太阳能电池漏电流种类
光伏系统漏电流检测及抑制研究
光伏系统漏电流检测及抑制研究作者:赵爱光王占永来源:《科学与财富》2018年第18期摘要:在非隔离的光伏并网发电系统中,检测及抑制漏电流是一个关键技术,成为光伏行业研究的热点,逆变器则在光伏系统中承担了检测及抑制漏电的作用,保证了光伏系统的安全。
本文主要解析光伏系统漏电流产生的原理,同时逆变器通过电路拓扑来抑制漏电流的产生,同时实时检测光伏系统的漏电流大小,如果漏电流超过安规值,则停止光伏发电系统。
关键词:光伏发电逆变器漏电流非隔离拓扑一、光伏并网发电系统简介光伏并网发电系统通常是由太阳电池板阵列、接线箱、逆变器、电表盘和电网组成,系统的核心是光伏并网逆变器。
太阳光照射在太阳电池板表面,太阳电池板阵列输出的直流电,经光伏并网逆变器最大功率点跟踪控制、逆变后,产生与电网电压同频、同相的交流电,送入电网中。
随着现在国家倡导的发展新动能,加快新旧动能转换,太阳能作为一种清洁能源得到了广泛应用,其中包括光伏并网发电系统。
传统的光伏并网发电系统是将光伏板与电网之间加工频变压器变压器隔离,实现电气隔离,保证系统及人身安全。
近几年为提高系统效率,降低系统成本,将工频变压器变压器省掉,但随之而来的就是系统会产生漏电流,如果不加以检测及抑制,势必会造成系统安全。
二、光伏并网发电系统产生漏电流的原理光伏系统漏电流,又称方阵残余电流,本质为共模电流,其产生原因是光伏系统和大地之间存在寄生电容,当寄生电容-光伏系统-电网三者之间形成回路时,共模电压将在寄生电容上产生共模电流。
当光伏系统中安装有工频变压器时,由于回路中变压器绕组间寄生电容阻抗相对较大,因此回路中共模电压产生的共模电流可以得到一定抑制。
然而在无变压器的光伏系统中,回路阻抗相对较小,共模电压将在光伏系统和大地之间的寄生电容上形成较大的共模电流,即漏电流。
三、光伏并网发电系统产生漏电流的危害由于光伏组件与公共电网是不隔离的,大面积的太阳能光伏组件与地之间存在较大的分布电容,因而形成了有寄生电容、滤波元件和电网阻抗组成的共模谐振回路。
太阳能电池分流__概述说明以及解释
太阳能电池分流概述说明以及解释1. 引言1.1 概述太阳能电池是一种直接将太阳能转化为电能的装置,通过光生电效应实现。
随着对环境友好和可再生能源需求的增加,太阳能电池逐渐成为人们关注的焦点。
然而,在实际应用过程中,太阳能电池存在一些问题,其中一个关键问题是分流现象。
分流指的是当连续多个太阳能电池通过串联或并联方式连接时,由于光照条件、工艺制造等原因造成部分太阳能电池工作不良或损坏。
这会导致系统产生非理想的效果,并降低整个系统的效率与稳定性。
因此,本文将重点探讨太阳能电池分流问题及其解决方案。
首先介绍太阳能电池的基本原理和应用场景,并阐述其存在的限制与挑战。
随后对太阳能电池分流原理、方式以及效果与优势进行详细说明。
最后,将解释太阳能电池分流的必要性和意义,包括其背景和发展历程、对系统稳定性的影响解析以及相关解决方案的优势介绍。
1.2 文章结构本文共分为五个主要部分。
引言部分对文章的背景、目的和主要内容进行概述。
第二部分将重点介绍太阳能电池分流的原理、方式以及效果与优势。
第三部分将对太阳能电池的基本原理、应用场景以及限制与挑战进行概述说明。
在第四部分,将解释太阳能电池分流的必要性和意义,包括其背景和发展历程、对系统稳定性的影响解析以及相关解决方案的优势介绍。
最后,在结论部分总结文章主要观点和论证结果,并提出未来研究方向。
1.3 目的本文旨在全面探讨太阳能电池分流问题,并提供有效的解决方案。
通过深入了解太阳能电池的基本原理和现有应用场景,帮助读者更好地理解太阳能电池分流现象带来的挑战和限制。
同时,通过对太阳能电池分流的背景和发展历程进行解析,展示该领域相关研究取得的进展与成果。
最终,通过总结主要观点和论证结果,并提出未来研究方向,为太阳能电池分流问题的进一步探索提供指导和参考。
2. 太阳能电池分流2.1 分流原理太阳能电池分流是指将从太阳能电池板中得到的直流电能进行分流处理的过程。
在太阳能发电系统中,太阳能电池板会产生特定的电压和电流。
漏电流测试方法
为了消除上述两种风险,逆变器可以安装 RCD及残余电流监控(RCM)来提供保护, 是否需要RCD额外保护,取决于接触电流 及着火漏电流是否满足规定限值,如果接 触电流大于30mA,着火漏电流大于 300mA(<30kVA逆变器),需要采用残余电流 检测保护。如果测得的接触电流及着火电 流小于限值要求,说明逆变器电气隔离及 绝缘电阻良好,没有潜在触电及着火风险, 不需要RCD及RCM边之 间寄生电容非常小,寄生阻抗会特别大, 极大的限制漏电流的大小 不带隔离变系统,如何电路拓扑及调制方 式不合理,共模电压不是常数的话,就会 产生漏电流,该漏电流值太大,就应该安 装RCD保护。
漏电流的检测方法
人接触不接地方阵输入端和地时有触电的风险, 当逆变器没有隔离,或者虽具有隔离措施,但不 能保证限制接触电流在某个合理范围内的逆变器, 当使用者同时接触方阵的带电部分和地时,电网 和地的连接(如接地中线)将为接触电流提供一 个回路,从而产生触电危险
共模电压
推导出
差模电压
为推导共模等效电路,用上述公式代替图1中 的桥式电路,由“叠加原理”可略去差模回路 和元件,仅保留共模回路和元件,对于高频 (开关频率及倍数次)共模等效电路,可以短接 电网电压源,可得如图2所示的等效电路。
残余电流的形成分析
将电路进一步简化,共模等效电流中有两个激励,共模电 压Ucm及Ucm-dm,电路和寄生参数一般都是对称的,故 Ucm-dm=0,所以漏电流主要是由共模电压激励产生,阵 列和地之间的寄生电容以及电路中的对地电容决定漏电流 的大小
漏电流的形成及检测方法分享
内容简介:
太阳电池暗电流分析
暗电流 2010-09-25 Sat⏹在没有光照的条件下,给PN结加反偏电压(N区接正,P区接负),此时会有反向的电流产生,这就是所谓的暗电流,对单纯的二极管来说,暗电流其实就是反向饱和电流,但是对太阳能电池而言,暗电流不仅仅包括反向饱和电流,还包括薄层漏电流和体漏电流具体来说:是指给PN结加一反偏电压时,外加的电压使得PN结的耗尽层变宽,结电场(即内建电场)变大,电子的电势能增加,P区和N区的多数载流子(P区多子维空穴,N区多子为电子)就很难越过势垒,因此扩散电流趋近于零,但是由于结电场的增加,使得N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动,因此在这种情况下,PN结内的电流由起支配作用的漂移电流决定。
漂移电流的方向与扩散电流的方向相反,表现在外电路上有一个留入N区的反向电流,它是由少数载流子的漂移运动形成的。
由于少数载流子是由本征激发而产生的,在温度一定的情况下,热激发产生的少子数量是一定的,电流趋于恒定。
