光照恢復(fù)處理對采用不同封裝材料的p型PERC雙面光伏組件PID的影響

張文馨，孫亞斌，李宇巖

(陶氏化學(xué)(中國)投資有限公司，上海 200012)

0 引言

2005年，Swanson等[1]首次報(bào)道了美國SunPower公司生產(chǎn)的n型IBC光伏組件在戶外使用過程中出現(xiàn)顯著的輸出功率衰減是由高電勢引起的，之后行業(yè)內(nèi)和學(xué)術(shù)界對光伏組件的電勢誘導(dǎo)衰減(PID)現(xiàn)象給予了高度重視[2]。近年來，隨著p型PERC雙面光伏組件市場份額的逐步擴(kuò)大，越來越多的研究聚焦于該類光伏組件的PID機(jī)理方面[3-5]。研究者普遍認(rèn)為p型PERC雙面光伏組件在電勢誘導(dǎo)下會存在2種PID機(jī)理：

1)因光伏組件的正面發(fā)射極存在分流而引起的輸出功率衰減(即PID-s)。光伏用鈉鈣玻璃中的正離子(主要是Na+)作為雜質(zhì)粒子在電勢誘導(dǎo)下可以穿過封裝材料進(jìn)入p型太陽電池的正面發(fā)射極，造成其局部分流，從而引起PID-s[6]。

2)因光伏組件背面的減反射/鈍化層極化引起的輸出功率衰減(即PID-p)。PID-p最先被美國SunPower公司發(fā)現(xiàn)，其認(rèn)為，低電導(dǎo)率的減反射/鈍化層妨礙了漏電流的自由流動，從而導(dǎo)致電荷在減反射/鈍化層累積，然后會吸引少數(shù)載流子到達(dá)太陽電池表面，從而導(dǎo)致表面復(fù)合的增加，最終造成光伏組件輸出功率衰減[1-3,7]。新加坡太陽能研究所(SERIS) 的研究人員認(rèn)為，來自雙面雙玻光伏組件背面玻璃和太陽電池鈍化層的雜質(zhì)正離子，比如Na+，在電勢驅(qū)使下進(jìn)入AlOx/SiNx鈍化層后破壞了AlOx層的場鈍化效應(yīng)；而且隨著越來越多的正離子(比如Na+)在AlOx/SiNx鈍化層堆積，會造成太陽電池表面復(fù)合增加，從而進(jìn)一步促使光伏組件輸出功率衰減[4]。

p型PERC雙面光伏組件的PID機(jī)理如圖1所示。

圖1 p型PERC雙面光伏組件的PID機(jī)理[3]Fig. 1 PID mechanism of p-PERC bifacial PV module[3]

雖然光伏組件在實(shí)際使用過程中會同時受到光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓、工作溫度、環(huán)境濕度和光照的影響，但行業(yè)內(nèi)對晶體硅光伏組件的PID測試一般都是參考IEC TS 62804-1: 2015，即在高溫高濕環(huán)境箱中以在光伏組件兩端施加高電壓的方式進(jìn)行測試，并未考慮光照對PID的影響。而學(xué)術(shù)界一直都有關(guān)于光照對光伏組件PID影響的研究，比如：Hacke 等[7]發(fā)現(xiàn)紫外光(波長為315～400 nm，輻照度為5 W/m2)可以阻止或減緩PID-s和PID-p的進(jìn)程；Luo 等[8]則發(fā)現(xiàn)，2類晶體硅光伏組件的PID-p對光照的響應(yīng)大不相同。因此，忽視光照對PID的影響會導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用過程中對光伏組件的PID表現(xiàn)做出錯誤的預(yù)判和解讀。因此，IEC 61215: 2021系列標(biāo)準(zhǔn)中不僅合并了IEC TS 62804-1: 2015中的PID測試序列，還增加了對光伏組件進(jìn)行光照恢復(fù)處理的測試環(huán)節(jié)，即PID測試之后可選擇進(jìn)行光照恢復(fù)測試(環(huán)境箱溫度為 40℃，使用CCC級或以上級別的光源、輻照量為2 kWh/m2)。但針對PID測試，IEC 61215: 2021系列標(biāo)準(zhǔn)中的測試序列與文獻(xiàn)[7-8]中所用的PID測試與光照恢復(fù)處理同步進(jìn)行的測試方法不同。

