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本文综述了晶硅光伏组件的LID（光衰）现象，介绍了硼-氧LID的原理与解决方案，引出了LeTID的发现并初步介绍了其影响因素。

一.光衰的复杂性

晶体硅光伏电池产品一般为光伏组件。光伏组件需要在户外环境使用，产品的户外可靠性是产品的重要性能指标。光衰是广泛讨论及验证产品可靠性的指标之一。
数学意义上的晶体硅光伏产品光衰定义为：         
光衰比例的计算，需要测试光衰前后组件产品的功率，通过公式（1）计算得到。功率测试，受到环境温度，光源光谱精度等影响。一般的测试校准，都使用认证机构的标样生成二级标片进行测试。以TUV莱茵对组件产品的功率标定为例，A级模拟器下最大功率的测试的重复性为±0.1%，再现性为±0.5% [1]。生产型企业，如果没有进行光谱校正，其由光谱失配所造成的测试不确定度会增加至±2.0%。精确的晶体硅光伏产品的测试，是比较光衰比例的前提。      晶体硅光伏组件光衰的原因相当复杂。狭义的光衰通常是指硼氧复合体光衰（BO-LID），常被认为是晶体硅电池初始光衰的主要因素，一般发生在p型掺硼硅片制作的电池产品中。在IEC 61215标准中，通常测试5kWh的累计辐照度前后组件功率的衰减比例，作为初始光衰。
广义的光衰是指在户外使用中长期的衰减过程。户外环境因素复杂，包括光照，温度，湿度，水汽，大气环境，机械压力，系统电压等因素。组件产品在户外使用过程中的衰减，都有可能受到上述因素的影响。而光照引起的晶体硅电池光衰，一般主要有三类，一是硼氧复合体光衰BO-LID，二是高温引起的辅助衰减LeTID，三是紫外光引起的表面钝化衰减UVID。本文将主要讨论前两类。
2015年，Friederike Kersten在Solar Energy Material&Solar Cells发表文章 [2]，在多晶PERC组件中发现了一种新的衰减机制，称作为高温辅助衰减，LeTID（Light and elevatedTemperature InducedDegradation）。未经处理的多晶PERC组件（LeTIDsensitive PERC module）在户外使用中，背面使用发泡聚苯乙烯（Styrofoam）覆盖以增加组件的工作温度。在五周左右（图1，CW,30），多晶PERC组件达到最大的LeTID。这是一种在相对高的温度时引起的辅助衰减。部分多晶PERC的组件在这种测试条件下，光衰最大值接近10%。由于组件背面使用了保温材料，这样多晶PERC组件的衰减-恢复过程在十几周时间内就可以被观察到。
近年来学术界，包括UNSW，Konstanz，ISFH，ISE，ANU等知名机构进行了广泛而深入的研究，但至今为止LeTID的机制仍然众说纷纭。由于LeTID的担忧，这引起了PERC电池结构在多晶硅材料的商业化应用的速度较慢，仅有少数厂商将多晶PERC作为主打产品
图1 单个多晶PERC组件在户外较高温度下开路工作，背面使用发泡聚苯乙烯（Styrofoam）覆盖以增加组件的工作温度，按照日历周(CW，calendar week)测试的组件功率衰减 [2] 根据以上信息，对光衰值的理解，需要小心处理，包括：

• 光衰的比较，需要在良好的测试精度和重复性基础上比较；
• 在温度较低时，硼氧复合体的光衰是掺硼p型PERC电池的主要初始光衰机制；
• 当温度升高，例如75℃时，温度升高引起新的光衰机制，且时间长，而这种光衰的物理机理尚未明确；

暂时无法确定的事项还包括：

• 光衰的测试，使用怎样的条件，可以合理反应产品在户外的使用？
• LID和LeTID是否可以有效区分？

进一步的，硅材料，电池结构和工艺，组件结构及辅材，测试精度，户外环境，都有可能影响晶体硅电池的光衰结果。使光衰的根本原因解释极其复杂。

二.BO-LID

2.1 BO-LID现象

硼氧复合体引起的光衰（BO-LID）机理和解决方案在2000年前就得到了广泛的研究。早在1997年，ISFH的Jan Schmid教授就发现了使用Ga作为掺杂剂可以解决BO-LID [3]。在1999年，Tokyo University of Agriculture and Technology的T. Saitoh教授广泛研究了掺Ga，掺硼的p型CZ，MCZ和FZ硅片的光衰行为 [4]。
  