⏹漏电流:太阳能电池片可以分3层,即薄层(即N区),耗尽层(即PN结),体区(即P区),对电池片而言,始终是有一些有害的杂质和缺陷的,有些是硅片本身就有的,也有的是我们的工艺中形成的,这些有害的杂质和缺陷可以起到复合中心的作用,可以虏获空穴和电子,使它们复合,复合的过程始终伴随着载流子的定向移动,必然会有微小的电流产生,这些电流对测试所得的暗电流的值是有贡献的,由薄层贡献的部分称之为薄层漏电流,由体区贡献的部分称之为体漏电流。
⏹测试漏电流的目的:(1)防止击穿如果电池片做成组件时,电池片的正负极被接反,或者组件被加上反偏电压时,由于电池片的暗电流过大,电流叠加后会迅速的将电池片击穿,不过这样的情况很少发生,所以测试暗电流在这方面作用不是很大。
(2)监控工艺当电池片工艺流程结束后,可以通过测试暗电流来观察可能出现的工艺的问题,前面说过,暗电流是由反向饱和电流和薄层漏电流以及体漏电流组成的,分别用 J1,J2,J3表示,当我们给片子加反偏电压时,暗电流随电压的升高而升高,分3个区,1区暗电流由J2起支配作用,2区由J3起支配作用,3区由J1 起支配作用,3个区的分界点由具体的测试电压而决定的。
太阳能电池板性能分析与评估
太阳能电池板性能分析与评估随着越来越多的人关注环保和可持续性发展,太阳能电池板成为了一个备受关注的能源来源。
太阳能电池板的工作原理是将太阳能转化为电能,这种能源不受地域和时间限制,因此广泛应用于各种场合,从家庭用电到工业生产都有着广泛的应用。
太阳能电池板的性能分析和评估是为了评估太阳能电池板的质量和可靠性,从而提高电池板的生产效率和降低生产成本。
太阳能电池的主要性能指标包括转换效率、光谱响应、漏电流、开路电压和短路电流等。
太阳能电池板转换效率太阳能电池板的转换效率是指太阳能被转化为电能的比例,是衡量太阳能电池板质量的重要指标。
太阳能电池板的转换效率越高,说明太阳能电池板所转化的太阳能越多,电能输出越大。
太阳能电池板的转换效率受多个因素影响,包括太阳辐射、电池板材料质量、组件设计等因素。
对于家用太阳能电池板来说,转换效率通常在15%左右,而对于商用太阳能电池板,转换效率可达到20%左右。
太阳能电池板的光谱响应太阳能电池板的光谱响应是指太阳光谱的响应程度,即太阳能光谱中的可见光、红外线和紫外线等各部分的电能转换效率。
太阳能电池板的光谱响应影响了其能否将太阳能高效地转换为电能。
太阳能电池板对于可见光的响应比较高,而对于紫外线和红外线的响应相对较低,因此太阳能电池板的实际转化效率受到可见光占比的影响。
为了提高太阳能电池板的光谱响应,可以采用多晶硅、单晶硅等材料制作太阳能电池板。
太阳能电池板的漏电流太阳能电池板的漏电流是指在夜间或遮挡太阳光源时产生的电流,也称为暗电流。
太阳能电池板的漏电流会影响电池板的发电效率和寿命。
高质量的太阳能电池板漏电流很低,在没有太阳光源或被遮挡的情况下,产生的电流非常小。
因此,在选购太阳能电池板时,需要关注其漏电流指标。
太阳能电池板的开路电压和短路电流太阳能电池板的开路电压和短路电流是指太阳能电池板在特定光照条件下的输出电压和电流。
开路电压是指太阳能电池板在输出电流为零时的电压,短路电流是指在太阳能电池板短路时的电流。
电气工程中的太阳能光伏漏电流监测与分析
电气工程中的太阳能光伏漏电流监测与分析在当今的环保潮流中,太阳能光伏技术备受关注,因其可可再生性和可持续性而受到广泛应用。
然而,太阳能光伏系统在使用过程中可能会出现漏电流问题,这对系统的安全性和效率产生严重影响。
因此,太阳能光伏漏电流的监测与分析变得至关重要。
1. 太阳能光伏漏电流的定义和影响漏电流是指在电气设备或电源线路中由于绝缘或绝缘材料损坏而导致的非正常电流。
在太阳能光伏系统中,漏电流可能会由于组件绝缘破损、温度过高、湿度过大等因素导致。
漏电流的存在可能对系统产生多种负面影响。
首先,漏电流会耗费相当一部分太阳能光伏系统产生的电能,降低系统的效率。
其次,漏电流还会引起系统温度升高、电池寿命减少,甚至导致火灾等严重事故发生。
2. 太阳能光伏漏电流监测技术为了解决太阳能光伏漏电流问题,需要借助先进的监测技术和设备。
目前,常用的太阳能光伏漏电流监测技术主要有基于直流电阻法、交流电阻法和无线传感网络技术。
基于直流电阻法的监测技术通过在回路中串接直流电阻,测量回路电压与电流来判断是否存在漏电流。
这种技术成本较低,但需要断开回路进行安装和管理,存在一定的操作风险。
交流电阻法则通过在直流电路上增加短暂的交流电压,测量交变电压和电流的相位差来检测漏电流。
相较于直流电阻法,交流电阻法避免了断开回路的操作,更加安全可靠。
但该技术需要增加额外的交流电源,增加了系统的复杂度。
无线传感网络技术则基于无线传感器节点和数据传输网络,实时监测太阳能光伏系统中的漏电流信息。
这种技术可以实现远程监测和数据传输,无需人工操作,更加方便高效。
但由于无线传感网络的复杂性,该技术的成本较高。
3. 太阳能光伏漏电流分析方法除了监测,分析太阳能光伏漏电流的原因也是十分重要的。
常用的漏电流分析方法有以下几种。
首先是红外热成像技术。
该技术利用红外热像仪对太阳能光伏组件进行扫描,通过观察温度分布图来判断组件是否存在漏电流。
这种方法检测灵敏度高,可以较为准确地定位漏电点。
太阳电池EL漏电分析及可靠性评估
图1 酸抛后的漏电电池硅片PL测试,女,本科、助理工程师,主要从事光伏组件成品的质量管理与生产过程的质量管控、组件生产过程中的异常原图2 正常硅片PL测试3 漏电电池片酸抛后的硅片面少子寿命图4 正常硅片的面少子寿命1.2 酸抛后的漏电电池硅片参数测试漏电电池片酸抛后,对其进行少子寿命、电阻率及厚度测试,具体数据如表1所示。
表1 酸抛后的漏电电池硅片性能参数少子寿命/µs电阻率1.126 1.8000.913 1.0620.963 1.7771.651 1.5301.636 1.3330.974 1.5271.723 1.597少子寿命达到合格的标准是大于1.2测试数据来看,少子寿命存在不合格的情面少子寿命,均值为1.553 µs。
由于漏电电池片所使用硅片的少子寿命低于1.2 µs,因此不满足合格1.4 硅片晶向、位错测试晶向测试。
晶向测试是利用X射线仪进行晶向测定。
其原理为:当一束平行的单色射线射入晶体表面时,X射线照在相邻平面之间的光程差为其波长的整数倍时就会产生衍射。
利用计数器探测衍射线,根据其出现的位置确定单晶的晶向。
位错测试。
位错测试是利用化学择优腐蚀来显示缺陷,试样经择优腐蚀液腐蚀后,在有缺陷的位置会被腐蚀成浅坑或丘,可采用目视法结合金相显微镜进行观察。
片漏电电池片酸抛后进行晶向、位错测试,数据如表2所示。
5 第一次制成的电池片的EL测试结果图6 返工后的电池片EL测试结果2 工艺排查分析2.1 电性能参数对比将漏电电池片与正常电池片在同一测试条件下对比测试。
表3为正常电池片与漏电电池片的性能参数对比。
表3 正常电池片与漏电电池片性能参数对比参数U oc/V I sc/A FF/%N Cell/%I rev1/A 漏电电池10.6469.38281.08520.116 2.267漏电电池20.6479.42780.71620.158 1.839正常电池10.6439.49181.12020.2760.050正常电池20.6459.40681.52420.2600.002为反向电压-10 V时的漏电电流;I rev2流3可知,漏电电池片的并联电阻较小、漏流基本都大于2 A,说明此类电池片不合格。