由于工業(yè)界針對緩解PID-s的措施已較為成熟，比如：適當(dāng)提高SiNx層的折射率，增加SiO2層[1,9-10]。并且因?yàn)椴煌谝酝夥M件的全鋁背場，鋁柵線的背鈍化工藝使p型PERC雙面太陽電池的背面對PID更為敏感，因此，目前針對p型PERC雙面光伏組件PID的研究熱點(diǎn)大部分聚焦在其背面。基于此，本文采用IEC 61215: 2021系列標(biāo)準(zhǔn)中包含了光照恢復(fù)測試的測試序列，探討光照恢復(fù)處理對采用不同封裝材料的p型PERC雙面光伏組件背面PID的影響。

1 實(shí)驗(yàn)樣品的制備

本文使用由2個廠家生產(chǎn)的2種p型PERC雙面太陽電池，均為有代表性的常見的市售產(chǎn)品，分別記為太陽電池A和太陽電池B。作為光伏組件封裝材料的EVA膠膜和POE膠膜均來自有代表性的膠膜生產(chǎn)商，其中，EVA膠膜為采用光伏級別粒子原料和常見高透配方制備的市售產(chǎn)品；POE膠膜以陶氏化學(xué)(中國)投資有限公司生產(chǎn)的高體積電阻率的ENGAGETMPV POE為原料。

將上述太陽電池和膠膜按以下步驟進(jìn)行層壓：1)用去離子水清洗光伏超白玻璃(尺寸為10.16 cm×15.24 cm)并烘干；2)膠膜裁成適合玻璃大小的尺寸；3)按照前板玻璃、膠膜、太陽電池、膠膜、后板玻璃的次序疊在一起后放入P ENERGY L036型真空層壓機(jī)；4)在150 ℃下層壓20 min，包括4 min的抽真空/預(yù)熱和16 min的加熱層壓。層壓結(jié)束后得到2種采用不同封裝材料的p型PERC雙面光伏組件，用于后續(xù)的PID測試。每種光伏組件樣品制備3塊，測試后取3塊光伏組件數(shù)據(jù)的平均值。

2 體積電阻率測試的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

測試方法參考ASTM D257—2007，使用型號為Keithley 6517B的高阻儀搭配8009測試箱測試在不同測試溫度(25、60 ℃)下封裝材料的體積電阻率，8009測試箱可以放置在烘箱中；采用型號為ZC36的楊高高阻儀搭配型號為YG87-2的溫控箱測試85 ℃時封裝材料的體積電阻率。測試在1000 V外加電壓下進(jìn)行，體積電阻率測試設(shè)備給出的漏電流數(shù)據(jù)在加壓10 min后讀取。

封裝材料的體積電阻率ρ的計(jì)算式為：

封裝材料的式中：V為外加電壓，V；A為電極接觸面積，cm2；I為漏電流，A；t為封裝材料的厚度，即膠膜的厚度，cm。

2.2 測試結(jié)果分析

不同測試溫度(25、60、85 ℃)下EVA膠膜和POE膠膜的體積電阻率測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同測試溫度下POE膠膜和EVA膠膜的 體積電阻率測試結(jié)果Fig. 2 Volume resistivity test results of POE film and EVA film at different test temperatures

由圖2可知，隨著測試溫度的升高，EVA 膠膜的體積電阻率下降非常迅速，測試溫度為85 ℃時其體積電阻率已降至1013Ω·cm左右，而此溫度下POE膠膜的體積電阻率還保持在1015Ω·cm以上。這是因?yàn)镻OE膠膜的原料為ENGAGE? PV POE，使其體積電阻率比EVA膠膜的高出1～2個數(shù)量級。這2種膠膜的體積電阻率差異可反映采用二者作為封裝材料時光伏組件的抗PID性能存在的差異。

3 PID、光照恢復(fù)及電致發(fā)光(EL)測試的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

PID測試流程參考IEC 61215: 2021系列標(biāo)準(zhǔn)。待測光伏組件邊緣包裹鋁膠帶，并在85 ℃、85% RH環(huán)境箱中分別加負(fù)偏壓(-1500 V)96、192和288 h。

