昨日推文詳細(xì)介紹了晶硅光伏組件的LID（光衰）現(xiàn)象原理和解決方案，本文將主要針對LeTID（熱輔助光致衰減，實為氫致衰減）的原理及控制方法進(jìn)行綜述。

一.LeTID的機理研究

LeTID現(xiàn)象具有普遍性。其普遍性體現(xiàn)在不同的硅材料和電池結(jié)構(gòu)都有可能發(fā)生LeTID，對于產(chǎn)品的影響程度不盡相同，這又突出了LeTID的復(fù)雜性。LeTID被發(fā)現(xiàn)后，光伏界知名的學(xué)術(shù)機構(gòu)都對此問題進(jìn)行研究，嘗試給出其真正的原因。

1.1 LeTID的實驗研究

多種實驗方法被用來研究LeTID的根本原因。

使用”Google Scolar”將限定詞限制為“LeTID in crystalline silicon solar cells，自2015年以來”共找到詞條817條。本文僅介紹典型的實驗結(jié)果。

溫度、硅材料和電池結(jié)構(gòu)的影響

溫度升高引起多晶硅電池光衰增大的現(xiàn)象最早由KlausRamspeck發(fā)現(xiàn)于2012年 [1]。如圖1（1），Klaus測試了常規(guī)BSF和PERC兩種電池結(jié)構(gòu)在75℃，400W/m2光衰條件下效率衰減趨勢，電池使用單晶或多晶硅制作。在20小時測試后，單晶PERC電池衰減最大，達(dá)到3%，主要由于BO-LID引起，其次是多晶PERC，準(zhǔn)單晶PERC和單多晶常規(guī)BSF電池。在300小時測試后，多晶PERC光衰大于5%，多晶BSF約3%，鑄造單晶約2%，最終單晶PERC衰減在1.5%左右，單晶BSF在1%以下。因為單晶因BO-LID硼氧復(fù)合體損失的效率在75℃以上會緩慢再生，效率逐漸恢復(fù)。

這五種硅片制作的電池，并沒有經(jīng)過LIR類工藝處理BO-LID。

從300小時的衰減測試過程看，衰減分為幾種。短期光衰（24小時內(nèi)）：單晶PERC電池BO-LID為主，短期光衰大；多晶PERC不應(yīng)有明顯的BO-LID，但其短期的LeTID也較高，其他材料和結(jié)構(gòu)電池短期光衰小于2%。從300小時長期衰減結(jié)果看，多晶PERC的LeTID很大，多晶BSF電池的長時間測試結(jié)果也接近3%，反而單晶PERC和單晶BSF電池的光衰較小且低于2%。

從衰減的趨勢看，多晶PERC和多晶BSF電池的衰減有逐漸增大的趨勢，單晶PERC和單晶BSF電池由于在較高的溫度可以“再生”因部分BO-LID損失的效率，衰減程度呈現(xiàn)先增大后減小的情況，逐漸恢復(fù)初始效率。在有了LIR技術(shù)解決短期的BO-LID后，單晶的短期衰減也可以被有效抑制。而LeTID對多晶材料影響更加明顯，特別是多晶PERC，需要開發(fā)新的方法降低其LeTID。

圖1（2）給出了四種不同溫度條件下的多晶PERC光衰趨勢，光衰時電池溫度上升，會使衰減速度加快即短期衰減幅度增大。每種測試溫度·，得到的衰減程度，衰減速度不盡相同。圖1（2）中都是多晶PERC電池，溫度不穩(wěn)定將難以確定衰減的最大幅度，而圖1（1）中，對于不同的材料以及不同的電池結(jié)構(gòu)，LeTID測試過程中，同時也伴隨著BO-LID的衰減和恢復(fù)過程，使LeTID的真正原因難以從簡單的光衰監(jiān)控實驗中得到結(jié)論。