太阳能电池漏电流标准
太阳能电池漏电流标准一、定义和术语1.太阳能电池:一种将太阳光转化为电能的设备。
2.漏电流:由于太阳能电池中的杂质或缺陷,在太阳能电池的阳极和阴极之间形成的微小泄漏电流。
3.漏电流标准:衡量太阳能电池漏电流大小的准则或标准。
二、漏电流测量方法1.使用数字万用表进行测量:将太阳能电池的阳极和阴极分别连接到数字万用表的两个端口上,设置万用表在电流档位,测量太阳能电池的漏电流。
2.使用专门的漏电流测试设备:使用专用的漏电流测试设备,设定相应的电压和电流值,模拟太阳光的照射条件,对太阳能电池进行漏电流测试。
三、漏电流限制值根据不同的应用场景和产品标准,漏电流的限制值会有所不同。
一般来说,对于商用太阳能电池,漏电流应小于或等于0.5mA/cm²;对于家用太阳能电池,漏电流应小于或等于0.25mA/cm²。
四、测试条件和要求1.测试环境:室内恒温环境,温度保持在(25±2)℃。
2.测试设备:数字万用表或专门的漏电流测试设备。
3.测试前准备:清洁太阳能电池表面,确保无杂质和灰尘。
4.测试时间:每个太阳能电池样品至少测试三次,取平均值作为最终结果。
五、测试设备1.数字万用表:用于测量电流和电压的电子测量仪器。
2.漏电流测试设备:模拟太阳光的照射条件,对太阳能电池进行漏电流测试的专用设备。
六、测试程序1.将太阳能电池放置在测试台上,连接数字万用表或漏电流测试设备。
2.根据产品标准设定相应的电压和电流值。
3.开始测试,记录测得的漏电流值。
4.重复测试三次,取平均值作为最终结果。
5.分析测试结果,判断太阳能电池是否符合漏电流标准。
6.对于不符合标准的太阳能电池,进行相应的改进和优化。
7.记录所有的测试数据和结果。
8.进行质量保证检查,确保测试结果的准确性和可靠性。
太阳能电池eta参数
太阳能电池eta参数
太阳能电池eta参数是:短路电流(Isc)、开路电压(Voc)、串联电阻(Rs)、并联电阻(Rsh)、填充因子(FF)和反向漏电流(IRev2)。
1. 短路电流(Isc):在某特定温度和辐射度条件下,太阳能电池在短路状态下输出的电流,与电池面积、光强及温度有关。
2. 开路电压(Voc):在某特定的温度和辐射条件下,太阳能电池在无负载(即开路)状态下的两端电压,与光强和温度有关。
3. 串联电阻(Rs):正面电极金属栅线电阻rmf、正面金属半导体接触电阻
rc1、正面扩散层电阻rt、基区体电阻rb、背面金属半导体接触电阻rc2和背面电极金属栅线电阻rmb的总和。
4. 并联电阻(Rsh):指太阳能电池内部的、跨连在电池两端的等效电阻。
5. 填充因子(FF):体现电池的输出功率随负载的变动特征,与入射光谱光强度、短路电流、开路电压、串联电阻及并联电阻密切相关。
6. 反向漏电流(IRev2):形成漏电的主要原因包括经过PN结的漏电流、沿电池边沿的表面漏电流以及金属化处理后沿着微观裂缝或晶界等形成细小桥路而产生的漏电流。
此外,太阳能电池eta参数还包括转换效率(Eta),具体可查阅太阳能电池的相关文献或咨询该领域专家获取更多信息。
太阳能电池短路电流
太阳能电池短路电流
太阳能电池是一种利用太阳能将光能转化为电能的设备。
它的工作原理是利用光电效应,将太阳光中的能量转化为电子能量。
然而,当太阳能电池短路时,会出现电流异常的情况。
本文将详细介绍太阳能电池短路电流的原因及其影响。
太阳能电池短路电流是指当太阳能电池的正负极之间形成一条低阻抗的通路,电流会沿着这条通路直接流过,而不经过负载电阻。
造成太阳能电池短路电流的原因有很多,比如电池片之间的接触不良、电池片内部的缺陷、电池片表面的污染等。
这些因素都会导致电荷在电池内部得不到有效地收集,从而形成短路电流。
太阳能电池短路电流的存在对太阳能电池的性能和寿命都会产生严重的影响。
首先,短路电流会造成太阳能电池的发热,因为电流在低阻抗通路中流动会产生热量。
如果短路电流过大,会导致太阳能电池过热,甚至损坏。
其次,短路电流还会降低太阳能电池的输出功率,因为短路电流会绕过负载电阻,使得电池无法将电能有效地输出给外部设备。
最后,短路电流还会减少太阳能电池的寿命,因为长时间的短路电流会加速电池片的老化和损坏。
为了避免太阳能电池短路电流的发生,可以采取一些措施。
首先,选用质量好、接触良好的电池片,确保电池片之间的连接可靠。
其次,定期清洁电池片表面,避免污染物堆积导致短路。
此外,还可以采用保护电路来限制电流的过大流动,保护太阳能电池的正常工
作。
太阳能电池短路电流会给太阳能电池的性能和寿命带来负面影响。
我们应该重视太阳能电池的质量和维护,避免短路电流的发生。
只有确保太阳能电池的正常工作,才能更好地利用太阳能资源,实现可持续发展。
太阳能电池暗态漏电流半对数曲线
太阳能电池暗态漏电流半对数曲线
太阳能电池的暗态漏电流半对数曲线是一种用于描述太阳能电池在无光照条件下漏电流与电压之间关系的曲线。
这种曲线通常以半对数(logarithmic)形式绘制,其中电流值以对数刻度表示。
以下是太阳能电池暗态漏电流半对数曲线的详细介绍:
1. 漏电流与电压关系:
漏电流是太阳能电池在无光照条件下产生的电流,主要由于载流子的热激发引起。
漏电流与电池的温度和材料性质有关,通常在低电压下表现为指数增长。
2. 半对数曲线的特点:
采用半对数坐标是因为漏电流通常呈指数性增长,使用半对数坐标可以将指数关系线性化,更容易观察和分析。
3. 横轴和纵轴的刻度:
横轴通常表示电池的电压,纵轴表示漏电流的对数值。
横轴上电压的取值范围一般是从开路电压到短路电流产生的电压范围。
4. 曲线趋势:
曲线的初始段通常是平坦的,表示低电压下漏电流较小。
随着电压的增加,曲线开始上升,表示漏电流随电压增加而增大。
5. 温度影响:
太阳能电池的暗态漏电流与温度密切相关,因此在不同温度下可能有不同的半对数曲线。
高温下通常会导致漏电流增大。
6. 分析与评估:
利用半对数曲线,研究人员和工程师可以分析太阳能电池在暗态条件下的性能,评估其漏电流水平,为电池的设计和性能优化提供参考。
7. 研究与改进:
太阳能电池制造商和研究机构可以通过分析漏电流的半对数曲线来了解电池的质量、材料选择和制造工艺对漏电流的影响,以进一步改进太阳能电池的性能。
这样的半对数曲线分析有助于理解太阳能电池在不同条件下的行为,为提高其性能、减少漏电流等方面的优化提供重要信息。
太阳能电池漏电流 暗电流 反向电流
太阳能电池漏电流暗电流反向电流1. 太阳能电池漏电流概述太阳能电池是一种利用光能直接发电的装置,是目前清洁能源的重要组成部分。
然而,太阳能电池在实际应用中会存在一些不尽人意的现象,其中漏电流便是一个重要的问题。
2. 暗电流的成因暗电流是指太阳能电池在没有受到阳光照射的情况下产生的电流。