將PID測試后的p型PERC雙面光伏組件放入型號為SUN0606T的穩(wěn)態(tài)光源實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行光照恢復(fù)測試，光伏組件背面朝向光源。為了進(jìn)一步探究光源功率大小對光伏組件背面抗PID性能的影響，本實(shí)驗(yàn)使用了2種不同功率(300和1000 W)的光源進(jìn)行光照恢復(fù)處理，光照恢復(fù)處理時的總輻照量控制在2 kWh/m2。

由型號為Burger PS8的太陽模擬器分別記錄光伏組件初始狀態(tài)、PID測試后及光照恢復(fù)處理后的I-V特性；由型號為SOLAR AD-EQ22的高分辨率相機(jī)拍攝不同測試后光伏組件的EL圖像。

3.2 測試結(jié)果分析

將太陽電池A和太陽電池B分別由EVA膠膜和POE膠膜封裝后制成光伏組件，測試光伏組件初始狀態(tài)時的輸出功率，然后測試并計(jì)算得到PID測試96 h后及光照恢復(fù)處理后光伏組件的輸出功率衰減率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 PID測試96 h后和光照恢復(fù)處理后 光伏組件的輸出功率衰減率Fig. 3 Output power degradation of PV modules after 96 h PID test and after illumination recovery treatment

從圖3可以看出，在PID測試96 h后，所有由POE膠膜封裝的光伏組件的輸出功率衰減率均較低，相對而言，所有由EVA膠膜封裝的光伏組件的輸出功率衰減率均較高。這種因封裝材料不同而引起的光伏組件背面抗PID性能差異可以結(jié)合圖1的PID機(jī)理及圖4的分壓器模型來解釋[11]。圖中：Rp、Rg、分別為膠膜、玻璃、SiNx層的電阻；ρg、ρp、分別為玻璃、膠膜和SiNx層的體積電阻率；為SiNx層的電壓。

簡單來說，圖4的分壓器模型是把光伏組件漏電流的通道看成了3個歐姆電阻器串聯(lián)，這3個歐姆電阻器分別代表玻璃、膠膜和SiNx層。根據(jù)圖1的PID機(jī)理，是推動PID進(jìn)程的重要驅(qū)動力，而降低就可以有效降低光伏組件的PID風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 模擬光伏組件的分壓器模型 [11]Fig. 4 Voltage divider model for simulating PV modules [11]

分壓器模型的分壓計(jì)算公式可表示為：

式中：Vext為分壓器的總電壓。

由于體積電阻率與電阻呈正相關(guān)，因此，結(jié)合式(2)可知，提高ρp有助于提高Rp，從而有效降低。

盡管圖3中在PID測試96 h后由EVA膠膜封裝的光伏組件的輸出功率衰減明顯，但是經(jīng)過光照恢復(fù)處理后，光伏組件的輸出功率得到了恢復(fù)，并且光源功率為1000 W時的輸出功率恢復(fù)效果比光源功率為300 W時的更佳。這是因?yàn)楣夥M件被認(rèn)為可在光照和偏壓共同作用下恢復(fù)其輸出功率。也有關(guān)于光照和偏壓共同作用對PID-p影響的研究。美國Sunpower公司認(rèn)為，紫外光可以離子化SiNx層的電子，并有效導(dǎo)出在該層累積的電荷，從而降低SiNx層分壓[12]。Luo等[8]發(fā)現(xiàn)：對于p型PERC雙面太陽電池而言，較低的輻照量就可有效阻止PID-p；并且高能光子可以激發(fā)產(chǎn)生移動載流子，載流子可以中和減反射/鈍化層累積的電荷，從而有效降低PID-p。文獻(xiàn)[11]中提到的PID-p的光照恢復(fù)機(jī)理如圖5所示。

圖5 p型PERC雙面光伏組件的PID-p光照恢復(fù)機(jī)理 Fig. 5 PID-p recovery mechanism under illumination of p-PERC bifacial PV module