圖1 （1）CZ-BSF，CZ-PERC，mc-BSF和mc-PERC以及鑄造單晶在75℃，400W/m2光衰條件下效率的衰減趨勢 （2）多晶PERC電池在不同溫度的衰減趨勢（所有電池都沒有經(jīng)過抗光衰處理）

吸雜工藝

磷擴散是晶體硅電池常用的工藝，具有一定的吸雜能力。磷吸雜是指將硅片體內(nèi)的金屬雜質(zhì)吸引到表面擴散層或者磷硅玻璃，其有益的效果是降低硅片體內(nèi)的快速擴散的金屬雜質(zhì)含量。Konstanz大學(xué)的Annika Zuschlag研究了SiNx雙面鈍化的p多晶硅片以及55Ω/□磷吸雜對LeTID過程的影響[2]。使用自校準(zhǔn)時間分辨光致發(fā)光照相（TR-PLI）技術(shù)，樣品在75℃1sun條件下曝曬，實時監(jiān)控多晶硅片中每個點的少子壽命隨時間的變化，如圖2。 沒有磷擴散的樣品，少子壽命衰減都較大，在300小時后，原少子壽命較高的點，少子壽命較早開始恢復(fù)；原少子壽命低的區(qū)域，恢復(fù)被延遲到500小時以上，且恢復(fù)程度較少。有磷擴散的樣品，在曝曬條件下，少子壽命衰減在初期1小時內(nèi)有一定的衰減后，后續(xù)保持基本穩(wěn)定但并沒恢復(fù)。這個實驗說明晶體硅電池普遍使用的磷吸雜，對緩解LeTID有一定的作用。也說明了，LeTID現(xiàn)象在硅片內(nèi)部普遍分布，且在長期光照中，多晶中少子壽命低的區(qū)域是難以恢復(fù)的。

圖2 有效壽命隨著曝曬時間的變化，曝曬條件75℃1sun（左）SiNx雙面鈍化的多晶硅（右）磷擴散吸雜的多晶硅

硅片厚度變化確定雜質(zhì)種類

為了研究引起LeTID缺陷的種類是哪種，一種有效的方法是測試這種雜質(zhì)的擴散系數(shù)進(jìn)行篩選。ISFH的Dennis Bredemeier巧妙的設(shè)計實驗，利用不同的硅片厚度，測試不同厚度硅片的LeTID衰減規(guī)律[3]。如圖3，硅片厚度下降，雜質(zhì)的總含量下降，且呈一定的線性關(guān)系。擬合得到這種雜質(zhì)的在75℃的擴散系數(shù)為范圍為。在常見的雜質(zhì)種類范圍中，Co，Ni，H在和測試的擴散系數(shù)接近。因此，Co，Ni，H中的一種或多種，有可能是LeTID的原因。具體是哪一種，還需要進(jìn)一步研究。

圖3 （1）不同厚度的多晶硅片歸一化雜質(zhì)濃度在LeTID測試條件下的變化（2）由圖1中擬合的普通多晶和高效多晶的最大雜質(zhì)濃度（3）根據(jù)雜質(zhì)的擴散系數(shù)，與常見的雜質(zhì)擴展系數(shù)對比區(qū)分

改變燒結(jié)溫度

有多篇文獻(xiàn)驗證降低燒結(jié)溫度可以降低LeTID[4,5,6]。UNSW Catherine Chan[4]和Daniel Chen[5]從不同角度研究了燒結(jié)溫度對于LeTID行為的影響。燒結(jié)溫度升高，LeTID程度明顯增加，如圖4。UNSW認(rèn)為燒結(jié)過程中，SiNx釋放的氫，是LeTID的主要原因[7]。氫也是在ISFH硅片厚度研究的得到的三種可能雜質(zhì)的范圍內(nèi)[3]。一種可能解決LeTID的方案是進(jìn)行第二次較低溫度的燒結(jié)[4],或者是將燒結(jié)曲線在后半部分增加一個較低溫度的保溫過程，或者慢速冷卻[6]。

圖4 燒結(jié)溫度對于LeTID的影響

改變介質(zhì)層性質(zhì)

