/ UVID 紫外衰减 /

关键结论

• UV紫外衰减改善，可以从组件封装材料、电池钝化膜层结构设计两方面改善。封装材料改善方向“过滤紫外线”。
• 钝化膜层结构设计方向为：
• 一是增强膜层紫外耐受度；
• 二是调控膜层H含量；
• 三是调控膜层固定电荷密度、电性，提升场钝化效果。

前人研究结论

• UV衰减和组件封装材料老化相关（变色、分层、背板隐裂等）
• UV暴光会破坏晶硅电池表面钝化膜层（SiNx，SiOx，SiOxNy），削弱表面钝化效果
• 双面电池UV衰减高于单面电池
• UV衰减是由晶硅表面或表层问题导致，LID是硅体B-O或者B-Fe复合问题
• UV暴光降低表面钝化的方式：改变膜层固定电荷密度，增大界面态密度
• UV衰减可通过退火、去除损伤的钝化层方式修复
• 热载流子（电子或空穴）产生是UV衰减的另一种模式，载流子密度高于 时，热载流子足够的动能跨越界面势垒，破坏膜层钝化效果，增加界面态密度。

实验方案

研究的电池片类别

• 异质结HJT，ITO/(p+)a-Si/(i)a-Si / (n)c-Si /(i) a-Si/(n+)a-Si/ITO
• IBC电池，正面SiNx/SiO2，背面SiNx
• n-PERT，正面SiNx/SiO2，背面SiNx
• p-PERC，正面SiNx，SiNx/SiO2，背面AlOx/SiNx，SiNx
• Al-BSF，正面SiNx

户外预处理

• 累积户外自然光条件下 ≥15 KW·h，LID光衰后排除光衰因素
• 电池片温度保持低于45℃，避免LeTID问题干扰
• 之后再进行UV衰减验证
• UV衰减实验室 SLAC（新加坡实验室）、NREL（美国国家能源实验室）

加速UV光照测试

• UVA-340荧光光源，295-365nm波长，峰值波段340nm。强度1.24  (~2.5 x UV suns)；
• 温度45±2℃，避免LETID影响
• 时长：2000h，相当于户外2年的紫外光照量

表征

• IV测试
• SIMS二次离子质谱仪，监控H分布变化
• XPS X射线图谱
• 反射率

UVID光学光谱建模

• 针对SiNx减反膜建模，评估SiNx/Si界面
• 250-2500nm范围光波，组件封装材料自上而下对光的吸收、反射建模
• 前表面玻璃反射
• 电池表面发射
• 透射量
• 反射量

结果讨论

1 不同类型电池UV敏感性

未封装电池UV衰减对比

• 异质结HJT衰减幅度最高，平均 -5.46%/年，最高-8%/年
• p-PERC、n-PERT平均衰减 -1%/年
• Al-BSF电池衰减最小 -0.36%/年
• IBC有小幅增益

电性能变化

• 双面电池UV衰减比单面电池更大
• 异质结电池UV衰减，主要是FF、Voc
• PERT、PERC电池UV衰减，主要是Isc、Voc
• IBC电池，FF有增加，Isc、Voc略降低

2 UVID与Si/钝化破坏

2.1 HJ电池

HJ电池UV处理后

• 正面功率衰减 -11%，其中Voc -3%， FF -7%，Isc -1%
• 背面功率衰减-14%，其中Voc -6%，FF -14%，Isc -3.5%
• FF衰减来源于Rs的上升，ITO/a-Si，a-Si/i-Si界面方阻增加
• 未观察到ITO界面腐蚀、开裂晶界变大等问题
• Voc衰减归因于载流子复合
• SIMS图谱显示，UV老化后a-Si/i-Si界面H浓度增加，c-Si硅体H含量降低，i-Si/c-Si界面H含量的减少，饱和悬挂键Si-H键断裂，界面钝化减弱，界面态密度增加。
• XPS图谱显示，ITO膜层In、O、Si配位无显著变化，表明净UV处理后，ITO化学键无变化。

2.2 IBC 电池

UV处理后，IBC电池功率无衰减，反而有小幅增加

• 正面功率增加~2%，背面功率增加~6%

• Isc、Voc衰减 -1~-2%

• FF增加 +3%，8%

• SIMS图谱，UV老化处理后，SiNx/SiO2界面、c-Si硅体H含量均增加。提出假说：UV光子会打断较弱的Si-H键，释放H原子向内层迁移。H是缺陷钝化的关键，但是过量的H会产生H致衰减。

• Isc、Voc的衰减，可归因于H团簇导致的载流子复合

2.3 p-PERC和n-PERT电池

p-PERC电池：正面衰减-1%~-4%，背面衰减-13%

• Isc最高衰减 -10%，Voc -3%
• 正背面差异：
• 正面：SE磷扩选择性发射极/SiNx/SiOx
• 背面：SiNx/AlOx
• 前后表面SiNx膜层的膜厚、折射率不同，正面高折膜厚低于背面~70-80nm；背面低折、膜厚高于正面 ~90-100 nm
• SiNx膜层直接影响UV短波段反射率差异，SiNx膜层折射率越高，对UV紫外线的吸收能力越强

n-PERT电池：

• 不同膜层结构电池UV衰减差异较大，与钝化膜层结构直接相关
• 经UV处理后，膜层Si、O、N含量有变化

2.4 BSF电池

• Al背场电池 UV衰减整体较低

3 UVID和热电子损伤

开路状态 vs 短路状态UV验证

• 短路状态UV功率衰减高于开路状态
• 不同膜层结构对热电子损伤耐受度差异加大

4 PV组件UVID光谱分析

考量：

• 玻璃对UV的反射、吸收，玻璃材料的选择
• POE封装材料对UV的反射、吸收
• 减反膜AR对UV的反射、吸收
• 进入到硅体的紫外光 ![[Pasted image 20240120145650.png]]

4 UVID缓解方案

• 组件封装材料
• 电池设计/制造优化

组件封装材料的选择：

• 过滤紫外线的玻璃
• 过滤紫外线的POE胶膜

电池设计：

• 减反膜结构优化，减少SiNx/Si界面UV光子进入量
• p-PERC设计，背面UV衰减AlOx/(p+)Si相比SiNx的UV稳定性更好。原因一是AlOx膜层与Si中间有一层SiOx界面氧化层，二是固定负电荷密度形成的场钝化效果有助于改善UV特性。

来源：UV-induced degradation of high-efficiency silicon PV modules with different cell architectures