其产生原因主要有以下几个方面:(1)表面污染:太阳能电池板表面的尘埃和污渍会吸收光线并发生光伏效应,导致电子流动并产生暗电流。
(2)材料缺陷:太阳能电池制造过程中可能会出现材料缺陷,如晶格缺陷、晶界缺陷等,这些缺陷会导致暗电流的产生。
(3)温度影响:太阳能电池在工作过程中会受到温度的影响,高温会加速杂质离子的扩散,增加暗电流的大小。
3. 反向电流的影响反向电流是指太阳能电池在夜间或光照不足时,电池板产生的反向电流。
其影响主要体现在以下几个方面:(1)降低电池性能:大量的反向电流会导致太阳能电池的性能下降,使得电池的输出功率降低,影响电池的发电效率。
(2)损害电池组件:反向电流会对太阳能电池的组件造成损害,如引起组件过热、氧化等,缩短电池组件的使用寿命。
(3)安全隐患:过大的反向电流不仅会损害太阳能电池本身,还可能对整个光伏系统造成安全隐患,如引发火灾等。
4. 对策和解决方法针对太阳能电池漏电流、暗电流和反向电流的问题,可以采取以下一些解决方法:(1)加强清洁和维护:定期清洁太阳能电池表面的尘埃和污渍,确保光线充分照射,减少暗电流的产生。
(2)材料优化和工艺改进:提高太阳能电池的制造工艺,减少材料缺陷产生,降低暗电流的大小。
(3)安装防逆流装置:对太阳能电池组件进行防逆流处理,减少反向电流对电池组件的影响。
(4)调整系统设计:优化太阳能光伏系统的设计,采用适当的保护措施,减少反向电流的产生和损害。
5. 结语太阳能电池漏电流、暗电流和反向电流是太阳能电池在实际应用中的一些常见问题,这些问题不仅会影响太阳能电池的发电效率和性能,还可能对设备和系统造成损害和安全隐患。
太阳能电池基本参数的影响因素分析1短路电流Isc2开路电压Voc3
太阳能电池基本参数的影响因素分析1.短路电流Isc2.开路电压Voc3.最大工作电压Vm4.最大工作电流Im5.填充系数FF6.转换效率η7.串联电阻Rs8.并联电阻Rsh第一、一个理想的光伏电池,因串联的Rs 很小、并联电阻的Rsh 很大,所以进行理想电路计算时,他们都可忽略不计。
所以负载电流满足式(1),I = I L -I D =I L -Is[exp(qV/kT)-1] (1)短路电流Isc=I LI L ——光生电流;I D ——暗电流; I S —— 反响饱和电流;Rs ——串联电阻;Rsh ——并联电阻 所以根据上式,就会得到右图。
R LL SI kTV ln(1)q I I -=+(1)L ocSI kTVIn q I=+第二、但在实际过程中,就要将串联电阻和并联电阻考虑进去,Isc 的方程如下:当负载被短路时,V=0,并且此时流经二极管的暗电流I D 非常小,可以忽略,上式可变为:第三、由此可知,短路电流总小于光生电流I L 且Isc 的大小也与Rs和Rsh 有关。
1.短路电流Isc当V=0时,Isc=I L 。
I L 为光生电流,正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度。
1cm2光伏电池的I L 值均为16~30mA 。
环境温度的升高,I L 值也会略有上升,一般来讲温度每升高1℃,I L 值上升78μA2.开路电压Voc开路时,当I=0时,V oc=kT/qln(I L /I S +1) 太阳能电池的光伏电压与入射光辐照度的对数成正比,与环境温度成反比,与电池面积的大小无关。
温度每上升1 ℃,UOC 值约下降2~3mV 。
该值一般用高内阻的直流毫伏计测量。
同时也与暗电流有关。
而对太阳能电池而言,暗电流不仅仅包括反向饱和电流,还包括薄层漏电流和体漏电流。
(由于杂质或缺陷引起的载流子的复合而产生的微小电流) 漏电流:太阳能电池片可以分3层,即薄层(即N 区),耗尽层(即PN 结),体区(即P 区),对电池片而言,始终是有一些有害的杂质和缺陷的,有些是材料本身就有的,也有的是工艺中形成的,这些有害的杂质和缺陷可以起到复合中心的作用,可以虏获空穴和电子,使它们复合,复合的过程始终伴随着载流子的定向移动,必然会有微小的电流产生,这些电流对测试所得的暗电流的值是有贡献的,由薄层贡献的部分称之为薄层漏电流,由体区贡献的部分称之为体漏电流。
太阳能电池基本参数的影响因素分析1短路电流Isc2开路电压Voc3
太阳能电池基本参数的影响因素分析1.短路电流Isc2.开路电压Voc3.最大工作电压Vm4.最大工作电流Im5.填充系数FF6.转换效率η7.串联电阻Rs8.并联电阻Rsh第一、一个理想的光伏电池,因串联的Rs 很小、并联电阻的Rsh 很大,所以进行理想电路计算时,他们都可忽略不计。
所以负载电流满足式(1),I = I L -I D =I L -Is[exp(qV/kT)-1] (1)短路电流Isc=I LI L ——光生电流;I D ——暗电流; I S —— 反响饱和电流;Rs ——串联电阻;Rsh ——并联电阻 所以根据上式,就会得到右图。
R LL SI kTV ln(1)q I I -=+(1)L ocSI kT VIn q I=+第二、但在实际过程中,就要将串联电阻和并联电阻考虑进去,Isc 的方程如下:当负载被短路时,V=0,并且此时流经二极管的暗电流I D 非常小,可以忽略,上式可变为:第三、由此可知,短路电流总小于光生电流I L 且Isc 的大小也与Rs和Rsh 有关。
1.短路电流Isc当V=0时,Isc=I L 。
I L 为光生电流,正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度。
1cm2光伏电池的I L 值均为16~30mA 。
环境温度的升高,I L 值也会略有上升,一般来讲温度每升高1℃,I L 值上升78μA2.开路电压Voc开路时,当I=0时,V oc=kT/qln(I L /I S +1) 太阳能电池的光伏电压与入射光辐照度的对数成正比,与环境温度成反比,与电池面积的大小无关。
温度每上升1 ℃,UOC 值约下降2~3mV 。
该值一般用高内阻的直流毫伏计测量。
同时也与暗电流有关。
而对太阳能电池而言,暗电流不仅仅包括反向饱和电流,还包括薄层漏电流和体漏电流。
(由于杂质或缺陷引起的载流子的复合而产生的微小电流) 漏电流:太阳能电池片可以分3层,即薄层(即N 区),耗尽层(即PN 结),体区(即P 区),对电池片而言,始终是有一些有害的杂质和缺陷的,有些是材料本身就有的,也有的是工艺中形成的,这些有害的杂质和缺陷可以起到复合中心的作用,可以虏获空穴和电子,使它们复合,复合的过程始终伴随着载流子的定向移动,必然会有微小的电流产生,这些电流对测试所得的暗电流的值是有贡献的,由薄层贡献的部分称之为薄层漏电流,由体区贡献的部分称之为体漏电流。
暗电流
发生原因 – 刻蚀过刻或欠刻
五、暗电流产生的主要因素(电池部分)
D.丝网印刷造成的漏电(工艺污染、工艺过程污染、烧穿、虚印)
电池浆料污染 手指印 工 艺 过 程 污 染
工 艺 污 染
烧结烧穿
主栅线虚印
烧 穿
虚 印
Thanks for your attention! 谢 谢!
