隆基掺镓单晶硅片全面解决PERC组件光衰减问题
1.介绍
2020年3月25日，隆基与日本信越化学工业株式会社正式签署全球、非排他性、包含交叉许可模式的专利许可协议，使用掺镓技术相关专利的隆基产品将在全球范围内受到保护。掺镓硅片能够有效解决P型PERC组件的光衰，隆基通过自身技术进步，解决了掺镓硅片成本偏高的问题，将为全行业提供掺镓硅片产品并承诺掺硼和掺镓硅片同价，此举有助于光伏发电成为最具性价比的发电方式。
2.掺镓和掺硼硅片研究综述
目前工业化量产的掺硼单晶硅片仍然受着光致衰减(LID)的困扰，主要是因为掺硼直拉单晶硅片中含有一定数量的间隙氧，它会和掺杂的硼形成硼氧复合体，造成衰减从而影响电池的效率。LID最早是在1973年被Fischer和Pschunder发现[1]，他们实验记录了在经过几小时的光照后电池的短路电流和开路电压都呈现较大的衰减，而有趣的是电池的性能会在低温200°C退火处理后完全恢复。另外的光电导率衰减测试则表明这种奇怪的现象与体寿命在两种状态中转变有关。我们称之为A态和B态，A态联系着高的体寿命并且需要低温退火才能达到，B态联系着低的体寿命是由光照引起的。以上两种状态均能通过合适的处理进行相互转化。
随后的几年里大家均对以上光衰的现象进行研究，提出了金属杂质的机理但是都不能完整的解释该现象，直到1997年，Jan Schmidt[2]提出了一种硼氧复合体导致电池衰减的模型能够比较全面的解释这种光衰的现象。在2004年Jan Schmidt对硼氧复合体进一步进行研究，发现硼氧复合体与硼浓度成正比，与氧浓度成平方关系[3]，见图1。
因此两种最直接消除光衰的方式就是降低间隙氧的含量或者用其他元素(比如镓)替代硼作为掺杂剂。在此基础上专注于研究PERC衰减机构ISFH的Bianca Lim和隆基的Yichun Wang [4]联合实验发现采用低氧含量或者掺镓的直拉单晶硅在光衰性能上表现优异，而工业化的掺硼直拉单晶硅在氧含量为12和16ppma时，衰减后效率有所下降分别是0.5%和0.7%见图2.
图2. 在初始阶段，光衰后以及光致再生三种情况下四种不同直拉单晶硅制作电池片的效率差异。
然而在实际的工业化生产中得到低氧含量(如2.6ppma)的直拉单晶硅是非常困难的，需要在硅片长晶过程中加入一个强的电磁场，这种技术由于成本很高很难进入量产阶段。所以运用镓作为掺杂剂替代硼成为一种经济可行的方法。由于硅片电阻率的分布会影响着电池片的效率，A. Metz研究了电池效率与电阻率之间的关系[5]，见图3。
近些年另一种叫做光热衰减(LeTID)的现象逐渐在多晶硅、直拉单晶硅、区熔硅中出现。它也是会有一个初始的体寿命的衰减但是这种衰减会随着时间慢慢恢复。Nicholas E. Grant[6]研究发现掺硼和掺镓单晶硅片均存在着LeTID现象，见图4。
图4. 掺镓和掺硼PERC电池不同暗退火条件下衰减对比
在相同暗退火条件下，掺镓PERC电池衰减远小于掺硼PERC电池。为了进一步研究掺镓和和掺硼硅片自身的体寿命的衰减，排除硅片表面金属化的影响因素，将以上的掺镓和掺硼电池表层剥离开并钝化一层ALD氧化铝层后发现掺镓片基本无衰减而掺硼片仍然存在衰减，见图5.
