组件杀手太阳电池的热击穿

组件杀手太阳电池的热击穿第1页，共56页，2023年，2月20日，星期日序言组件损伤的照片。经过我们初步研究后判定组件损伤是由组件内太阳电池热击穿所致。2第2页，共56页，2023年，2月20日，星期日序言3第3页，共56页，2023年，2月20日，星期日P-N结的击穿分为两类电击穿和热击穿4第4页，共56页，2023年，2月20日，星期日P-N结的击穿1.P-N结的电击穿当P-N结施加反向偏压增大到某一数值VBR时，反向电流密度突然开始增大，这个现象称为P-N结击穿。BRVⅠPNA-+A+-5第5页，共56页，2023年，2月20日，星期日P-N结的击穿1.1雪崩击穿雪崩击穿是指由于载流子雪崩般大量增加，而产生的电击穿。击穿电压大于6伏时，主要是雪崩击穿。当P-N结上的反向电压增加，耗尽层中的电场也增加。当电场强度达到105伏/cm以上时，耗尽层中热产生的电子和空穴在电场的作用下加速，获得相当大的能量。它们与晶格原子碰撞，把能量传给晶格原子中的价电子，使之脱离原子的束缚而成为载流子。这就产生了一对电子一空穴对。新老载流子在电场作用下加速，再重复上述载流子倍增过程，结果是耗尽层中的载流子雪崩般地倍增，使反向电流迅速增大。P-N结的电击穿有两种机理：一是雪崩击穿，二是齐纳击穿。6第6页，共56页，2023年，2月20日，星期日1.2齐纳击穿P-N结的齐纳击穿是本质上不同于雪崩击穿的一种电击穿机理。它主要依靠耗尽层中的强电场（约106伏/cm）直接把晶格原子中的价电子从束缚状态中解放出来为载流子，从而使反向电流剧增。它适用于击穿电压在4伏以下的锗、硅PN结的电击穿。P-N结的击穿7第7页，共56页，2023年，2月20日，星期日P-N结的击穿2.PN结的热击穿因P-N结的反向电流是由结两边扩散区内热激发的少数载流子的扩散运动及耗尽层内热激发的电子、空穴的溧移运动形成的。这些载流子密度随温度迅速增大，因而反向电流也随温度而迅速增大。在适当条件下，反偏P-N结的功耗引起结温的升高，使P-N结的反向电流增大。PN结的功耗进一步增大，结温进一步升高，因而P-N结的反向电流又进一步增大。如此循环，反向电流可无限增大，结果使P-N结烧毁。这种现象称为热击穿。8第8页，共56页，2023年，2月20日，星期日P-N结的击穿

3.热斑与热击穿对太阳电池组件而言，热斑与热击穿都是指太阳电池的发热都是在反向偏压作用下产生的。即便是高效太阳电池（η≥17%），一旦有树木、建筑物、树叶、省屎鸟粪、天空浮云被部份或全部遮挡就会产生。而热击穿多数是组件中掺有低效率≤16.5%，有问题的太阳电池在阳光照射下，即使没有被任何物体遮挡，也会由局部发热直到损伤。而从实践来看，由高效太阳电池（η≥17%）热阻较小，装配组件基本上不会产生热击穿的。

综上所述，热击穿和热斑是有所关联的，后果虽然一致，但概念完全不一样。换言之，热击穿是由内因造成的热损坏，热斑效应是由外因造成的热损坏。9第9页，共56页，2023年，2月20日，星期日组件的热击穿10第10页，共56页，2023年，2月20日，星期日相关图片发热点造成了组件背板被烧穿和大的鼓包。11第11页，共56页，2023年，2月20日，星期日123456123456789101112发热点位置分布12第12页，共56页，2023年，2月20日，星期日121110987654321123456EL测试照片及发热点位置分布对应图13第13页，共56页，2023年，2月20日，星期日原始测试相关数据14第14页，共56页，2023年，2月20日，星期日退回后重测数据15第15页，共56页，2023年，2月20日，星期日组件的热击穿1、EL测试照片显示组件电池片碎片、裂片非常严重。72片中只有11片完整没有碎裂。第三串、第四串红点处均为热击穿造成P-N结损坏。从EL照片上看，因没有电注入少数载流子显现黑色。2、假设3-11处橙红处，由于原先是隐裂，在环境作用下变为明裂断开。引用Wenham教授应用光伏学5-5热点过热（如图）。“坏”电池和二极管上消耗的能量约等于一个“好”电池的输出能量，这个消耗的能量是使“坏”电池发热的能量。“坏”电池处于热击穿的过程中，由于热产生大量载流子，这些载流子使晶片处于负阻状态，在反偏电压作用下又产生热，使结温升高直至P-N损坏。分析：16第16页，共56页，2023年，2月20日，星期日组件的热击穿3、在这个过程中EVA加热分解，EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）分子式：

