組件殺手太陽(yáng)電池的熱擊穿

組件殺手太陽(yáng)電池的熱擊穿第1頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日序言組件損傷的照片。經(jīng)過我們初步研究后判定組件損傷是由組件內(nèi)太陽(yáng)電池?zé)釗舸┧隆?第2頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日序言3第3頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日P-N結(jié)的擊穿分為兩類電擊穿和熱擊穿4第4頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日P-N結(jié)的擊穿1.P-N結(jié)的電擊穿當(dāng)P-N結(jié)施加反向偏壓增大到某一數(shù)值VBR時(shí)，反向電流密度突然開始增大，這個(gè)現(xiàn)象稱為P-N結(jié)擊穿。BRVⅠPNA-+A+-5第5頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日P-N結(jié)的擊穿1.1雪崩擊穿雪崩擊穿是指由于載流子雪崩般大量增加，而產(chǎn)生的電擊穿。擊穿電壓大于6伏時(shí)，主要是雪崩擊穿。當(dāng)P-N結(jié)上的反向電壓增加，耗盡層中的電場(chǎng)也增加。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到105伏/cm以上時(shí)，耗盡層中熱產(chǎn)生的電子和空穴在電場(chǎng)的作用下加速，獲得相當(dāng)大的能量。它們與晶格原子碰撞，把能量傳給晶格原子中的價(jià)電子，使之脫離原子的束縛而成為載流子。這就產(chǎn)生了一對(duì)電子一空穴對(duì)。新老載流子在電場(chǎng)作用下加速，再重復(fù)上述載流子倍增過程，結(jié)果是耗盡層中的載流子雪崩般地倍增，使反向電流迅速增大。P-N結(jié)的電擊穿有兩種機(jī)理：一是雪崩擊穿，二是齊納擊穿。6第6頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1.2齊納擊穿P-N結(jié)的齊納擊穿是本質(zhì)上不同于雪崩擊穿的一種電擊穿機(jī)理。它主要依靠耗盡層中的強(qiáng)電場(chǎng)（約106伏/cm）直接把晶格原子中的價(jià)電子從束縛狀態(tài)中解放出來(lái)為載流子，從而使反向電流劇增。它適用于擊穿電壓在4伏以下的鍺、硅PN結(jié)的電擊穿。P-N結(jié)的擊穿7第7頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日P-N結(jié)的擊穿2.PN結(jié)的熱擊穿因P-N結(jié)的反向電流是由結(jié)兩邊擴(kuò)散區(qū)內(nèi)熱激發(fā)的少數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)及耗盡層內(nèi)熱激發(fā)的電子、空穴的溧移運(yùn)動(dòng)形成的。這些載流子密度隨溫度迅速增大，因而反向電流也隨溫度而迅速增大。在適當(dāng)條件下，反偏P-N結(jié)的功耗引起結(jié)溫的升高，使P-N結(jié)的反向電流增大。PN結(jié)的功耗進(jìn)一步增大，結(jié)溫進(jìn)一步升高，因而P-N結(jié)的反向電流又進(jìn)一步增大。如此循環(huán)，反向電流可無(wú)限增大，結(jié)果使P-N結(jié)燒毀。這種現(xiàn)象稱為熱擊穿。8第8頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日P-N結(jié)的擊穿

3.熱斑與熱擊穿對(duì)太陽(yáng)電池組件而言，熱斑與熱擊穿都是指太陽(yáng)電池的發(fā)熱都是在反向偏壓作用下產(chǎn)生的。即便是高效太陽(yáng)電池（η≥17%），一旦有樹木、建筑物、樹葉、省屎鳥糞、天空浮云被部份或全部遮擋就會(huì)產(chǎn)生。而熱擊穿多數(shù)是組件中摻有低效率≤16.5%，有問題的太陽(yáng)電池在陽(yáng)光照射下，即使沒有被任何物體遮擋，也會(huì)由局部發(fā)熱直到損傷。而從實(shí)踐來(lái)看，由高效太陽(yáng)電池（η≥17%）熱阻較小，裝配組件基本上不會(huì)產(chǎn)生熱擊穿的。

