Aaron PV
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/ LID&LeTID 光衰综述-研读笔记 /
影响LID和LeTID的主要因素：
材料特性： 硅片的掺杂类型（p型或n型）和掺杂水平对LID和LeTID的影响有显著影响。 光照条件：光照强度和光照时间是LID发生的关键因素，光照可以激活硼-氧（B-O）缺陷的形成。 温度：高温可以加剧LeTID现象，因为在高温下，材料中的缺陷更容易形成和迁移。 硅片质量：硅片中的氧含量和金属杂质水平对LID和LeTID的影响很大，高氧含量可能增加B-O缺陷的形成。 制造工艺：包括烧结过程、钝化层的沉积、接触的形成等在内的制造工艺步骤，都会影响LID和LeTID的程度。 钝化层材料：钝化层的质量和材料类型对LeTID有显著影响，因为钝化层可以影响氢的释放和扩散。 电池结构：太阳能电池的设计，如PERC、IBC或其他结构，可能会影响LID和LeTID的敏感性。 化学环境：制造过程中使用的化学品，如掺杂剂、清洗剂等，可能会影响材料的电学特性和缺陷的形成。 内部应力：由于热膨胀系数的差异或机械加工引起的内部应力，可能会在电池中产生微裂纹或其他缺陷。 环境因素：包括湿度、紫外线强度和其他环境因素，这些都可能影响太阳能电池的长期稳定性。 电池的初始性能：电池在制造后的初始性能水平也会影响LID和LeTID的影响程度。
缺陷表征
缺陷表征（defect characterization）是太阳能电池和半导体材料研究中的一个重要环节，通过表征技术，研究人员可以深入了解太阳能电池材料中的缺陷类型、浓度、分布以及它们对电池性能的影响，从而为改进材料质量和电池设计提供科学依据。以下是缺陷表征常见量仪：
载流子寿命测量：通过测量载流子（电子和空穴）在材料中的寿命，可以评估缺陷对复合率的影响。 光电导衰减：使用光电导衰减技术可以测量材料中缺陷的浓度和活性。 深能级瞬态谱：深能级瞬态谱（DLTS）是一种用于表征半导体材料中深能级缺陷的技术。 光致发光：通过光致发光（PL）技术，可以映射材料的发光特性，从而识别缺陷分布和材料质量。 透射电子显微镜：使用透射电子显微镜（TEM）可以观察材料的微观结构，包括晶格缺陷和杂质。 扫描电子显微镜：扫描电子显微镜（SEM）可以提供材料表面的高分辨率图像，有助于识别表面缺陷。 X射线衍射：X射线衍射（XRD）技术可以用来分析材料的晶体结构和晶格参数。 拉曼光谱：拉曼光谱可以提供关于材料应力和晶体质量的信息。 电容-电压特性：电容-电压（C-V）特性测试可以揭示材料的掺杂水平和电学性质。 电流-电压特性：通过测量电流-电压（I-V）特性，可以评估太阳能电池的性能和缺陷的影响。 温度依赖性测试：在不同温度下进行测试，可以评估缺陷的热激活特性。 时间分辨测量：时间分辨的测量可以揭示缺陷的动态行为，例如在光照或热处理后的恢复过程。 二次离子质谱：二次离子质谱（SIMS）可以用于分析材料中杂质元素的深度分布。 弹性反冲探测分析：弹性反冲探测分析（ERDA）可以测量材料中氢的深度分布和扩散行为。 电化学电容-电压特性：电化学电容-电压（EC-V）特性可以提供关于材料表面态和界面态的信息。
1. B-O LID衰减机制
B-O三态模型
