H2稀释法、He稀释法及掺人氟等隋性气体法等,均取得了一定效果。比如,用常规PECVD技术制备的a-Si:膜中含H约10%,而用化学退火法制备的a-Si:H膜,H含量小于9% ;用热丝法制备则只有1% ~2%。

  各种实验结果对非品硅太阳电池的光致能减机理给予了不同的解释,但现象基本上是一致的,即光照后大都发现了与FF下降较多,而U.变化极小。此外,光照的最初几个小时中,电池性能在减较快,而后趋于稳定,而且衰减快慢与光强有关。例如测试N-P及PI.N结构的非品硅太阳电池在不同负载(开路短路、最佳负载)下持续光照后特性的变化,发现开路时转换效率裒减最快短路时最稳定, 下降主要是由于 J.的衰减所致。 从实验结果看光致襄减与电池的1层厚度有关,无论TOV/N1-PVS还是TO/P-V-SS都是如此,其影响程度随1层的减薄而减小,对TO/N-P/SS太阳电池尤其如此。然而在1层掺人少量硼之后,太阳电池的光致衰减会大大地减轻。这表明非晶硅太阳电池的光致褻减可通过选择合适的结构及形成结时的掺杂技术来改善

  光照后电池性能的衰减是由于光生载流子μ乘积值下降所引起的(μ为光生载流子迁移率,ζ为光生载流子寿命) ,或是由于光致带隙态使I层的内建电场衰减所致,这解释了1层厚度与电池衰减的关系。当电池的I层变薄时,光生载流子的收集与μζ乘积值及内建电场强弱的关系不太大,从而衰减较小。I层减薄之后电池的光致衰减会减小,实际上已经测得了扩散长度与光照时间的关系

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  通过测试非晶硅太阳电池被光照后的暗特性J-U及光照后的光谱响应,发现低电压时J增加很多,而高电压时J几乎不变。同时,二极管结的品质因子明显增大,而且短波响应变差。这些现象似乎说明了电池中的复合电流控制了J和FF,电池性能的衰减应与结特性有密切的关系。从内在物理过程看,此效应可能是由于光生载流子的相互作用使得表面的弱Si-H键断裂,从而增加了表面的悬挂键密度所致。掺硼之所以可使衰减减轻,有可能是形成了B-H键,从而减少了弱Si-H键的密度;还有可能是掺硼之后,1层中县有了负电荷,这就抑制了电子陷阱的效应

  基于以上各种测试非晶硅太阳电池光致衰减的现象,取适当的模型用计算机模拟分析及大量的实验也得出类似的结果,其主要结论有以下几点:

  ①光诱导在非晶硅中所产生的缺陷与沉积非晶硅时所产生的缺陷不同,差别在于前者具有更大的俘获截面。

  ②在光谱响应上, 光由P↑层人射的非晶硅太阳电池( ITO/P-I-N/SS)光诱导效应的结果使长波响应下降,而光由N+层入射的非晶硅太阳电池( ITO/N-I-P/SS)光诱导效应的结果使短波响应下降。

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