綜上所述，熱擊穿和熱斑是有所關(guān)聯(lián)的，后果雖然一致，但概念完全不一樣。換言之，熱擊穿是由內(nèi)因造成的熱損壞，熱斑效應(yīng)是由外因造成的熱損壞。9第9頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿10第10頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日相關(guān)圖片發(fā)熱點(diǎn)造成了組件背板被燒穿和大的鼓包。11第11頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日123456123456789101112發(fā)熱點(diǎn)位置分布12第12頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日121110987654321123456EL測(cè)試照片及發(fā)熱點(diǎn)位置分布對(duì)應(yīng)圖13第13頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日原始測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)14第14頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日退回后重測(cè)數(shù)據(jù)15第15頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿1、EL測(cè)試照片顯示組件電池片碎片、裂片非常嚴(yán)重。72片中只有11片完整沒有碎裂。第三串、第四串紅點(diǎn)處均為熱擊穿造成P-N結(jié)損壞。從EL照片上看，因沒有電注入少數(shù)載流子顯現(xiàn)黑色。2、假設(shè)3-11處橙紅處，由于原先是隱裂，在環(huán)境作用下變?yōu)槊髁褦嚅_。引用Wenham教授應(yīng)用光伏學(xué)5-5熱點(diǎn)過熱（如圖）?！皦摹彪姵睾投O管上消耗的能量約等于一個(gè)“好”電池的輸出能量，這個(gè)消耗的能量是使“壞”電池發(fā)熱的能量。“壞”電池處于熱擊穿的過程中，由于熱產(chǎn)生大量載流子，這些載流子使晶片處于負(fù)阻狀態(tài)，在反偏電壓作用下又產(chǎn)生熱，使結(jié)溫升高直至P-N損壞。分析：16第16頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿3、在這個(gè)過程中EVA加熱分解，EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）分子式：

由于CO、CO2處于被TPT玻璃密封環(huán)境，氣體壓力急劇上升。當(dāng)氣體壓力大于TPT與未燃燒EVA的粘結(jié)力時(shí)依據(jù)壓力大小，在發(fā)熱點(diǎn)處形成大小不一的凸泡。當(dāng)然TPT在受熱時(shí)也會(huì)強(qiáng)度降低。當(dāng)氣體壓力大于TPT分子團(tuán)之間引力時(shí)，TPT就爆穿了。玻璃破裂也是局部過熱所致。眾所周知，鋼化玻璃一旦某一點(diǎn)破裂，就會(huì)導(dǎo)致整塊玻璃潰裂。（C2H4)x(C4H6O2)ymCO+nCO2+pH2O燃燒17第17頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿

肯定是消除組件層壓過程中的裂片和隱裂。今天的隱裂就是明天的裂片。雖然，克服裂片和隱裂做了很多的工作，但現(xiàn)狀還不盡人意的。改進(jìn)措施18第18頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿上面的案例應(yīng)該是個(gè)案，但是產(chǎn)生“熱擊穿”的因素還是廣泛存在著。19第19頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿20第20頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿

上述照片和紅外相片是從光伏電站拍攝而得。見電池地方說(shuō)明受熱化冰了，紅外相片，可以清楚看到發(fā)熱的太陽(yáng)電池發(fā)生了熱擊穿。但是一旦發(fā)生熱擊穿并不立即燒毀太陽(yáng)電池的P-N結(jié)。這是因?yàn)榻M件處于戶外低溫環(huán)境中，熱阻小散熱條件較好。組件TPT玻璃均處于動(dòng)態(tài)溫度平衡之中。這個(gè)動(dòng)態(tài)平衡溫度遠(yuǎn)低于損壞P-N結(jié)時(shí)結(jié)溫。故組件太陽(yáng)電池不會(huì)損壞，但也不能說(shuō)組件不存在質(zhì)量問題。21第21頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿22第22頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿23第23頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿24第24頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿單晶電池TR圖，揭示了組件光伏特性、光熱特性，它們是存在有機(jī)的內(nèi)在聯(lián)系的。導(dǎo)致“曲線臺(tái)階”組件，臺(tái)階部份是損失功率部份，恰之是提供“熱擊穿”熱量。造成“熱擊穿”的主要原因是黑心片、黑斑片。

25第25頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日組件的熱擊穿由于黑心片、黑斑片造成電池片發(fā)熱，對(duì)電池片EVA會(huì)有加速降解失效的危險(xiǎn)，對(duì)組件電池的壽命承諾難以保證。26第26頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日形成黑心片、黑斑片主要成因27第27頁(yè)，共56頁(yè)，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頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日EL光強(qiáng)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電情況下該部分沒有發(fā)出1150nm的紅外光，故紅外相片中反映出黑心和黑斑，發(fā)光現(xiàn)象和硅襯底少數(shù)載流子濃度有關(guān)。29第29頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日黑斑與雜質(zhì)原子分布無(wú)關(guān)：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

一般少數(shù)載流子的壽命和含污染雜質(zhì)含量及位錯(cuò)密度有關(guān)。蔣仙作出了黑斑處邊界兩邊（即有黑斑處和無(wú)黑斑處）雜質(zhì)原子SIMS試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩邊雜質(zhì)原子含量一樣，沒有變化。SIMS測(cè)試結(jié)果：30第30頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日黑斑處位錯(cuò)密度：

這樣少數(shù)載流子的壽命和位錯(cuò)密度有關(guān)，蔣仙測(cè)了單晶黑斑中心區(qū)域位錯(cuò)密度>107個(gè)/cm2，如下面兩張圖所示：31第31頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日中心黑斑區(qū)域，位錯(cuò)密度>107個(gè)/cm2

32第32頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日黑斑邊緣區(qū)域，位錯(cuò)密度>106個(gè)/cm2