状态A（初始状态）：在硅晶体中，初始状态的B-O缺陷前体是非活性的复合体，即它们不会捕获和复合光生载流子。 状态B（活性状态）：当硅太阳能电池暴露于光照和高温条件下时，状态A的缺陷前体会转变为状态B的B-O缺陷，这些缺陷是复合活性的。状态B的缺陷会增加复合速率，导致电池性能下降。 状态C（再生状态）：通过暗退火过程（在没有光照的条件下加热），状态B的B-O缺陷可以逆转回到状态C，这是一个稳定的非复合状态。在状态C下，缺陷不再影响电池的载流子寿命。 状态转变：状态A和状态B之间的转变受光照和温度的影响，而状态B到状态C的转变通常通过热处理实现，如暗退火或光照下的高温处理。 缺陷浓度：在状态A和状态B之间，缺陷的浓度会随着光照条件和时间而变化。光照可以加速B-O复合体的形成，而适当的热处理可以促进缺陷的再生。 氢的作用：氢在B-O缺陷的再生过程中扮演重要角色。在适当的电荷状态下，氢可以与B-O缺陷相互作用，促进缺陷从状态B向状态C的转变。 再生技术：通过光照再生和电流注入再生技术，可以有效地促进B-O缺陷从状态B向状态C的转变，恢复太阳能电池的性能。
B-O四态模型
状态A（初始状态）：硼和氧在硅中的初始状态，此时缺陷前体尚未形成，对载流子的复合影响较小。 状态B（活性状态）：在光照和高温条件下，B-O缺陷形成并转变为活性状态，这时的缺陷具有复合活性，会导致电池性能下降。 状态C（再生状态）：通过热处理或特定的再生过程，活性的B-O缺陷可以转变为非复合的稳定状态C，此时缺陷对电池性能的影响被消除或降低。 状态D（热解激活状态）：在某些条件下，如快速烧结过程中，B-O缺陷可能通过热解作用进入状态D。状态D的缺陷是复合非活性的，但与状态C不同，状态D可能在没有氢参与的情况下形成。 状态转变：状态A可以通过光照和高温转变为状态B；状态B可以通过暗退火或光照下的高温处理转变为状态C；状态C可能在过高温度下或特定条件下转变为状态D。 氢的作用：氢在状态B到状态C的转变中起到关键的钝化作用，但在状态D的形成中可能不是必须的。 再生技术：通过光照再生和电流注入再生技术，可以促进B-O缺陷从状态B向状态C的转变，而状态D的形成可能需要不同的处理条件。 模型意义：四态模型提供了一个更细致的框架来理解B-O缺陷在硅太阳能电池中的动态行为，包括它们如何响应不同的热和光照条件。 实验验证：四态模型的提出是基于实验观察和理论分析，通过测量太阳能电池的光电性能变化来验证不同状态之间的转变。
再生过程中缺陷形成的作用，特别是在经历光诱导衰减（LID）的太阳能电池中，对于理解和提高基于硅的太阳能电池的性能和稳定性至关重要。以下是缺陷形成在再生过程中的作用概述：
初始衰减：缺陷的形成，如p型硅中的B-O复合体，启动了LID过程，导致太阳能电池性能的初始衰减。 热激活：这些缺陷的形成和再生是热激活的，即它们受温度影响。缺陷形成和随后再生的速率取决于再生过程中提供的热预算。 光照强度：缺陷形成速率取决于光照强度。低光照强度有助于B-O缺陷的生成，而更高的强度有利于加速缺陷的再生过程。 再生过程：再生过程旨在逆转由缺陷引起的衰减。这是通过施加热量和/或光照来实现的，这为将缺陷从活性状态转变为稳定、非活性状态提供了所需的能量。 氢的钝化作用：氢在再生过程中扮演着重要的角色。它可以通过与缺陷相互作用来钝化缺陷，改变它们电荷状态，减少它们的复合活性。 缺陷转变：在再生过程中，缺陷从复合活性状态（状态B）转变为复合非活性状态（状态C）。这种转变对于恢复太阳能电池性能至关重要。 缺陷形成动力学：缺陷形成和随后钝化的速率影响再生过程的效率。 温度优化：再生有一个最佳的温度范围。太低，反应太慢；太高，缺陷可能无法完全再生或可能重新激活。 过量氢的作用：过量的间隙氢可能有害，导致氢诱导衰减（HID）。然而，当适当控制时，氢可以有效地钝化缺陷，有助于再生过程。 稳定性和寿命：再生的目标不仅是恢复初始性能，而且还要通过减少缺陷的复合活性来确保太阳能电池的稳定性和寿命。