雖然PID測試96 h是IEC標(biāo)準(zhǔn)中推薦的測試時長，但為了進(jìn)一步驗(yàn)證和保障光伏組件的長期可靠性，工業(yè)界一般使用加嚴(yán)測試，即PID測試時的測試時長取192 h或288 h，更有甚者會取1000 h。本文對太陽電池A和太陽電池B分別與EVA膠膜和POE膠膜封裝后制成的光伏組件也進(jìn)行了192、288 h的PID測試，然后進(jìn)行了光照恢復(fù)處理。以光伏組件初始狀態(tài)時的輸出功率為基準(zhǔn)，分別測試并計(jì)算得到PID測試192、288 h后及不同光源功率下光照恢復(fù)處理后光伏組件的輸出功率衰減率，具體如圖6所示。

圖6 不同PID測試時長及不同光源功率下光照恢復(fù)處理后光伏組件的輸出功率衰減率Fig. 6 Output power degradation of PV modules after illumination recovery treatment under different PID test durations and different powers of light source

對比圖3和圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著PID測試時長的增加，采用POE膠膜的光伏組件的輸出功率衰減率變化不大(小于2%)，而采用EVA膠膜的光伏組件的輸出功率衰減率變化明顯。不同于圖3中的結(jié)果，圖6中PID測試192、288 h后，采用EVA膠膜的光伏組件背面在經(jīng)過光照恢復(fù)處理后，光伏組件的輸出功率恢復(fù)情況明顯變差，尤其是PID測試288 h后，即便經(jīng)過光照恢復(fù)處理，采用EVA膠膜的光伏組件的輸出功率衰減率也都超過了8%。另外還可以看出，采用同種膠膜、不同太陽電池制成的光伏組件的抗PID性能也稍有差別，這應(yīng)該是與太陽電池鈍化層的成分和工藝不同有關(guān)。

一些研究者通過分析圖5的PID-p光照恢復(fù)機(jī)理后認(rèn)為：p型PERC雙面光伏組件背面的PID現(xiàn)象完全可以由光照恢復(fù)處理來恢復(fù)。但從圖6中采用EVA膠膜的p型PERC雙面光伏組件背面在進(jìn)行光照恢復(fù)處理后光伏組件的輸出功率衰減率恢復(fù)情況來看，其背面除發(fā)生了PID-p之外，應(yīng)該還存在其他的PID機(jī)理。有些研究者報(bào)道過電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致的光伏組件輸出功率衰減(即PID-c)。此種衰減是由太陽電池鈍化層下面硅基體的電化學(xué)腐蝕引起的衰減。電化學(xué)腐蝕在很多場景下均被發(fā)現(xiàn)過，關(guān)于其成因，有些學(xué)者認(rèn)為是在光伏組件的生產(chǎn)和應(yīng)用過程中存在有害的或腐蝕性的副產(chǎn)物，特別是酸性物質(zhì)(比如EVA膠膜降解產(chǎn)生的醋酸，或背板里粘結(jié)層中的丙烯酸、馬來酸)等引起的腐蝕。這些腐蝕性化學(xué)成分可以與太陽電池上的金屬柵線和電極發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致光伏組件出現(xiàn)永久性的輸出功率衰減。而電勢誘導(dǎo)不僅可以在酸濃度非常低的條件下觸發(fā)電化學(xué)腐蝕，而且可以加速電化學(xué)腐蝕進(jìn)程[13-14]。也有學(xué)者認(rèn)為光伏組件中的陽離子雜質(zhì)可以在電勢下穿過封裝膠膜，在Si/AlOx間形成氧化層，從而導(dǎo)致太陽電池產(chǎn)生鈍化缺陷，引起不可逆的光伏組件輸出功率衰減[15]。

PID-p和PID-c也會對光伏組件的I-V特性產(chǎn)生影響。根據(jù)Luo等[4]的研究，PID-p 一般會導(dǎo)致光伏組件的短路電流Isc和開路電壓Voc降低，而填充因子FF只會受到很小的影響；研究結(jié)果還指出，對于大尺寸光伏組件，F(xiàn)F的降低通常是由同塊光伏組件上不同太陽電池的失配引起的。將太陽電池A和太陽電池B均采用EVA膠膜封裝制成2種光伏組件后，對這2種光伏組件在PID測試96、192 h后進(jìn)行光照恢復(fù)處理(光源功率為1000 W)，然后測試2種光伏組件的I-V曲線，具體如圖7所示。