图2 （左） 掺杂剂硼和氧对BO-LID的影响[3]（中，右）低氧含量的MCZ和不同氧浓度CZ对BO-LID的影响 [4]
单多晶BO-LID的区别
p型单晶电池如果使用掺硼硅片制作，BO-LID被认为是单晶电池初始光衰的最主要原因。单晶硅片使用石英坩埚制作，单晶拉晶一般需要使用全熔工艺，坩埚内部的涂层不能很好的阻挡来自于石英坩埚的氧元素，在拉晶并冷却的过程中氧留在硅片中，使单晶硅片中的氧浓度一般有10ppma以上。多晶硅片使用半熔的工艺，铸锭多晶有效的涂层技术，更大的挥发面积以及较小的坩埚接触面积有效减少氧的扩散。因此，一般情况下，多晶硅片的氧含量只有靠近坩埚的部分有接近10ppma的氧，硅片内部的氧含量一般是单晶硅片的十分之一左右，约1ppma。单多晶p型硅片的电阻率接近，即掺硼量接近。在BO-LID上，单晶长期占劣势。在单晶PERC电池量产之前，普遍的认识是单晶产品光衰比多晶大。晶体硅组件的首年质保，常规单晶组件的首年光衰质保一般为3%，而多晶为2.5%，差异就来自于单多晶BO-LID的初始光衰不同。

2.2 BO-LID的解决方案

在晶体硅电池进入PERC时代之后，BO-LID的影响程度进一步显现。PERC电池使用背钝化技术，增加了长波段入射光子的有效吸收，将电池效率在铝背场电池结构上提升约1%。然而电池背面产生的光生少数载流子（电子）需要经历较远的路径才可以被正面的pn结有效分离并被电极收集。因此，虽然背钝化使PERC的效率大幅提升，却由于硅片本身的BO-LID，使电池的初始光衰增大到了5%以上。
多种技术方案均被尝试应用到BO-LID的降低上。显然，降低硼含量会降低PERC电池的效率，而降低氧含量的技术会使硅片成本增加。使用掺Ga代替掺硼，由于Ga在硅中的分凝系数远大于硼，也会增加硅片成本。好在学术界以及工业界对于BO-LID的进一步的研究寻找到了BO-LID的工业化解决方案。
2006年，Konstanz University的Alex Herguth发现在较高温度（如图4）的光照或者使用正向电流，可以使BO-LID经历衰减-再生的过程，且后续持续的光照或者电注入不会使电池的开路电压下降。这是首次关于LIR现象的报道[5]。由于这一项工作，Alex Herguth获得了SolarWorld 2006年的Junior Einstein Award.

图4 在光照或者正向电压的情况下，BO-LID发生先衰减再恢复的现象[5] 近几年来，PERC电池技术的设备和产业化逐渐成熟，学术界对于BO-LID光衰解决方案也逐渐实现了工业化。使用更高的光强，较高的温度可以缩短LIR工艺的时间。BO-LID的工业化解决方案包括光注入和电注入两种方法。其中，光注入可以使用卤素灯，LED，激光等光源。2017年的LIR技术，解决了单晶PERC组件的初始光衰问题 [6]。根据硅材料中的硼氧复合体浓度的不同，以及不同设备能够达到的注入水平不同。激光能够达到单位面积更高的光强，能将LIR过程控制在5秒以内。而LED，卤素灯等，光强相对较弱，约需要30~60秒。使用电注入，由于注入强度和温度低于前面的手段，约需要十多分钟的时间。无论如何，LIR工艺，由于其短时间低成本的工艺特性，在工业界得以应用，充分解决BO-LID初始光衰的问题。

单晶硅片价格的下降，电池制造设备的国产化，以及BO-LID的工业化解决方案的实施，共同使晶体硅光伏产品进入了PERC时代。更多的关于BO-LID现象和解决方案的机理总结，由Herguth和新南威尔士大学的Brett共同发表[7]。