光照强度 ＜ 1 mW/cm2时，B-O缺陷产生 光照强度 >> 100 mW/cm2时，再生过程之前会加速缺陷产生速率
2. LeTID机理
LeTID（Light and Elevated Temperature Induced Degradation，光热衰减）LeTID衰减机理的主要内容：
LeTID现象：LeTID通常在太阳能电池制造过程中的高温烧结步骤后发生，此时电池暴露在光照和高温条件下，可能导致性能下降。 影响因素：LeTID的严重程度受多种因素影响，包括烧结过程中的峰值温度、加热和冷却速率、以及电池的掺杂类型和浓度。 缺陷形成：LeTID与硅片中的金属杂质和氢的行为有关。在高温下，氢可能从钝化层释放并扩散到硅基底中，与金属杂质形成复合体，增加复合中心的数量。 温度的影响：高温烧结过程可能导致更多的氢从钝化层释放，并且高温也有助于氢在硅中的扩散，这可能导致更多的复合中心形成。 时间依赖性：LeTID的影响随时间变化，通常在初始的光照和高温暴露后性能下降最为显著，随后可能会逐渐稳定。 钝化层的作用：钝化层的质量和组成对LeTID有重要影响。含有氢的钝化层可能在高温下释放氢，影响硅基底的电学性质。
烧结峰值温度对LeTID影响的几个关键点：
热应力：烧结过程中的峰值温度是影响LeTID的关键因素之一。较高的峰值温度可能会增加硅片中的热应力，从而可能导致更多的缺陷生成。 氢的行为：在高温烧结过程中，氢可能从钝化层中释放出来，并在硅片中扩散。这种氢的移动可能会与硅片中的其他元素反应，形成新的缺陷或改变现有缺陷的性质。 金属杂质激活：高温可能激活硅片中的金属杂质，这些杂质可以作为复合中心，增加电子和空穴的复合率，从而降低太阳能电池的性能。 烧结温度与LeTID的关联：研究表明，存在一个几乎线性的关系，峰值烧结温度越高，LeTID现象越严重。这意味着电池在更高的烧结温度下会遭受更大的性能损失。 钝化层影响：烧结过程中使用的不同钝化层材料（如SiNx、Al2O3/SiNx和AlOx/SiNx）对LeTID的影响也不同。某些含有氢的钝化层可能在高温下释放氢，影响LeTID的程度。 冷却速率：除了峰值温度外，烧结过程中的加热和冷却速率也会影响LeTID。较慢的冷却速率可能有助于减少由于热应力引起的缺陷。 电池结构的敏感性：不同的太阳能电池结构（如单晶硅和多晶硅）对LeTID的敏感性不同。某些结构可能由于其晶体缺陷的密度或类型而更容易受到LeTID的影响。 工艺优化：通过优化烧结工艺，如调整峰值温度、加热和冷却速率，以及使用适当的钝化层材料，可以最小化LeTID的影响。
钝化膜层对LeTID（光和高温诱导衰减）的影响主要体现在以下几个方面：
氢的释放：钝化膜层，尤其是含有氢的钝化层（如SiNx、Al2O3/SiNx和AlOx/SiNx），在高温烧结过程中可能会释放氢。这些释放的氢原子可以扩散到硅片的体内，影响硅片的电学性质。 缺陷形成：钝化层中释放的氢可能与硅片中的金属杂质形成复合体，增加复合中心的数量，从而导致LeTID现象。 钝化质量：钝化层的质量直接影响LeTID的程度。高质量的钝化层可以减少表面和体内缺陷，从而降低LeTID的影响。 钝化层厚度：钝化层的厚度可能会影响LeTID现象。较厚的钝化层可能会增加氢的释放量，从而加剧LeTID。 钝化层材料：不同的钝化层材料（如SiNx、Al2O3、AlOx等）具有不同的化学和物理特性，这些特性可能会影响LeTID的程度。 热稳定性：钝化层的热稳定性在高温烧结过程中至关重要。热稳定性较差的钝化层可能在高温下分解或改变结构，导致LeTID。 冷却速率：烧结过程中的冷却速率也会影响钝化层中氢的释放和扩散。较慢的冷却速率可能有助于减少由于热应力引起的缺陷。