图5. 表面剥离再钝化后的掺硼、掺镓电池片衰减对比。
根据新南威尔士大学的研究报告[7]，LeTID是由(某种或某几种)金属杂质与氢的复合物导致的，通过控制氢含量可以有效抑制LeTID。采用掺镓硅片后，因无需引入过多的氢来钝化硼氧缺陷，因此也更容易控制好LeTID。
3.隆基掺镓硅片基本性能
隆基量产的掺镓硅片具体规格如表1所示，表中各指标测试均依据GB/T 25076-2018 《太阳能电池用硅单晶片》的所规定的检测方法进行。
与掺硼单晶硅片相比，掺镓单晶硅片的应用难点在电阻率方面，因为硼的分凝系数为0.75，镓的分凝系数为0.008，两者相差了近两个数量级。隆基研发针对硅中镓掺杂的特性，为取得合理的电阻率范围和更高的掺杂准确性，通过创新镓掺杂模型，改善镓掺杂工艺，将镓掺杂单晶的电阻率命中率提升至与掺硼单晶相近的水平，电阻率最终控制在0.3-1.5范围内，保证了电池端能够实现最大化的转化效率。
另一方面隆基可根据客户需求提供对应的电阻率档位产品，减少了电池客户端出现EL明暗片的概率。隆基掺镓硅片氧含量，碳含量及载流子寿命与掺硼硅片处于同一水平。
相比掺硼单晶，掺镓单晶完全避免了硼氧复合体导致的光致衰减，电池企业只要在电池制造工艺过程中控制好氢的含量从而抑制LeTID，电池、组件的总体光致衰减可控制在很低的水平。
4.隆基掺镓硅片基本性能
目前隆基的掺镓硅片已在部分电池企业得到批量验证，相比采用掺硼硅片电池的效率与抗光衰性能均得到提升。
隆基乐叶电池的批量应用结果如表2和图6所示：掺镓电池相比掺硼电池平均效率高0.09%。
爱旭科技对掺镓和掺硼电池的效率、5kWh LID(辐照度900-1100W/m2，测试度温度55-65°C)、CID(110° 0.5A 8小时测试条件)衰减值进行测试(掺硼电池经再生态处理)，结果见表3，可看出掺镓电池相比掺硼电池在抗衰减性能方面优势明显。
正泰新能源进一步对掺镓和掺硼电池以及组件的性能进行测试，结果见表4。可看出掺镓硅片无论在电池端还是组件端均表现出优异的性能。采用掺镓硅片后，电池企业无需再配置光注入或电注入再生处理设备。从质量控制的角度，这种在材料端解决光致衰减的手段相比在工艺端解决(如光、电致再生处理)也更加可靠。
5.总结
综上所述，PERC电池采用掺镓硅片相比掺硼硅片在效率上有所提升、在抗LID与LeTID性能上均表现出明显的优势，还可使电池制造企业减少工艺环节与设备投入。隆基会向全行业大力推广掺镓硅片，为整个光伏行业降低组件产品的初始衰减做出贡献，并为全行业带来可观的收益。
参考：
1. Fischer, H. & Pschunder, W. 1973, “Investigation of photon and thermal induced changes in silicon solar cells”, Proc. 10th IEEE PVSC, Palo Alto, California, USA, p. 404
2. J. Schmidt, A.G. Aberle, and R. Hezel, Proc. 26th IEEE Photovolt. Spec. Conf. (IEEE, New York,1997), p. 13.
3. J. Schmidt, Physical Review B, 69(2004) 024107.
4. Binaca Lim, “Beyond boron–oxygen deactivation: Industrially feasible LID-free p-type Czochralski silicon”, LID mitigation | Cell Processing.
5. A. Metz, J. Schmidt, A.G. Aberle, and R. Hezel, Proc. 26th IEEE Photovolt. Spec. Conf. (IEEE, New York,1997), p. 13.
6. Nicholas E. Grant, “Lifetime instabilities in gallium doped monocrystalline PERC silicon solar cells”, Solar Energy Materials and Solar Cells.
7. Daniel Chen, “A Current Perspective on Light-and Elevated Temperature-Induced Degradation (LeTID): Defect Mitigation, Models and Root Cause”, 15thChina SoG Silicon and PV Power Conference.