介質(zhì)層是電池內(nèi)部主要的氫的來源。常用的介質(zhì)層是SiNx，Al2O3。其中SiNx的氫含量較高，大于10%；Al2O3的氫含量較少，約3%。

2016年，F(xiàn)riederikeKersten發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)時，當(dāng)介質(zhì)膜存在時候，后續(xù)會發(fā)現(xiàn)LeTID現(xiàn)象；當(dāng)介質(zhì)膜不存在，后續(xù)沒有明顯的LeTID[7]，如圖5(1)。

結(jié)合燒結(jié)溫度，鍍膜溫度，膜層物理性質(zhì)等，UNSW CarlosVargas進(jìn)行了更深入的研究[8]。例如圖4中，LeTID的增加是因為燒結(jié)溫度增加，硅片中引入了更多的氫，過多的氫雖然可以臨時提升少子壽命，但也引入了更多不穩(wěn)定的氫源，引起更大的LeTID/HID。圖5比較了氫的釋放量與LeTID相關(guān)缺陷密度的關(guān)系，氫釋放量增加，缺陷密度也增加；沉積SINx的溫度增加，LeTID也有增加的趨勢，如圖5（2）。

圖5 (1) 燒結(jié)時有SiNx/Al2O3介質(zhì)層和無介質(zhì)層的少子壽命對比[7]

（2）氫的釋放量、SiNx沉積溫度和LeTID相關(guān)缺陷密度的關(guān)系[8]

2018年WCPEC會議，UNSW進(jìn)一步的驗證，增加沉積SiNx厚度，LeTID相關(guān)的缺陷也是線性增加趨勢 [9]。如圖6。

圖6 增加SiNx厚度，SiNx沉積條件和參數(shù)接近，LeTID相關(guān)缺陷增加[9]

暗退火

對于BO-LID，暗退火可以使已經(jīng)再生的硼氧復(fù)合體被分解，再一次光照產(chǎn)生新的衰減循環(huán)。這樣的循環(huán)被“加速光衰-暗退火”過程驗證。循環(huán)過程周期，幅度接近。

而LeTID的“加速光衰-暗退火”循環(huán)，循環(huán)的時間周期不同，幅度逐漸下降。這個現(xiàn)象UNSW使用“四態(tài)”模型解釋，引入了”缺陷前驅(qū)體儲存態(tài)”。Professor Stuart提出了通俗易懂的“水桶理論”。簡而言之，就是減少儲存態(tài)“水桶”中的氫可以降低LeTID/HID。

圖7（a）BO-LID的加速光衰-暗退火循環(huán)（b）LeITD的LIR-暗退火循環(huán)[10]

1.2 HID

根據(jù)現(xiàn)有的知識分析，在硅片中多余的氫，是LeTID的主要因素。

Stuart教授使用氫的水桶理論解釋LeTID/HID，氫在不同的水桶中轉(zhuǎn)移，如圖8。電池在燒結(jié)后，氫會儲存在水桶B1（臨時儲存缺陷前驅(qū)體）和B2（缺陷前驅(qū)體）。在LeTID的測試條件下（例如75℃，1sun），氫向水桶B3（形成缺陷）轉(zhuǎn)移，而這會引起衰減。最初，B1水桶中的氫是滿狀態(tài)，B2是半滿；逐漸B3中氫變多，B1和B2中的減少，B3中的氫達(dá)到最多時，衰減達(dá)到最大值。LeTID在長時間光照后逐漸恢復(fù)，即B3桶逐漸變空，條件是B1，B2，B3都要變空，才能夠使LeTID充分恢復(fù)。通常，電池在SiNx沉積后，大量的氫儲存在SiNx中；燒結(jié)后，SiNx中的氫釋放到硅體內(nèi)，氫有可能儲存在硅片中各個位置，例如重?fù)诫s層，與其他雜質(zhì)結(jié)合，與摻雜劑硼結(jié)合，與硅片中的空位，位錯，層錯，晶界結(jié)合。具體的，例如氫的二聚體（H2）可以認(rèn)為是B1，氫與硼結(jié)合的B-H可以認(rèn)為是B2，B-H鍵很容易在光照下斷裂?？焖偻嘶鸶淖傿1，B2桶內(nèi)氫含量（促進(jìn)B1的H向B2轉(zhuǎn)移），B2桶氫流向B3形成缺陷引起復(fù)合（光衰）。

