前言

電池轉(zhuǎn)換效率是決定組件乃至光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的關(guān)鍵因素。當(dāng)前，p型PERC電池量產(chǎn)效率已經(jīng)接近技術(shù)瓶頸，逼近理論效率極限，而各類(lèi)n型電池的量產(chǎn)效率普遍有較大提升空間，特別是TOPCon電池得到了眾多設(shè)備企業(yè)、電池組件企業(yè)和電站投資企業(yè)的青睞。

光伏組件在戶(hù)外運(yùn)行時(shí)，不可避免地受到光照、溫度、濕氣等因素的影響，較容易地受到一些失效機(jī)制的影響，例如光致衰減、材料腐蝕和電勢(shì)誘導(dǎo)衰減（PID）等。近年來(lái)，報(bào)道的PID效應(yīng)變得愈發(fā)明顯，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致光伏組件在戶(hù)外運(yùn)行中出現(xiàn)大面積的漏電和功率衰減現(xiàn)象。

PID效應(yīng)（Potential Induced Degradation）又稱(chēng)電勢(shì)誘導(dǎo)衰減，是電池組件的封裝材料和其上表面及下表面的材料，電池片與其接地金屬邊框之間的高電壓作用下出現(xiàn)離子遷移，而造成組件性能衰減的現(xiàn)象，主要包含PID-s（分流型）、PID-p（極化型）和PID-c（腐蝕型）效應(yīng)。

n型電池的電場(chǎng)相對(duì)p型電池更高，電荷集中對(duì)PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的影響更加明顯。n型電池載流子表面負(fù)荷主要集中于電池正面界面，與p型電池PN結(jié)方向相反，故PID衰減模式主要集中于電池正面，而電池正面是組件功率輸出的主力，導(dǎo)致TOPCon電池的PID效應(yīng)相比PERC電池更加明顯。

一旦在組件端出現(xiàn)PID效應(yīng)，將會(huì)造成嚴(yán)重的原材料和工序浪費(fèi)。極大的影響效率與生產(chǎn)節(jié)奏。因此本著降本增效的目的，Freiberg instruments與Fraunhofer csp研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)出一款能在電池片端檢測(cè)PID效應(yīng)的PIDcon Bifacial儀器。能同時(shí)輸出PID-s（分流型）、PID-p（極化型）和PID-c（腐蝕型）效應(yīng)對(duì)應(yīng)的敏感參數(shù)。

通過(guò)將電池片、封裝材料和玻璃在140°C下保溫，進(jìn)行層壓預(yù)處理，模擬電池片在組件端的實(shí)際使用環(huán)境。施加高壓和高溫，較大限度底測(cè)試電池片相對(duì)于組件端的真實(shí)數(shù)據(jù)，以達(dá)到良好的一致性。其測(cè)試示意圖如圖1所示。

圖1. PIDcon Bifacial儀器的測(cè)試示意圖

解決方案

PID-s發(fā)生的原因是：

Na+在高壓下飄逸穿越鈍化層填充于Si的堆垛層錯(cuò)中，穿透并短路PN節(jié)，這導(dǎo)致并聯(lián)電阻擊穿，造成嚴(yán)重的功率損耗。因此Freiberg instruments提供的PIDcon Bifacial儀器通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電池片電導(dǎo)率的增量，來(lái)描述電池片對(duì)PID-s的敏感程度。其測(cè)試結(jié)果如圖2所示，超出綠色的區(qū)域的數(shù)據(jù)表明電池片發(fā)生明顯的PID-s現(xiàn)象，而測(cè)試時(shí)時(shí)間內(nèi)并未超出綠色的區(qū)域數(shù)據(jù)表明，此電池片對(duì)PID-s不敏感。

圖2. 太陽(yáng)能電池片PID-s測(cè)試過(guò)程參數(shù)變化(實(shí)時(shí)監(jiān)控)

而太陽(yáng)能電池片發(fā)生PID-p時(shí)，

宏觀(guān)電學(xué)性能上主要表現(xiàn)為短路電流和開(kāi)路電壓的衰減。同時(shí)據(jù)多篇文獻(xiàn)報(bào)道，由于PID-p是離子聚集在鈍化層中破壞了場(chǎng)效應(yīng)，衰減速度極快，需要實(shí)時(shí)記錄測(cè)試過(guò)中的IV曲線(xiàn)才能明確其衰減過(guò)程。

圖3為PIDcon Bifacial儀器在測(cè)試過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控的IV曲線(xiàn)，IV曲線(xiàn)表明，隨著衰減過(guò)程的進(jìn)行，開(kāi)路電壓和短路電流不斷降低，于30min內(nèi)達(dá)到衰減極限。同時(shí)通過(guò)反轉(zhuǎn)極性來(lái)達(dá)到使其鈍化層恢復(fù)的目的。

圖3. 太陽(yáng)能電池片PID-p衰減與恢復(fù)過(guò)程(實(shí)時(shí)監(jiān)控)

對(duì)于PID-c，

由于介電層、 透明導(dǎo)電氧化物薄膜或金屬接觸的電化學(xué)反應(yīng)而造成的腐蝕效應(yīng)。這是一種物理層面的破壞作用，屬于太陽(yáng)能電池片中不可逆的PID效應(yīng)。因此，由于PID-c引起的開(kāi)路電壓、短路電流和功率降低是無(wú)法被回復(fù)的。當(dāng)發(fā)生PID-c效應(yīng)時(shí)PIDcon Bifacial儀器記錄的IV曲線(xiàn)在反轉(zhuǎn)電壓極性后，無(wú)法回復(fù)到初始狀態(tài)，如圖4所示。

圖4. 太陽(yáng)能電池片PID-c測(cè)試過(guò)程參數(shù)變化(實(shí)時(shí)監(jiān)控)

綜上所述，F(xiàn)reiberg公司的PIDcon Bifacial儀器能在電池片端檢測(cè)其PID效應(yīng)，辨別出存在PID隱患的電池片，阻止其流入下游生產(chǎn)端，提高產(chǎn)品良率。也為下游生產(chǎn)端減輕了PID測(cè)試負(fù)擔(dān)，可以同時(shí)達(dá)到控制成本和提高效率的目的。

參考文獻(xiàn)：

1. Devoto I, Halm A. Comprehensive study of PID mechanisms for n-type bifacial solar cells[C]//Proceedings of the 36th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (EU PVSEC 2019), Marseille, France. 2019: 9-13.

2. Hara K, Jonai S, Masuda A. Potential-induced degradation in photovoltaic modules based on n-type single crystalline Si solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2015, 140: 361-365.

3. Luo W, Khoo Y S, Hacke P, et al. Potential-induced degradation in photovoltaic modules: a critical review[J]. Energy & environmental science, 2017, 10(1): 43-68.

4. Sporleder K, Turek M, Schüler N, et al. Quick test for reversible and irreversible PID of bifacial PERC solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2021, 219: 110755.