二、暗电流、漏电电性能数据表象 2.1暗电流数据样本:
备注:以上数据出自我司实验锭,晶锭编号:8HM1307M08231Z
Uoc—开路电压;Isc—短路电流;Rs—串联电阻;Rsh—并联电阻;FF—填充因子 Ncell—转换效率;Irev2—反接12V电流值。 (备注:只有开路电压与短路电路为实际测量值,其它值全部为运算值) 样本现象:1.开路电压低;2.短路电流变化无规律性;3.转换效率低; 4.反接12V电流值较高(较正常片)。 结果:影响整锭或整批次的转换效率
B.扩散造成的漏电
•
现象 • – 用shuntscan扫描制成的电池片, 出现烧穿现象。
发生原因 – 扩散方阻较高 – 烧结炉温度过高
五、暗电流产生的主要因素(电池部分)
C.去PSG产生的漏电
•
现象 • – 正接电压时,可见刻蚀黑边较窄, 或刻蚀黑边较宽 – 反接电压时,硅片边缘有线状亮点 – 电池片实物可见刻蚀边过窄或过宽
切 割 砂 造 成 漏 电
漏电EL图 制绒后全貌Sem图 制绒后垂直Sem图
五、暗电流产生的主要因素(电池部分)A. Fra bibliotek绒后的黑丝造成漏电
•
•
现象 – 正接电压时,硅片上有丝状黑色斑纹;正片或部分区域发暗 – 反接电压时,黑丝区域有星点状亮点 发生原因 – 制绒黑丝较严重(腐蚀重量过大)
太阳能电池光照情况下的电流电压关系分析
太阳能电池光照情况下的电流电压关系分析(亮特性)光生少子在内建电场驱动下定向的运动在PN 结内部产生了n 区指向P 区的光生电流I L ,光生电动势等价于加载在pn 结上的正向电压V ,它使得PN 结势垒高度降低qVD -qV 。
开路情况下光生电流与正向电流相等时,pn 结处于稳态,两端具有稳定的电势差V OC ,这就是太阳能电池的开路电压Voc 。
如图3-4所示,在闭路情况下,光照作用下会有电流流过pn 结,显然pn 结相当于一个电源。
图3-4 太阳能电池等效电路图I ph 为太阳电池内部的光生电流,与光伏电池辐照强度、受光面积成正比。
I D 为光伏电池内部暗电流,其反映太阳电池自身流过PN 结的单向电流;I L 为太阳电池输出流过负载的电流;I SH 为PN 结的漏电流;R SH 为光伏电池内部的等效旁路电阻,其值较大,一般可达几千欧姆;R S 为光伏电池内部等效串联电阻,其值一般较小,小于1欧姆;U L 为负载两端电压。
光电流I L 在负载上产生电压降,这个电压降可以使pn 结正偏。
如图3-4所示,正偏电压产生正偏电流I F 。
从图3-4 1可知,其中流过负载的电流:SHD ph L I I I I --= (1) ]1)[exp(-=AKTqU I I D O D (2) SHD D O ph L R U AKT qU I I I -⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=1)ex p( (3) ]1)[exp(-=AKTqU I I OC O sc (4) 其中I sc 为太阳电池内部的短路电流,如果忽略等效电路输出短路时流过二极管反向漏电流,I ph =I sc 。
从前可知,R sh 阻值较大R s 的电阻较小,所以上式可以变换为:D ph SH D ph L I I I I I I -≈--= (5)所以光伏电池输出功率可表示为:]1)[exp(--==AkTqU I U I U I U P L O L ph L L L (6) o I 为光伏电池内部等效二极管的P -N 结反向饱和电流,近似常数,不受光照度影响;q 为电子电荷,q =1.6×10-19C ;K 为波尔兹曼常数,K=1.38×10-23J/K ,A 为光伏电池内部P -N 结的曲线常数。
太阳能电池生产中的开压和短路电流
太阳能电池生产中的开压和短路电流太阳能电池是一种利用光的能量转化为电能的装置,是太阳能光电转换的核心部件。
在太阳能电池的生产过程中,开压和短路电流是两个重要的参数。
本文将对太阳能电池的开压和短路电流进行详细说明。
首先,我们来了解一下太阳能电池的基本原理。
太阳能电池是利用半导体材料特性的器件,其中最常用的材料是硅。
当太阳光照射到太阳能电池上时,光子会激发半导体材料中的电子,形成电子-空穴对。
在太阳能电池的p-n结中,产生的电子被推向n区,而空穴被推向p 区。
这样就形成了电子在p区和n区之间的电势差,也就是电压。
当外部电路连接到太阳能电池上时,电子和电流就可以从p区流向n区,完成电能的转换。
开压是指太阳能电池在没有外部电路连接时的电压。
在开路状态下,电子和电流不能流动,因此太阳能电池的电路是打开的。
开压是太阳能电池的输出电压,在一定程度上反映了太阳能电池的工作状态和性能。
开压取决于太阳能电池的材料、结构、工艺等因素,一般为太阳能电池的额定电压。
短路电流是指太阳能电池在短路状态下的输出电流。
在短路状态下,太阳能电池的正负极直接连接,形成一个低电阻回路。
这时电子和电流可以自由地流动,产生最大的电流。
短路电流是太阳能电池的最大输出电流,也是反映太阳能电池性能的指标之一。
短路电流取决于太阳能电池的面积、材料、温度等因素。
太阳能电池的开压和短路电流是太阳能电池性能评估的重要参数。
在太阳能电池生产中,制造商通过不断优化材料、工艺和设备来提高太阳能电池的开压和短路电流。
为了实现更高的开压和短路电流,制造商会采取以下几种方法:1.优化材料选择:制造商会选择具有高吸收率和高电导率的半导体材料,以提高光电转换效率和电子传导性能。
2.改进工艺流程:制造商会对太阳能电池的制备工艺进行调整和改进,以提高电极与半导体之间的接触质量,减少光电子复合等损失。
3.提高制备设备的精度和稳定性:制造商会投资更新的设备,提高生产线的精度和稳定性,以确保太阳能电池的一致性和稳定性。
太阳能电池主要技术参数
测试简化电路:
太阳能电池测试曲线
标准测试条件
1 25℃,生产中使用的温度测量系统,准确度为±2℃
2 AM1.5 地面标准阳光光谱采用总辐射的AM1.5标准阳光光谱
3 1000W/m2 , 1000W/m2是标准测试太阳电池的光线的辐照 度。
太阳光伏能源系统标准化技术委员会(IEC—TC82)规定了标准测试条件:地面用太阳能电 池的标准测试条件为:测试温度:25±2℃,光源光谱辐照度1000W/m2,并且具有标准的 AM1.5太阳能光谱辐照度分布。
----Js为饱和电流密度
理想情况下等效电路:
I p h 二极管光生电流
I D 二极管漏电(暗电
流)
I I p h I D I p h I 0 eq xn V p k 1 T
二极管正向电流: I 0 为二极管反向饱和电流,其值等于在黑暗中通过PN结的少数载 流子的空穴电流和电子电流之和, q为电子电荷,U为等效二极管的端电压;K为波尔兹曼常数,T为绝 对温度;A为二极管的曲线因子,通常取值在1~2之间。
当负载 R L 从0变化到无穷的时候,就可以根据上式画出太阳能 电池的负载特性曲线(伏安特性曲线)
曲线上的每一点称为工作点,工作点和原点的连线称为负载线, 斜率为:
I Ip h I D I s h Ip h I 0 e x p q ( U I R s )n k T 1 ( U R s I h R s )
AM(
为了描述大气吸收对太阳 辐照能量及其光谱的分布 的影响,引入大气质量, 如果把太阳当顶垂直于海 平面的太阳辐射穿过大气 高度作为一个大气质量, 则太阳在任意位置时大气 质量定义为从海平面看太 阳通过大气的距离与太阳 在天顶时通过大气距离之 比。
光伏组件问题系列总结——暗电流,反向电流,漏电流的区别
光伏组件问题系列总结——暗电流,反向电流,漏电流的区别光伏组件问题系列总结——暗电流,反向电流,漏电流的区别1.0绪论电池片内部存在多种电流,如暗电流、反向电流、漏电流等。
各种电流都对组件的功率有或大或小的影响,区分各种电流的特性,能够排查引起组件功率异常的原因,有助于问题的彻底解决。
2.0暗电流暗电流(Dark Current)也称无照电流,是指P-N结在反偏压条件下,没有入射光时产生的反向直流电流。
一般由于载流子的扩散产生或者器件表面和内部的缺陷以及有害的杂质引起。
扩散产生的原理是在PN结内部,N区电子多,P区空穴多,因为浓度差,N区的电子就要向P区扩散,P区的空穴要向N区扩散,尽管PN结内建电场是阻止这种扩散的,但实际上这中扩散一直进行,只是达到了一个动态的平衡,这是扩散电流的形成。
另外当器件的表面和内部有缺陷时,缺陷能级会起到复合中心的作用,它会虏获电子和空穴在缺陷能级上进行复合,电子和空穴被虏获到缺陷能级上时,由于载流子的移动形成了电流,同样有害的杂质在器件中也是起到复合中心的作用,道理和缺陷相同。
暗电流一般在分选硅片时要考虑,如果暗电流过大能说明硅片的质量不合格,如表面态比较多,晶格的缺陷多,有存在有害的杂质,或者掺杂浓度太高,这样的硅片制造出来的电池片往往少子寿命低,直接导致了转换效率低!对单纯的二极管来说,暗电流其实就是反向饱和电流,但是对太阳能电池而言,暗电流不仅仅包括反向饱和电流,还包括薄层漏电流和体漏电流。
3.0反向饱和电流反向饱和电流指给PN结加一反偏电压时,外加的电压使得PN结的耗尽层变宽,结电场(即内建电场)变大,电子的电势能增加,P区和N区的多数载流子(P区多子维空穴,N区多子为电子)就很难越过势垒,因此扩散电流趋近于零,但是由于结电场的增加,使得N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动,因此在这种情况下,PN 结内的电流由起支配作用的漂移电流决定。
漂移电流的方向与扩散电流的方向相反,表现在外电路上有一个留入N区的反向电流,它是由少数载流子的漂移运动形成的。
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PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS:RESEARCH AND APPLICATIONSProg.Photovolt:Res.Appl.2004;12:529–538Published online 29July 2004in Wiley InterScience ().DOI:10.1002/pip.544Shunt Types in CrystallineSilicon Solar CellsO.Breitenstein*,y ,J.P.Rakotoniaina,M.H.Al Rifai and M.WernerMax Planck Institute of Microstructure Physics,Weinberg 2,D-06120Halle,GermanyNine different types of shunt have been found in state-of-the-art mono-and multi-crystalline solar cells by lock-in thermography and identified by SEM investigation(including EBIC),TEM and EDX.These shunts differ by the type of their I –V char-acteristics (linear or nonlinear)and by their physical origin.Six shunt types are pro-cess-induced,and three are caused by grown-in defects of the material.The mostimportant process-induced shunts are residues of the emitter at the edge of the cells,cracks,recombination sites at the cell edge,Schottky-type shunts below grid lines,scratches,and aluminum particles at the surface.The material-induced shunts arestrong recombination sites at grown-in defects (e.g.,metal-decorated small-anglegrain boundaries),grown-in macroscopic Si 3N 4inclusions,and inversion layerscaused by microscopic SiC precipitates on grain boundaries crossing the wafer.Copyright #2004John Wiley &Sons,Ltd.key words :shunts;thermography;lock-in;silicon;monocrystalline;multicrystallineINTRODUCTIONA solar cell,as simulated by essentially one-dimensional models,is assumed to show a homogeneouscurrent flow across the whole area,both under illumination and in the dark.In the traditional inter-pretation of I –V characteristics of solar cells all nonlinear currents belonged to the cell,and only ohmic current paths across the pn junction have been attributed to ‘shunts’.With the availibility of precision lock-in thermography techniques these shunts can be made visible,so in the following all bright features visible in thermography have been called ‘shunts’.However,by later investigations it has turned out that there are not only ohmic shunts,but also diode-like ones,e.g.,caused by local recombination sites.So the question,what is a shunt and what belongs to the undisturbed cell,has a philosophical dimension:can,e.g.,a region of lower crystal quality be called a shunt?This question is still under discussion,but throughout this work we will use the term ‘shunt’for any position in a solar cell showing under forward or reverse-bias a dark-current contribution additional to the diffusion current.In this sense edge leakage currents are shunting currents,but a region of lower crystal quality,where only the saturation current density of the diffusion current is increased,is not.Future discussions will show whether this definition will survive or has to be replaced