圖7 不同PID測試時長及光照恢復(fù)處理后 2種光伏組件的I-V曲線Fig. 7 I-V curver of two kinds of PV modules after different PID test durations and illumination recovery treatment

從圖7中可以看出，相較于初始狀態(tài)，PID測試96 h后，所有采用EVA膠膜的光伏組件的Isc和Voc均有一定程度的下降，但是FF最高僅下降了0.62%，基本不受影響；而在光照恢復(fù)處理后，Isc和Voc均得到了恢復(fù)；PID測試96 h后的光伏組件再進(jìn)行光照恢復(fù)處理后的I-V曲線特性符合PID-p的特征。然而，當(dāng)PID測試時間延長到192 h后，F(xiàn)F最高降低了4.54%，下降明顯，而且在后續(xù)的光照恢復(fù)處理后也未完全恢復(fù)，從圖7b中可以明顯分辨出I-V曲線的可恢復(fù)和不可恢復(fù)部分。一般來說，F(xiàn)F的降低都與太陽電池上的金屬化部分，比如焊帶、柵線等的腐蝕有關(guān)[16]。PID測試192 h后FF出現(xiàn)了明顯下降，其降低意味著隨著PID測試時間的延長，PID-c逐漸開始在光伏組件輸出功率衰減中表現(xiàn)得越來越突出，且由PID-c引起的光伏組件輸出功率衰減是永久性且不可恢復(fù)的。

將太陽電池A分別采用EVA膠膜和POE膠膜封裝制成2種光伏組件，然后測試2種光伏組件在不同測試階段的EL圖像，測試結(jié)果如表1所示。

表1 2種光伏組件在不同測試階段的EL圖像Table 1 EL images of two kinds of PV modules at different test stages

從表1中可以看出，在PID測試192 h后，采用EVA膠膜的光伏組件的EL圖像不僅整體變暗，而且出現(xiàn)了腐蝕性的黑色色斑。在光照恢復(fù)處理后，由于PID-p得到了恢復(fù)，光伏組件的亮度得到了提高，但黑斑仍然存在，這也證實(shí)了腐蝕類缺陷造成的PID-c具有不可逆性。

4 結(jié)論

本文根據(jù)IEC 61215: 2021系列標(biāo)準(zhǔn)中的測試序列，對p型PERC雙面光伏組件進(jìn)行PID測試后，再對光伏組件背面進(jìn)行光照恢復(fù)處理，用于觀察采用POE膠膜和EVA膠膜作為封裝材料對光伏組件輸出功率衰減的影響。測試結(jié)果顯示：

1)使用高體積電阻率ENGAGETMPV POE為原料生產(chǎn)的POE膠膜作為光伏組件封裝材料時，在PID測試288 h后，光伏組件的PID仍然非常有限(小于2%)。

2) 采用EVA膠膜封裝的光伏組件在PID測試96 h后的I-V特性符合PID-p機(jī)理，但在經(jīng)過光照恢復(fù)處理后，其輸出功率衰減率得到了較大程度的恢復(fù)。當(dāng)PID測試時間進(jìn)一步延長至192、288 h后，采用EVA膠膜封裝的光伏組件的輸出功率持續(xù)衰減，直至超過10%，其I-V曲線不再單純呈現(xiàn)PID-p特征，F(xiàn)F出現(xiàn)明顯下降；而且在后續(xù)的光照恢復(fù)處理后，其輸出功率衰減率只得到較小程度的恢復(fù)；此外，這類光伏組件的EL圖像中出現(xiàn)了腐蝕性黑斑，印證了PID-c機(jī)理的存在。采用EVA膠膜封裝的光伏組件在PID測試過程中，隨著測試時間的延長，PID-c會越來越嚴(yán)重，而PID-c引起的輸出功率衰減是永久性的，不能依靠光照恢復(fù)處理來恢復(fù)。

本研究證明了雖然IEC 61215: 2021系列標(biāo)準(zhǔn)中的PID測試序列增加了光照恢復(fù)處理的步驟，但仍不能改變EVA材料的特性，采用EVA膠膜封裝的光伏組件仍然會出現(xiàn)嚴(yán)重的因電化學(xué)腐蝕引起的永久性輸出功率衰減。