薄膜太阳能电池成膜缺陷类型及修复方法

1、薄膜太阳能电池成膜缺陷类型及修复方法摘 要：本文通过对薄膜太阳能电池的成膜缺陷类型分析，提出了一种可以有效修复成膜缺陷的方法。对太阳能电池单元施加反向偏置电压，使得导电旁路被烧断。经过此方法的修复，太阳能电池旁路导电通道被去除，并联电阻大幅提高，电池性能也得到提升。实验数据证明此方法的有效性。关键词：成膜缺陷；旁路电阻；反向偏置电压；缺陷修复中图分类号：TB4721引言太阳能电池又称光伏电池，是一种能有效吸收太阳能辐射，并将其转变成电能的半导体器件，光伏发电具有许多优点：如：安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得，不受地域限制，无须消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建

2、站周期短，规模大小随意，无须架输电线路，可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发电方式所不及的。太阳能电池板经过串联和并联，以获得所需的电压及电流来作为供电电源使用。目前市场上太阳能电池主要的产品有晶体硅产品以及薄膜太阳能两大类，薄膜太阳能的优点主要在薄膜半导体材料只需晶体硅1%厚度即可几乎全部吸收太阳辐射能，大量节省原料，比晶体硅类的产品能节省30%的成本，产品性能受温度的变化影响小，以及能跟建筑结合一体化（BIPV），可直接作为大楼的发电幕墙玻璃（如图1 所示）等。图 1 应用于玻璃幕墙的薄膜太阳能电池当前，被市场认可的薄膜太阳能电池产品主要包括硅基薄膜、碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒

3、(CIGS)等几种产品，其均为在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨、金属片等大面积材质上生长m 级可产生光生电压的薄膜层，主要通过CVD、PVD 等成膜工艺以及34 道激光刻线工艺组合而成1。在成膜及激光划线的过程中，由于是大面积生长，不可避免的会形成膜层的贯孔以及激光刻线后残留的侧壁未清除缺陷，这些不良会造成电池的并联电阻减小，导致电池单元性能降低。本文阐述了如何修复此类缺陷的方法。经过修复，太阳能电池的效率得到了提高，产品质量得到了保障。2薄膜太阳能电池成膜及激光刻线过程中出现的几种缺陷类型首先，先简单阐述一下薄膜太阳能电池的生产工艺。以玻璃基材生长为例，先是通过PVD 成膜技术在玻璃基材上

4、生长一层材料为SnO2 的TCO 透明导电层，然后通过CVD 成膜技术生长一层材料为非晶硅（a-Si）或碲化镉(CdTe)或铜铟镓硒(CIGS)的有源层，然后再通过PVD 成膜技术生长一层包含ZnO 和Al 材质的背电极层，各层结构如图2 所示。图 2 薄膜太阳能电池的结构图在各层形成后，经过激光刻线形成10mm 至20mm 宽的太阳能电池单元。每个单元的激光刻线工艺均经过3 次，3 次激光刻线分别针对于SnO2 层、有源层和背电极层（3 次激光刻线的俯视图如图3 所示）。图 3 薄膜太阳能电池的激光划线图激光刻线后各个单元首尾相接，形成串联结构，如图4 所示。图 4 薄膜太阳能电池激光划线后

5、的剖面结构成膜工艺及激光刻线工艺过程中，由于基板上的微小杂质颗粒或CVD 成膜不均匀会形成膜层的微小贯孔（图5 所示），以及激光刻线三后残留在侧壁上未清除干净的金属残余物（图6 所示），形成的导电旁路造成电池单元的并联电阻减小，导致电池单元性能下降。图 5 由于基板杂质颗粒造成的膜层贯孔图 6 激光刻线三后形成的侧壁金属残余物3太阳能电池单元膜层缺陷对产品性能的影响图 7 是薄膜太阳能电池工作状态的等效电路图，上述缺陷使得太阳能电池并联电阻（Rsh）变小，从而形成了导电旁路，影响了太阳能电池整体的功率输出23。理想情况下，并联电阻（Rsh）应趋近于无穷大，才能保证无漏电旁路通道的产生。图 7