by a more precise one.Received 20August 2003Copyright #2004John Wiley &Sons,Ltd.Revised 3December 2003*Correspondence to:O.Breitenstein,Max Planck Institute of Microstructure Physics,Weinberg 2,D-06120Halle,Germany.y E-mail:breiten@mpi-halle.deContract/grant sponsor:BMWi;contract/grant number:0329846D (ASIS).Contract/grant sponsor:EU;contract/grant number:ENK6-CT-2001-00573.Research530O.BREITENSTEIN ET AL. The technique of infrared(IR)lock-in thermography,which has been commercially available for solar cell investigations since2000,1allows one to perform an efficient and systematic investigation of shunts in solar cells.2–5This technique detects the periodic local surface temperature modulation in the positions of local shunts with a sensitivity below100m K by applying a pulsed bias to the cell in the dark.Lock-in thermography may not only image the position of shunts up to an accuracy of5m m,but it also allows one to easily check whether shunts have a linear or a nonlinear I–V characteristic,as well as to measure local I–V characteristics quantitatively in a non-destructive way.3–6However,knowing the positions of shunts and estimating their influ-ence on the dark I–V characteristic of the cell is only thefirst step in understanding shunt phenomena.The next step is tofind out the physical nature of the shunts in order to avoid them in future.This can be done most successfully by using microscopic and microanalytic techniques such as EBIC(electron-beam-induced current) and EDX(energy-dispersive X-ray analysis)performed in the scanning electron microscope,TEM(transmis-sion electron microscopy),and light microscopy.This contribution summarizes our efforts from the last8years to identify the physical origin of different shunt types in monocrystalline and multicrystalline silicon solar cells made by different producers.7EXPERIMENTALThe lock-in thermography investigations have been carried out partly with a home-made IR lock-in thermogra-phy system based on a128Â128pixel InSb focal plane array thermocamera2,4Amber AE4128,and partly with the commercial TDL384M‘Lock-in’thermography system made by Thermosensorik GmbH Erlangen,1,4,5 having a resolution of384Â288pixel.For most IR investigations the sample was covered with a20-m m-thin black-painted plasticfilm,which is sucked on to the cell by a vacuum and acts as an efficient IR emitter.For identifying the shunts,EBIC and EDX investigations were made on JEOL6300/6400scanning electron micro-scopes at acceleration voltages between5and20kV,which are equipped with an EBIC amplifier based on a DLPCA-200variable gain current amplifier made by FEMTO and an EDX system IDFix made by SAMx.TEM investigations were made with a1MV acceleration voltage on a JEOL1000high-voltage transmission electron microscope.RESULTSBefore lock-in thermography allowed one to perform systematic shunt investigations,it was suspected that most shunts in multicrystalline silicon solar cells originated at crystal defects such as grain boundaries,precipitates, or dislocations.However,our investigations on hundreds of cells have revealed that by far most of the shunts are process-induced,whereas material-induced shunts are rather an exception than the rule.Moreover,in the past it was often assumed that shunts are generally characterized by a linear(ohmic)I–V characteristic.However,we have found that in state-of-the-art silicon solar cells most shunts show a nonlinear(diode-like)I–V character-istic.The linearity of the shunt characteristic can easily be checked by comparing lock-in thermograms taken at 0Á5V forward bias with thermograms taken atÀ0Á5V reverse bias.If a shunt shows the same thermal signal under both conditions,its I–V characteristic is linear.Otherwise,the characteristic is nonlinear.In silicon solar cells we have never found a case where the thermal signal was larger under low reverse bias than under the same forward bias.However,under large reverse bias ofÀ5toÀ20V new types offield-induced shunts may appear, especially in multicrystalline cells,even in positions,where no remarkable shunts have been detected under low-bias conditions.8Therefore,shunt investigations performed under large reverse bias may be misleading for the shunting behavior at the working point of the cell.Thesefield-induced shunts are beyond the scope of this contribution.Generally,it can be stated that linear shunts are more dangerous for degrading the perfor-mance of solar cells than nonlinear ones.In the following we will discuss the appearance of different process-induced and material-induced shunt types in lock-in thermography and present microscopic results supporting their physical interpretation.Copyright#2004John Wiley&Sons,Ltd.Prog.Photovolt:Res.Appl.2004;12:529–538Process-induced shuntsLinear edge shuntsThis was the dominant shunt type in earlier solar cell technologies,but with improving edge isolation technol-ogies it appears less frequently now.Figure 1shows a lock-in thermogram of a cell measured at 0Á5V forward bias compared with one measured at À0Á5V reverse bias,both scaled from 0mK T-modulation amplitude (black)to 1mK (white).The comparison of the brightness of the shunts measured under both conditions shows that only some of the edge shunts marked by arrows in Figure 1are ohmic.In order to investigate their nature,EBIC investigations have been performed in the edge region in shunt positions.Figure 2shows such an EBIC image,together with the corresponding secondary electron(SE)Figure 1.Lock-in thermogram of a cell containing edge shunts,measured under:(a)þ0Á5V;(b)À0Á5VbiasFigure 2.(a)SE image;(b)EBIC image at the position of a linear edge shunt.Image taken at an angle of 45 from therear sideSHUNT TYPES IN CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELLS 531Copyright #2004John Wiley &Sons,Ltd.Prog.Photovolt:Res.Appl.2004;12:529–538image.6We are looking at an angle of approximately45 from the rear to the edge of the cell.Here the pn junction was opened by grinding a45 bevel at the rear edge,which actually should show no EBIC signal. In this bevel we see a horizontal stripe where an EBIC signal linearly decreases from a maximum value at the emitter(left)to zero at the back contact.Such a behavior is expected for a pn junction,which is short-circuited at one side.The stripe is a remainder of the emitter,which was not‘opened’by the edge insulation procedure.So linear edge shunts are usually due to an incompletely opened emitter at the edge.Nonlinear edge shuntsThose edge shunts which appear in Figure1predominantly under forward bias(þ0Á5V),show a nonlinear (diode-like)I–V characteristic.These shunts can be interpreted to be recombination sites,which are acting at the edge where the pn junction crosses the surface.If the recombination activity of these surface states remains low,their recombination current has an exponential characteristic with an ideality factor of2,as expected from Shockley diode