3. H在衰减和再生过程中的作用
氢（H）在处理光诱导衰减（LID）和光和高温诱导衰减（LeTID）时，主要作用概述：
氢的钝化作用：氢原子可以钝化硅片中的金属和非金属缺陷，包括B-O复合体。这种钝化作用有助于减少复合中心，提高电池的性能。 缺陷再生：在LID和LeTID的再生过程中，氢有助于将活性缺陷转变为非活性状态。例如，在B-O复合体的情况下，氢的存在可以促进从复合活性状态（状态B）向非复合非活性状态（状态C）的转变。 氢的电荷状态：氢在硅中的电荷状态（H⁺、H⁰、H⁻）对其钝化能力至关重要。特别是，中性氢原子（H⁰）因其高迁移率和反应性，能够有效地与缺陷相互作用。 光照和温度的影响：光照和高温可以激活氢原子，使其从束缚态变为自由态，从而增加其与缺陷相互作用的概率，促进再生过程。 氢诱导的退化（HID）：然而，过量的氢也可能导致氢诱导的退化。在某些条件下，氢原子可能与硅片中的掺杂剂或缺陷结合，形成新的复合中心，加剧LeTID。 氢的扩散：在高温下，氢在硅片中的扩散速率增加，有助于其到达缺陷位置并参与再生过程。 氢的来源：氢可能来源于电池制造过程中使用的钝化层材料，如SiNx、Al2O3或AlOx，这些材料在高温下可能释放氢。 工艺优化：通过优化烧结和退火工艺，可以控制氢的释放和扩散，从而减少LeTID并提高电池的再生效率。 氢的控制：在电池设计和制造过程中，控制氢的浓度和分布对于最小化LeTID和最大化再生效果至关重要。 再生方法：氢在光照再生和电流注入再生两种主要的再生方法中都发挥作用。在光照再生中，光照激活氢原子；在电流注入再生中，电流提供了必要的载流子，有助于氢原子的移动和钝化作用。
4. 光注入处理
光注入处理（Illuminated regeneration process）是一种用于恢复因光诱导衰减（LID）和光和高温诱导衰减（LeTID）导致性能下降的方法。通过精确控制光照和温度条件，可以实现太阳能电池性能的快速恢复。以下是光注入处理对LID和LeTID的修复作用的概述：
光注入原理：光注入处理通过向太阳能电池施加光照，以激活电池中的载流子（电子和空穴），从而促进缺陷的再生过程。 缺陷再生：光照可以加速硼-氧（B-O）缺陷等的再生，将其从不活跃状态（状态A）转变为活跃状态（状态B），然后再转变为稳定状态（状态C）。 温度效应：在光注入过程中，适当的温度控制可以提高缺陷的再生速率，通常在200-300°C范围内进行。 光照强度：使用高光照强度（通常超过20个太阳强度）可以缩短再生所需的时间，实现快速修复。 载流子浓度：光照增加了硅片中的载流子浓度，特别是中性氢原子（H⁰）的浓度，这些中性氢原子有助于钝化B-O缺陷。 稳定性测试：光注入处理后的电池需要进行稳定性测试，以确保修复效果的长期稳定性。 商业应用：光注入处理已被证明在商业生产中有效，可以减少LID和LeTID对太阳能电池性能的影响。 设备和工具：工业上使用的光注入设备包括集成的快速烧结和再生工具，以及独立式的激光或灯光源再生设备。 工艺优化：通过优化光照条件、温度和时间，可以找到最佳的再生参数，以实现电池性能的最大恢复。 再生效果：光注入处理已被证明能够显著恢复太阳能电池的开路电压（Voc）、短路电流（Isc）、填充因子（FF）和整体效率。
5. 电注入处理