圖8 Stuart教授的HID水桶理論

二.光伏產(chǎn)品各環(huán)節(jié)對于LeTID/HID的控制

LeTID現(xiàn)象成因復(fù)雜，但從第一部分的分析可以看出，氫是其中的主要因素。LeTID/HID的可能解決方法就是去除氫。但對于晶體硅電池來說，氫是必不可少的鈍化源，氫對器件缺陷的鈍化有助于提升電池的開路電壓與效率；特別是低質(zhì)量硅片更需要氫鈍化。因此在光伏產(chǎn)品制造的每個環(huán)節(jié)，掌握控制氫的技術(shù)，是制造穩(wěn)定的電池的關(guān)鍵。

2.1 硅片

太陽能級硅片的制造方法分為直拉和鑄造兩種，產(chǎn)品是單晶和多晶。

單晶的晶格完整，缺陷較少。在單晶中，儲氫的位置包括摻雜劑，空位，填隙，少量的金屬雜質(zhì)等。

多晶硅片相比于單晶常見的缺陷位置還有位錯網(wǎng)絡(luò)，晶界，以及更多的金屬。更高的缺陷密度，需要更好的氫鈍化，但SiNx提供氫鈍化的同時，多晶硅片內(nèi)部儲存了更多的氫，使HID嚴(yán)重且衰減過程漫長。

由于硅片中所有的不完美結(jié)構(gòu)都有可能限氫，硅片制造商需盡力減少硅片的缺陷和雜質(zhì)。顯然，這個任務(wù)對于多晶來說更加艱巨。

2.2 電池

在電池制造過程中，氫來自于SiNx的釋放。氫的控制需要細(xì)致處理電池工藝中的熱過程。包括SiNx鍍膜的溫度；金屬化溫度，時間，冷卻過程等。SiNx的性質(zhì)影響電池鈍化性能，還影響產(chǎn)品的外觀。PERC電池，雙面都有SiNx，氫源進(jìn)一步增加。氫鈍化效果提升，體內(nèi)的氫也增加，HID風(fēng)險加大。

假如完美的電池工藝可以提供足夠的氫鈍化即可，不引入過多的氫。但現(xiàn)在的電池金屬化燒結(jié)要求高溫玻璃融化并且燒穿氮化硅形成接觸，這使得燒結(jié)工藝過程可調(diào)節(jié)的范圍不大，700℃以上的高溫引入了過多的氫。

單多晶PERC電池的LeTID的區(qū)別，與各自硅片體內(nèi)多余的氫含量相關(guān)。氫濃度增加，HID衰減會增大；HID的恢復(fù)，需要氫清除出硅片的體內(nèi)。多晶結(jié)構(gòu)有更多的與氫的結(jié)合點，例如更多帶正電的金屬，會阻礙氫離子運動；在多晶缺陷很多的位置，例如原始少子壽命很低的位置，LeTID/HID將難以恢復(fù)，如圖2中的黑色曲線。

2.3 產(chǎn)品和用戶注意事項

因為LeTID程度和組件所處的溫度有關(guān)，一般組件工作溫度小于70℃，溫度上升，LeTID增大。對于制造組件產(chǎn)品的制造商來說。需要優(yōu)化產(chǎn)品的材料和工藝，降低組件工作溫度。這一點難度甚高，特別是在組件效率不斷提升的情況下。產(chǎn)品電流的提升也增加組件的工作溫度。

在用戶端，安裝時需注意消除熱斑現(xiàn)象，更好的通風(fēng)環(huán)境都有助于降低組件的工作溫度，減少LeTID。