theory.9However,many of these shunts show an exponential characteristic with an ideality factor of3and above.3These large ideality factors seem to be a general property of nonlinear local shunts,since we have measured them very often.The physical mechanism leading to large ideality factors is not clear yet.Cracks and holesIt was shown that cracks in readily processed solar cells lead to a weak nonlinear edge recombination current, similar to nonlinear edge shunts.2However,if a crack is already present in the wafer before processing,or if it appears during processing beforefinally screen-printing the contact metallization,cracks may lead to severe ohmic shunts.If the crack is already present in the raw wafer,an emitter layer may be established across the crack.This layer shorts the emitter against the base contact,hence a linear(ohmic)shunt appears along the crack,acting like a linear edge shunt.Figure3shows an example of such a crack-induced shunt at the lower edge of a cell.The maximum T-modulation amplitude measured in Figure3,which is a measure of the current flowing in this individual shunt,was in the order of10mK.However,since this contribution deals rather with the qualitative description of different shunt types than with their quantitative description,5the T-modulation amplitudes are not given for all thermograms of this contribution.Note that the weak vertical bright stripe above the crack is the electrical connection from the major grid to the crack shunt,which becomes thermographicallyvisible by Joule heating.If during screen-printing some metal paste penetrates a crack,afterfiring thismayFigure3.Lock-in thermogram of a shunt caused by a crack at the lower edge of a cell532O.BREITENSTEIN ET AL. Copyright#2004John Wiley&Sons,Ltd.Prog.Photovolt:Res.Appl.2004;12:529–538produce especially strong linear shunts.The shunts described above may also emerge if there are any holes present in a cell,e.g.,coming from laser cutting.Schottky-type shuntsIn order to have a good blue response,the emitter of silicon solar cells has a thickness in the order of only 0Á3m m.If the emitter metallization is sintered,it consumes some silicon material.If the sintering parameters are not optimized to the emitter doping profile,the emitter metallization may punch through the emitter,finally leading to a Schottky-type direct contact between the metal and the p -type base material.As a rule,this contact has a more or less rectifying characteristic,but it is far away from an ideal Schottky diode.Just as for Schottky diodes containing some interface layer,its ideality factor is not unity,but may be even larger than two.Schottky-type shunts may also appear if the emitter metallization is printed at a position having no emitter layer at all.Such ‘holes’in the emitter may be due to mechanical violation of texturization pyramide tips after emitter doping or due to dust particles or insufficient contact of the phosphorus glass to the silicon in some positions.Figure 4shows two EBIC and one SEM image of a region below a grid finger (region between the two lines:Kontakt )in the position of a nonlinear shunt after dissolving the metal with HF.6The dark spot in EBIC is a mechanically violated tip of a large texturization pyramid,where the emitter is missing.In rare cases ohmic shunts were also found below grid lines,the nature of which is still unclear.ScratchesA scratch at the surface of a solar cell across the emitter layer brings the pn junction to a surface with a high density of recombination centers.Thus,scratches act like nonlinear edge shunts,leading typically to an expo-nential characteristic with a large ideality factor,like nonlinear edge shunts.Figure 5shows a lock-in thermo-gram of a cell containing two scratches,which were only visible under forward bias.If scratches are made before emitter diffusion,or if they do not penetrate the pn junction,they generate local recombination centers,also acting as nonlinear shunts,similar to strongly recombination-active grown-in crystal defects (see below).Aluminum particlesWhenever aluminum reaches the front surface of a cell before firing,which may happen,e.g.,by cross-contam-ination during stacking of the cells,it will create shunts.During firing Al will alloy in,leading to a p þ-doped Figure 4.EBIC and SE images of a shunt below a grid lineSHUNT TYPES IN CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELLS 533Copyright #2004John Wiley &Sons,Ltd.Prog.Photovolt:Res.Appl.2004;12:529–538region around the particle,which may compensate the emitter.This p þ-region may be in ohmic contact with the base,but it also makes a tunnel contact to the emitter,thus producing a shunt.Figure 6shows an EBIC image of the position of such a shunt,after the Al has been dissolved by HF (H.Gottschalk,Cologne,personal commu-nication of work from Project 0329536A-I,DIXSI).The 10m m rhombohedral Al particle (identified by EDX)was sitting on a twin grain boundary.Its former position appears dark in EBIC,hence there is no pn junction anymore,as expected.Interestingly,after applying a reverse bias of À10V a visible luminescence appeared at the edge of this region (see light microscope image,insert in Figure 6).This is obviously an avalanche break-down,which Gottschalk has also found occasionally in other shuntlocations.Figure 5.Lock-in thermogram of a cell with twoscratchesFigure 6.EBIC image of the position of an Al-induced shunt after etching away the Al particle.Insert:light emission atÀ10V reverse bias,light microscope image534O.BREITENSTEIN ET AL.Copyright #2004John Wiley &Sons,Ltd.Prog.Photovolt:Res.Appl.2004;12:529–538Material-induced shuntsStrongly recombinative crystal defectsIt had been mentioned that ordinary grain boundaries,which are easily visible in LBIC or EBIC due to their recombination activity,do not usually lead to measurable shunts.However,if a crystal defect is strongly recom-binative,its recombination current may become strong enough for it to act as a shunt,similar to nonlinear edge shunts and scratches.Figure 7(a)shows a lock-in thermogram of one of these shunts,which are visible only under forward bias.10The EBIC image in this region (Figure 7b)showed a network of dark lines,which turned out in TEM (Figure 7c)to be small-angle grain boundaries.It should be mentioned that the TEM investigation did not reveal any precipitates at these dislocations.Nevertheless,they should be decorated by impurities,other-wise they would not be so recombinative.Similar shunts have also been found within regions of poor crystal quality (dislocation tangles).6Note,however,that the general increase of the dark forward current in regions of lower crystal quality,leading to a ‘cloudy’appearance of the thermograms showing a correlation to LBIC,cannot be interpreted as shunts.Instead,these are inhomogeneities of the diffusion current owing to the lower diffusion length in these regions,which can be proved by thermographic