33第33頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日無(wú)位錯(cuò)密度標(biāo)準(zhǔn)≤3000個(gè)/cm2

黑斑邊緣區(qū)域位錯(cuò)密度>106個(gè)/cm2均為無(wú)位錯(cuò)單晶要求1000～10000倍，這是相當(dāng)大的位錯(cuò)密度了。34第34頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日少子擴(kuò)散長(zhǎng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系：

晶體硅片的擴(kuò)散長(zhǎng)度和位錯(cuò)密度是有聯(lián)系的。用SPV（SurfacePhoto-Voltage）法測(cè)得多晶硅片的擴(kuò)散長(zhǎng)度和用tash腐蝕法測(cè)得位錯(cuò)密度EPD：EtchPitDensity進(jìn)行比較，擴(kuò)散長(zhǎng)度DL短的區(qū)域恰恰是EDP位錯(cuò)密度高的區(qū)域。（見下圖）少子擴(kuò)散長(zhǎng)度與少子壽命公式：Lp=（Dpζ）0.535第35頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日擴(kuò)散長(zhǎng)度DL和EDP位錯(cuò)密度高的區(qū)域的關(guān)系圖：本資料來(lái)自《夏普技報(bào)第93號(hào)（2005年12月刊）》——“HighEfficiencyMulti-crystallineSiliconSolarCells”36第36頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日各個(gè)廠家硅片位錯(cuò)密度：蔣仙測(cè)了各廠家硅片的位錯(cuò)密度，如下：1.鎮(zhèn)江環(huán)太W02HT70185位錯(cuò)密度：5*104～2*105個(gè)/cm2

37第37頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日各個(gè)廠家硅片位錯(cuò)密度：2.鎮(zhèn)江環(huán)太W02HT70198位錯(cuò)密度：3*104～2*105個(gè)/cm2

38第38頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日各個(gè)廠家硅片位錯(cuò)密度：3.鎮(zhèn)江環(huán)太W02HT70106位錯(cuò)密度：5*104～7*105個(gè)/cm2

39第39頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日各個(gè)廠家硅片位錯(cuò)密度：4.浙江昱輝w02zy7002位錯(cuò)密度：104～105個(gè)/cm2

40第40頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日各個(gè)廠家硅片位錯(cuò)密度：5.寧海日升W02RS7002位錯(cuò)密度：6*104～105個(gè)/cm2

41第41頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日各個(gè)廠家硅片位錯(cuò)密度：6.江蘇順大W02SD70042位錯(cuò)密度：2*104～105個(gè)/cm2

42第42頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日各個(gè)廠家硅片位錯(cuò)密度：7.江西LDK（多晶）W21JX70100位錯(cuò)密度很高，106～107個(gè)/cm2，尤其是晶界附近存在大量的微缺陷、位錯(cuò)排、位錯(cuò)群和小角晶界，從位錯(cuò)形狀上看，應(yīng)該是<111>面上的缺陷。43第43頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日各個(gè)廠家硅片位錯(cuò)密度：44第44頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日各個(gè)廠家硅片位錯(cuò)密度：45第45頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日各個(gè)廠家硅片位錯(cuò)密度：46第46頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日各個(gè)廠家硅片位錯(cuò)密度：

47第47頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日分析：1.近年來(lái)，單晶硅片供應(yīng)商為了利益最大化，奉行只要單晶不掉苞就是好工藝。例無(wú)位錯(cuò)拉晶工藝要求籽晶用無(wú)位錯(cuò)拉晶切割，在拉晶過程中下種引頸長(zhǎng)度要大于一個(gè)晶錠直徑才能把位錯(cuò)排凈，方可放肩。而現(xiàn)在引頸長(zhǎng)度120-140mm完全低于6吋直徑150mm單晶。2.單晶收尾時(shí)鍋底料要保證是投料量的10%左右，現(xiàn)在單晶供應(yīng)商恨不得把坩堝內(nèi)料全部拉完提盡。殊不知想多提走一點(diǎn)鍋內(nèi)料時(shí)，已造成坩堝內(nèi)熔體過冷，一旦材料過冷必然掉苞。看起來(lái)完整收尾，實(shí)際早已掉苞，這樣上返一個(gè)直徑的單晶已是為錯(cuò)片。供應(yīng)商把這些位錯(cuò)片完全輕而易舉轉(zhuǎn)嫁給用戶。（見下圖）48第48頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日鍋底料(拉制單晶硅棒結(jié)束時(shí)剩在石英坩堝內(nèi)的硅料)

單晶的堝低還有較高濃度的C和金屬雜質(zhì)，回用的幾率較小49第49頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日鍋底料(拉制單晶硅棒結(jié)束時(shí)剩在石英坩堝內(nèi)的硅料)50第50頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日收尾掉苞的照片51第51頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期日分析：3.多晶供應(yīng)商近年來(lái)也一再縮短晶體定向凝固時(shí)間，一旦熔體潛熱釋放與熱場(chǎng)溫