电注入处理（Current injection for performance recovery）是另一种用于恢复因光诱导衰减（LID）和光和高温诱导衰减（LeTID）导致性能下降的方法。
电注入原理：电注入处理通过向太阳能电池施加电流，以增加硅片中的载流子浓度，特别是中性氢原子（H⁰），这些中性氢原子有助于钝化B-O缺陷。 缺陷再生：电流注入提供了必要的电子和空穴，这些载流子可以与缺陷相互作用，促进缺陷从活性状态（状态B）转变为非活性状态（状态C）。 温度控制：电注入处理通常在一定的温度范围内进行，以提高缺陷的再生速率。温度过低可能不足以激活必要的反应，而温度过高可能导致缺陷重新激活。 电流密度：施加的电流密度需要足够高以促进缺陷的再生，但又不能过高以至于引起额外的损伤。 稳定性测试：电注入处理后的电池同样需要进行稳定性测试，以确保修复效果的长期稳定性。 商业应用：电注入处理在商业生产中也是一种可行的方法，可以减少LID和LeTID对太阳能电池性能的影响。 设备和工具：工业上使用的电注入设备可以是专门的电流注入器，它们能够提供稳定和可控的电流。 工艺优化：通过优化电流密度、温度和时间，可以找到最佳的再生参数，以实现电池性能的最大恢复。 再生效果：电注入处理已被证明能够显著恢复太阳能电池的开路电压（Voc）、短路电流（Isc）、填充因子（FF）和整体效率。
光注入 vs 电注入比较
光注入（Illuminated regeneration）和电注入（Current injection）是两种用于修复因光诱导衰减（LID）和光和高温诱导衰减（LeTID）导致性能下降的太阳能电池的方法。以下是两种方法的比较：
原理差异：
光注入：依赖于光照来激发硅中的载流子，特别是通过光激发产生的电子-空穴对，以促进缺陷的再生。 电注入：通过施加电流直接向硅材料中注入载流子，这些载流子随后与缺陷相互作用。
两种方法都旨在恢复太阳能电池的性能，通过减少复合中心和修复缺陷来提高电池的效率。
光注入：通常可以在较短的时间内完成，特别是使用高光照强度时。 电注入：可能需要更长的时间来达到相同的修复效果，具体时间取决于电流密度和温度。
光注入：虽然也需要一定的温度来促进氢的扩散，但对温度的依赖性可能不如电注入明显。 电注入：通常在较高的温度下进行，以增加载流子的迁移率和缺陷的再生速率。
光注入：可能需要使用太阳模拟器或高强度的灯光源，以及对光照条件的精确控制。 电注入：需要使用电流源和可能的加热设备，以及对电流和温度的精确控制。
光注入：由于其快速性和设备相对简单，可能更适合快速大规模生产。 电注入：可能更适合需要更精细控制的修复过程，或在光照条件不理想的情况下使用。
两种方法都需要经过稳定性测试，以确保修复效果的长期性。一些研究表明，光注入可能提供更稳定的长期效果。
光注入和电注入的成本效益比可能因具体的实施条件和设备要求而异。总体而言，光注入和电注入各有优势和局限性，选择哪种方法取决于具体的应用场景、成本效益考量以及所需的修复效果。在实际应用中，可能还会结合使用这两种方法，以实现最佳的修复效果。
来源：Status review and future perspectives on mitigating light-induced degradation on silicon-based solar cells DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112223 关键词：光衰，LID，LeTID，HID，光热衰减，氢致衰减，光注入，电注入 辅助工具：kimi.mooshot，AI