ideality factor mapping.3Macroscopic Si 3N 4inclusionsOccasionally,cast multicrystalline silicon material contains macroscopic inclusions,which can be identified by EDX as Si 3N 4.If a solar cell is processed from such a wafer,the inclusion is easily visible as a grey region,seemingly without ARC.In reality the Si 3N 4ARC is just invisible there,since it has the same optical properties as the inclusion.TEM investigations and EDX have revealed that the inclusion consists of amorphous Si 3N 4containing 100–200nm crystalline Si 3N 4particles.Figure 8shows a lock-in thermogram of a cell containing a Si 3N 4-induced shunt (arrow).Also this shunt was visible only under forward bias,hence it has a nonlinear I –V characteristic.We assume that the recombination activity of interface states between Si and this Si 3N 4material is responsible for these shunts.Most probably the Si 3N 4particles stem from the walls of the crucible used for crystallizing the Si material.Inversion layers at precipitatesA significant amount of multicrystalline silicon cells showing a very low parallel resistance leads to lock-in thermograms,showing a network of strong linear (ohmic)shunts like those shown in Figure 9.The positions of these shunts often correlate with certain large-angle grain boundaries in the material.These shunts are also visible in EBIC as dark clouds around the grain boundaries (Figure 10a).In order to investigate the nature of these shunts,the rear contact and the highly p -doped back-surface field (BSF)layer have been removed by sub-sequent etching with HCl and HF/HNO 3.Then EBIC investigations have been performed in the shunt regions,both at the front and at the rear side.In the front side EBIC image the dark clouds have now disappeared.Figure 10(b)shows an EBIC image taken from the rear side.It shows a number of bright lines with acollection Figure 7.(a)Lock-in thermogram;(b)EBIC image;(c)and TEM image of a shunt caused by strongly recombinative crystal defectsSHUNT TYPES IN CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELLS 535Copyright #2004John Wiley &Sons,Ltd.Prog.Photovolt:Res.Appl.2004;12:529–538efficiency close to 1in positions of large-angle grain boundaries.These lines can be explained only as carrier-collecting inversion channels crossing the wafer,which are connected to the emitter.Inversion means a local transformation of the silicon material from p -to n -type,caused by the presence of fixed positive charges in the corresponding grain boundaries.In the complete solar cell these channels are electrically connected with the emitter and may also be connected with the rear contact,thereby shorting the cell in this position.For this con-tact the BSF plays a major role,since the inversion channels become visible in rear-side EBIC only after dis-solving the BSF layer.After this investigation a plane view TEM specimen was prepared in the position of one channel (arrow in Figure 10).Figure 11shows a TEM overview image,composed from several single images,of this grain boundary.We see a number of large crystalline precipitates up to 5m m in size with a mean distance up to 15m m,embedded in this grain boundary.According to selected area diffraction and EDXinvestigations Figure 8.Lock-in thermogram of a cell containing a Si 3N 4inclusion(arrow)Figure 9.Lock-in thermogram of a strongly shunted cell at:(a)0Á5V forward;(b)À0Á5V reverse bias536O.BREITENSTEIN ET AL.Copyright #2004John Wiley &Sons,Ltd.Prog.Photovolt:Res.Appl.2004;12:529–538these precipitates consist of cubic SiC.No such precipitates ever have been found in grain boundaries of solar cells not showing this type of shunts.So the precipitates should be physically connected with the formation of the inversion layers along these grain boundaries.However,since according to Figure 11these particles do not overlap,the physical origin of the vertical current flow across the cell is not clear yet.Similar precipitates have already been found in a similar shunt in a cell made by another producer,10hence this type of shunt is obviously not very rare.It can be classified as the most dangerous material-induced shunt type in multicrystalline silicon solar cells.CONCLUSIONSAfter lock-in thermography enabled the systematic investigation of shunts in silicon solar cells also under for-ward bias conditions,the physical understanding of shunts has greatly improved.Since the shape of the I –V characteristic is an important characteristic of the nature of a shunt,a key experiment for identifying shunts is the comparison of lock-in thermograms taken under the same forward and reverse bias.This information,together with that about the position of a shunt,usually allows one to classify most shunts into one of the cate-gories listed in this contribution.A linear shunt at the edge is usually an incompletely opened emitter,and a linear shunt within the area is a good candidate for an inversion channel,if it is not lying on a crack or a hole.Shunts with a nonlinear characteristic are usually recombination-induced shunts caused by surface or interface states or by strongly recombinating crystal defects.If nonlinear shunts are below grid lines,they may beof Figure 10.(a)EBIC image of a shunt region;(b)the same region after removing the rear contact and the BSF layer,imagedfrom therearFigure 11.TEM image of SiC precipitates at a large-angle grain boundary inducing an inversion layerSHUNT TYPES IN CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELLS 537Copyright #2004John Wiley &Sons,Ltd.Prog.Photovolt:Res.Appl.2004;12:529–538538O.BREITENSTEIN ET AL.Schottky type.In both cases the ideality factor of their characteristic is often significantly larger than2,which is not completely understood yet.However,it seems to be clear that the often observed‘second diode’current with a large ideality factor is usually due to the existence of these nonlinear shunts.3,11AcknowledgementsThe authors are grateful to ngenkamp(Rendsburg),I.Konovalov(Leipzig),S.Neve(Hannover),and H.Gottschalk(Cologne)for experimental cooperation and to S.Lust(Q CELLS AG,Thalheim),Q.N.Leˆ(Photowatt SA,Bougoin-Jallieu),and T.Bruton(BP Solar Ltd,Sunbury)for delivering cells for these investi-gations.This work was supported by BMWi Project0329846D(ASIS)and by EU Project ENK6-CT-2001-00573(PORTRAIT).REFERENCES1.www.thermosensorik.de2.Breitenstein O,Langenkamp M,Lang O,Schirrmacher A.Shunts due to laser scribing of solar cells evaluated by highlysensitive lock-in thermography.Solar Energy Materials and Solar Cells2001;65:55–62.3.Breitenstein O,Langenkamp M,Rakotoniaina JP,Zettner J.The imaging of shunts in solar cells by infrared lock-inthermography.Proceedings of the17th European Photovoltaic Solar Energy Conference,Munich,2002;1499–1502.4.Breitenstein O,Langenkamp M.Lock-in Thermography—Basics and 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Copyright#2004John Wiley&Sons,Ltd.Prog.Photovolt:Res.Appl.2004;12:529–538。