三.LeTID

3.1 LeTID现象

LeTID现象具有普遍性，不仅存在于多晶中。
2017年，Fabian Fertig在SiliconPV发表文章 [8]，在单晶PERC电池中同样发现有LeTID，如图5。图5中，CZ单晶在电注入模式下，CIDOC（Current induced degrade，open circuit），25℃测试，电池光衰在1~2%之间。在最大功率点电注入CID MPP模式，在75℃测试，在单晶中发现了Medium LeTID(中等程度的LeTID)。而在多晶中，有可能发生高度LeTID和中等的LeTID。
图5 单晶和多晶PERC电池均发现了LeTID现象[8]同样的现象，在FZ [9]，铸造单晶[10]，甚至n型中也有报道[11]，这使LeTID的真正原因变得非常复杂。
图6 （左图）p型区溶硅中的LeTID现象[9]；（右图）900℃热处理的掺硼FZ的LeTID前，LeTID后，LeTID恢复后的PL图[9] LeTID在区溶硅中存在[9]。
图6（左图）中，1Ωcm的FZ硅片，氧含量很低，使用Al2O3/SiNx叠层钝化，且热处理温度很高（900℃）时，会产生LeTID现象（卤素灯曝晒，75℃）。随着热处理温度的增加，LeTID现象更加明显。在FZ硅片中缺陷，杂质很少，而LeTID在掺硼区溶硅中的发现可以证明其普遍性。图6（右图）中，可以看到圆形区溶硅片的边缘，并没有很明显的LeTID现象，是因为实验时Al2O3/SiNx 的叠层膜没有覆盖在硅片边缘。而LeTID现象，使FZ硅片体寿命在3小时内就严重下降。虽然文章作者未对此详尽的解释，但从FZ的LeTID现象中可以得到如下的推测：LeTID现象均匀分布在表面有Al2O3/SiNx钝化的硅片中；一种可能的原因是热处理温度升高，使SiNx中的氢更多的扩散进入硅片，被硅片中的缺陷俘获，即LeTID很可能与来自于SiNx的氢[10]；低氢含量的无SiNx覆盖硅片边缘，LeTID不明显；有氢的即SiNx覆盖的区域，LeTID明显；局部的LeTID还与FZ硅片生长过程中的硅片缺陷有关，形成环状。由于FZ硅片中金属、氧含量很低，因此这两个因素，不是LeTID在FZ的发现主要原因。
LeTID在铸造单晶中也存在[10]。
图7 SiNx钝化的各种硅片，FZ，CZ，mc-Si以及铸造单晶在2sun 80℃(a)和145℃（b）的LeTID现象 
 
图7中，SiNx钝化的各种硅片，在快速热处理并且冷却后，FZ，CZ，mc-Si以及铸造单晶的少子寿命，在2sun 80℃下曝晒后，各种硅片的少子寿命均产生了衰减，包括n型。其中p型CZ样品衰减-恢复的周期最短，大约100分钟，铸造单晶衰减-恢复的周期约为500分钟，多晶衰减-恢复的周期在3000分钟以上。N型CZ和多晶，以及p型FZ的少子寿命下降现象，因为其少子寿命在5000min后才具有一定的程度下降，其长期性无法观测，使其具有不确定性。将温度升高到145℃，这种长期下降的现象，在n型的多晶中也明显观测到了。不同硅片中观测到的LeTID现象的所需要的温度，时间不同。一个一般规律是，缺陷更多的多晶需要更长的衰减和恢复周期，衰减幅度也很可能更大。不同硅材料中硅片中的衰减，UNSW将LeTID的原因更多的归结于来自于氢，将其称为Hydrogen induced degrade，HID[12]。

3.2 LeTID的影响因素讨论

由于LeTID现象的普遍性，且其根本原因尚未有明确的物理机理。
总的来说，LeTID与下述因素有关：

• LeTID普遍存在于各种硅材料中，包括p型，n型，单晶，多晶。
• LeTID引起硅片体寿命衰减。
• 长时间的高温光照，LeTID可以恢复。
• 不同硅片种类，LeTID程度与恢复所需要的时间周期不同；p型中，一般多晶的LeTID比单晶更难恢复。
• LeTID的一种重要因素上来自于钝化介质层中的氢，氢来自于钝化用介质膜。介质膜的制备使用的原料中通常有氢源，氢是电池工艺过程引入的。UNSW将LeTID现象更加明确地解释为HID。

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来源：隆基LONGi Solar

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