由于CO、CO2处于被TPT玻璃密封环境，气体压力急剧上升。当气体压力大于TPT与未燃烧EVA的粘结力时依据压力大小，在发热点处形成大小不一的凸泡。当然TPT在受热时也会强度降低。当气体压力大于TPT分子团之间引力时，TPT就爆穿了。玻璃破裂也是局部过热所致。众所周知，钢化玻璃一旦某一点破裂，就会导致整块玻璃溃裂。（C2H4)x(C4H6O2)ymCO+nCO2+pH2O燃烧17第17页，共56页，2023年，2月20日，星期日组件的热击穿

肯定是消除组件层压过程中的裂片和隐裂。今天的隐裂就是明天的裂片。虽然，克服裂片和隐裂做了很多的工作，但现状还不尽人意的。改进措施18第18页，共56页，2023年，2月20日，星期日组件的热击穿上面的案例应该是个案，但是产生“热击穿”的因素还是广泛存在着。19第19页，共56页，2023年，2月20日，星期日组件的热击穿20第20页，共56页，2023年，2月20日，星期日组件的热击穿

上述照片和红外相片是从光伏电站拍摄而得。见电池地方说明受热化冰了，红外相片，可以清楚看到发热的太阳电池发生了热击穿。但是一旦发生热击穿并不立即烧毁太阳电池的P-N结。这是因为组件处于户外低温环境中，热阻小散热条件较好。组件TPT玻璃均处于动态温度平衡之中。这个动态平衡温度远低于损坏P-N结时结温。故组件太阳电池不会损坏，但也不能说组件不存在质量问题。21第21页，共56页，2023年，2月20日，星期日组件的热击穿22第22页，共56页，2023年，2月20日，星期日组件的热击穿23第23页，共56页，2023年，2月20日，星期日组件的热击穿24第24页，共56页，2023年，2月20日，星期日组件的热击穿单晶电池TR图，揭示了组件光伏特性、光热特性，它们是存在有机的内在联系的。导致“曲线台阶”组件，台阶部份是损失功率部份，恰之是提供“热击穿”热量。造成“热击穿”的主要原因是黑心片、黑斑片。

25第25页，共56页，2023年，2月20日，星期日组件的热击穿由于黑心片、黑斑片造成电池片发热，对电池片EVA会有加速降解失效的危险，对组件电池的寿命承诺难以保证。26第26页，共56页，2023年，2月20日，星期日形成黑心片、黑斑片主要成因27第27页，共56页，2023年，2月20日，星期日EL成像下黑心片、黑斑片的照片：28第28页，共56页，2023年，2月20日，星期日EL光强度和少子分布密度成正比：

EL照片中黑心片和黑斑片是反映在通电情况下该部分没有发出1150nm的红外光，故红外相片中反映出黑心和黑斑，发光现象和硅衬底少数载流子浓度有关。29第29页，共56页，2023年，2月20日，星期日黑斑与杂质原子分布无关：BPCOAlCrMnFeNi黑圈2-11.30E+16<2E14<1e161.06E+18<7E13<5E12<1E13<1E13<1E142-21.31E+16<2e14<1e161.02E+18<7E13<5E12<1E13<1E13<1E14黑斑4-11.07E+161.10E+153.10E+161.31E+18<7E13<1E13<1E13<3E13<1E144-21.10E+161.00E+153.30E+168.7E+17<7E13<3E13<1E13<3E13<1E14

一般少数载流子的寿命和含污染杂质含量及位错密度有关。蒋仙作出了黑斑处边界两边（即有黑斑处和无黑斑处）杂质原子SIMS试验发现两边杂质原子含量一样，没有变化。SIMS测试结果：30第30页，共56页，2023年，2月20日，星期日黑斑处位错密度：