6、工艺缺陷形成了导电旁路对于这两类太阳能电池膜层缺陷的剖面示意图如图8 所示。图 8 太阳能电池膜层缺陷剖面示意图上述缺陷的的出现，降低了太阳能电池并联电阻的阻值，图9 所示为并联电阻分别为2000 欧姆、2 欧姆和0.2 欧姆时的太阳能电池单元的I-V 曲线的对照。膜层无缺陷时，并联电阻非常大，电池单元有很好的输出曲线。当有较小的膜层缺陷出现时，例如并联电阻下降为2 欧姆，此时电池单元的输出曲线向左下偏移，填充因子下降。当有较大的膜层缺陷出现时，并联电阻下降为0.2 欧姆，此时电池单元的输出曲线偏移更加严重，填充因子急剧下降，且电池单元的开路电压也出现很大的衰退，此时的电池单元已处于半失效状态

7、，输出性能极低。图 9 不同并联电阻得出的I-V 测试结果4电池单元膜层缺陷的修复方法为了消除电池膜层缺陷，采用对电池单元加电压并通过一定电流的方式进行缺陷修复，将导致缺陷的导电旁路通道烧断。加电压的方式为对电池单元的等效PN 结有源层反向偏置，原因是在反向偏置的情况下可以避免PN 结有源层流经大电流，防止对PN 结有源层的过电流损伤。特别注意的是，所加反向偏置电压须控制在电池单元开路电压的10 倍以下。例如，若电池单元PN 结正向导通电压压降为0.7V，则所加反向偏置电压应为7V 以下。通常安全起见，可将反向偏置电压设置为5V，即可保证有限的将导电旁路烧断，又可确保有源层不受到电流冲击的损伤

8、。另外，须根据电池单元的性能设定电流限流，避免遇到小阻值缺陷时，反向偏置电压下形成的电流过大将膜层烧爆。反向偏置的时间宜控制在200ms 以内，因为遇到不能烧断的较严重膜层缺陷时，膜层某处会局部发热，若不设定最长反向偏置时间则长时间的流经电流，会积累大量热量造成温度升高，同样会将膜层烧爆。反向偏置电压的过程及作用如图10 所示。反向偏置加压后，电流通过导电旁路通道，瞬间的发热可将细小的旁路通道烧断，从而起到消除缺陷的作用。图 10经过反向偏置电压作用后膜层缺陷消失施加反向偏置电压于电池单元前后，电池单元测量电阻值对照结果如图11 所示。随机选取的20 个电池单元，对其施加反向偏置电压前，平均电

9、阻值为145 欧姆，施加反向偏置电压后，平均电阻值上升至1740 欧姆，且每个单元的电阻值均为大幅度提升。通过太阳能电池单元电阻值数据的提升，说明膜层缺陷得到了修复。图 11施加反向偏置电压于电池单元前后电阻值比较再通过图 12 太阳能电池单元I-V 曲线的变化来看施加反向偏置电压对电池的性能是否有提高。从图中看到，缺陷修复后，曲线的填充因子及开路电压均得到大幅提高。图 12 施加反向偏置电压后太阳能电池的性能得到大幅提高5总结本文列举了薄膜电池在成膜工艺及激光刻线工艺后存在的膜层缺陷类型，并通过实验数据阐述了施加反向偏置电压修复太阳能电池膜层缺陷的方法，通过此方法可提升并联电阻值，改善了太阳

10、能电池单元的输出性能。通过实验可证实此方法的有效性。参考文献1 徐慢，夏冬林，杨昇，等. 薄膜太阳能电池J.材料导报，2006 年第20 卷第9 期:109111.2 王长贵，王斯成. 太阳能光伏发电实用技术M. 北京：化学工业出版社，20053 杨金焕. 太阳能光伏发电应用技术M. 北京：电子工业出版社，2009Thin Film Solar Cell Defects and Repairing MethodsWang HaoSchool of Microelectronics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai (200240)AbstractT

11、his paper provides a method for repairing thin film solar cells defects based on the failure modesanalysis of thin film defects. Forcing reverse bias voltage on solar cells can make the shunt path burnedout. By this way, defects are removed, shunt resistances are increased and solar cells outputperformanc