这样少数载流子的寿命和位错密度有关，蒋仙测了单晶黑斑中心区域位错密度>107个/cm2，如下面两张图所示：31第31页，共56页，2023年，2月20日，星期日中心黑斑区域，位错密度>107个/cm2

32第32页，共56页，2023年，2月20日，星期日黑斑边缘区域，位错密度>106个/cm2

33第33页，共56页，2023年，2月20日，星期日无位错密度标准≤3000个/cm2

黑斑边缘区域位错密度>106个/cm2均为无位错单晶要求1000～10000倍，这是相当大的位错密度了。34第34页，共56页，2023年，2月20日，星期日少子扩散长度与位错密度的关系：

晶体硅片的扩散长度和位错密度是有联系的。用SPV（SurfacePhoto-Voltage）法测得多晶硅片的扩散长度和用tash腐蚀法测得位错密度EPD：EtchPitDensity进行比较，扩散长度DL短的区域恰恰是EDP位错密度高的区域。（见下图）少子扩散长度与少子寿命公式：Lp=（Dpζ）0.535第35页，共56页，2023年，2月20日，星期日扩散长度DL和EDP位错密度高的区域的关系图：本资料来自《夏普技报第93号（2005年12月刊）》——“HighEfficiencyMulti-crystallineSiliconSolarCells”36第36页，共56页，2023年，2月20日，星期日各个厂家硅片位错密度：蒋仙测了各厂家硅片的位错密度，如下：1.镇江环太W02HT70185位错密度：5*104～2*105个/cm2

37第37页，共56页，2023年，2月20日，星期日各个厂家硅片位错密度：2.镇江环太W02HT70198位错密度：3*104～2*105个/cm2

38第38页，共56页，2023年，2月20日，星期日各个厂家硅片位错密度：3.镇江环太W02HT70106位错密度：5*104～7*105个/cm2

39第39页，共56页，2023年，2月20日，星期日各个厂家硅片位错密度：4.浙江昱辉w02zy7002位错密度：104～105个/cm2

40第40页，共56页，2023年，2月20日，星期日各个厂家硅片位错密度：5.宁海日升W02RS7002位错密度：6*104～105个/cm2

41第41页，共56页，2023年，2月20日，星期日各个厂家硅片位错密度：6.江苏顺大W02SD70042位错密度：2*104～105个/cm2

42第42页，共56页，2023年，2月20日，星期日各个厂家硅片位错密度：7.江西LDK（多晶）W21JX70100位错密度很高，106～107个/cm2，尤其是晶界附近存在大量的微缺陷、位错排、位错群和小角晶界，从位错形状上看，应该是<111>面上的缺陷。43第43页，共56页，2023年，2月20日，星期日各个厂家硅片位错密度：44第44页，共56页，2023年，2月20日，星期日各个厂家硅片位错密度：45第45页，共56页，2023年，2月20日，星期日各个厂家硅片位错密度：46第46页，共56页，2023年，2月20日，星期日各个厂家硅片位错密度：

47第47页，共56页，2023年，2月20日，星期日分析：1.近年来，单晶硅片供应商为了利益最大化，奉行只要单晶不掉苞就是好工艺。例无位错拉晶工艺要求籽晶用无位错拉晶切割，在拉晶过程中下种引颈长度要大于一个晶锭直径才能把位错排净，方可放肩。而现在引颈长度120-140mm完全低于6吋直径150mm单晶。2.单晶收尾时锅底料要保证是投料量的10%左右，现在单晶供应商恨不得把坩埚内料全部拉完提尽。殊不知想多提走一点锅内料时，已造成坩埚内熔体过冷，一旦材料过冷必然掉苞。看起来完整收尾，实际早已掉苞，这样上返一个直径的单晶已是为错片。供应商把这些位错片完全轻而易举转嫁给用户。（见下图）48第48页，共56页，2023年，2月20日，星期日锅底料(拉制单晶硅棒结束时剩在石英坩埚内的硅料)

单晶的埚低还有较高浓度的C和金属杂质，回用的几率较小49第49页，共56页，2023年，2月20日，星期日锅底料(拉制单晶硅棒结束时剩在石英坩埚内的硅料)50第50页，共56页，2023年，2月20日，星期日收尾掉苞的照片51第51页，共56页，2023年，2月20日，星期日分析：3.多晶供应商近年来也一再缩短晶体定向凝固时间，一旦熔体潜热释放与热场温