太陽能電池的電勢誘導衰減研究進展

徐曉華,楊金利,周春蘭,周 肅,王文靜

(1.中國科學院電工研究所,中國科學院太陽能熱利用及光伏系統重點實驗室,北京 100190;2.中國科學院大學,北京 100049;3.安徽華晟新能源科技有限公司,宣城 242000)

0 引 言

光伏發電是人們最普遍的利用太陽能的方法,也是近年來發展最快、最引人注目的太陽能應用方向。太陽能電池作為能量轉換裝置直接將太陽能轉化為電能。經過幾十年的發展,太陽能電池實現了商業化生產。對于這種商業化應用的太陽能電池可分為兩大類,即晶體硅太陽能電池和薄膜太陽能電池。

光伏發電技術最有價值的特征之一是高的穩定性,運行壽命可達25～30年。在光伏產業快速發展的同時,光伏組件的可靠性也吸引了學術界和產業界的高度關注。光伏組件在戶外運行時,不可避免地受到光照、溫度、濕氣、沙塵等因素的影響。盡管研究人員長期以來一直認為光伏組件在戶外條件下運行是非常可靠的,其衰減率和故障率也低,但它們仍然容易受到一些失效機制的影響,比如光致衰減、濕熱衰減、材料腐蝕、分層等,并且這些機制還會隨著時間延長共同降低組件的輸出功率[1-3]。在上述問題中,電勢誘導衰減(potential-inducted degradation, PID)在近年來變得越來越明顯,嚴重時會導致光伏組件在戶外運行中出現大面積的漏電和功率衰減現象[4-6]。這種由PID所導致的功率衰減的案例,在國內外均有發生[7]。比如,在2010年9月,意大利的Camania電站在安裝光伏組件后不久,部分組件的輸出功率開始出現衰減,初期功率衰減20%左右,但隨著這批光伏組件的繼續使用,其功率衰減最高達到了70%。在2011年10月,江蘇省鹽城市射陽光伏電站也出現了功率衰減現象,部分組件功率衰減達到49%～91%,給光伏電站帶來了巨大的經濟損失。另外,在2014年到2017年期間全國各地的一些分布式光伏屋頂、湖面電站也出現過大面積的功率衰減現象。

由于早期對該現象的重視程度不夠,業內也一直沒有相應的測試標準,在對光伏組件可靠性預測中沒有能夠及時發現PID現象的存在和發展相對應的解決方案,從而使該問題長期存在。因此,太陽能電池的PID現象所導致的功率衰減問題及背后的機理成因需要引起足夠的重視。

1 PID現象的產生及主要特征

太陽能電池的PID現象通常是指太陽能電池組件在被施以較高電壓后,其組件輸出功率會較快衰減[8]。在實際運行中,為了保證太陽能電池組件滿足對負載供電的要求,往往需要把單個組件通過串聯、并聯的方式組裝成太陽能電池陣列。然而,在這種具有高電壓的太陽能電池陣列中,單塊光伏組件與地面之間容易產生較高的電勢差。在電勢差、溫度和濕度等因素的影響下,這種PID現象會導致太陽能電池組件的輸出功率降低,從而影響整個太陽能發電系統的性能[9]。1989年,太陽能電池的PID現象就已被Ross等[10]初次提及過,他們認為電壓和電流會影響非晶硅(a-Si)和碲化鎘(CdTe)薄膜組件的可靠性,但當時并未形成PID體系。而在2005年,Swanson等[11]利用SunPower公司的采用SiO2鈍化n型硅片的指交叉背接觸(interdigitated back contact, IBC)太陽能電池,首次在太陽能電池組件中發現了PID現象并開展了相關研究。

PID現象具有兩個比較突出的特征[12]:1)迅速性,一旦PID發生,短短數月就會使得組件性能發生非常大的削減,這是最重要的一個特征,所以需要重視起來;2)PID現象與太陽能電池材料、太陽能電池結構及產生PID的條件具有密切聯系[2,13]。

2 太陽能電池中的PID現象成因

對于不同結構的太陽能電池,其內部的PID機制是不一樣的。甚至對于同一類型的太陽能電池,當受到的環境應力條件不一致時,也可能出現不同的PID機制。常見的PID機制包括漏電型PID(shunting-type PID, PID-s)[14]、極化型PID(polarization-type PID, PID-p)[15-16],以及腐蝕型PID(corrosion-type PID, PID-c)[17]。其中,PID-s與負偏壓下太陽能電池內部的鈉離子(Na+)漂移所誘導的pn結漏電現象有關。而PID-p則與太陽能電池的表面鈍化特性衰減有關,在PID現象中是最快的,無論是在正偏壓還是負偏壓條件下均可發生。在同樣的條件下,PID-p比PID-s更明顯。另外PID-c主要是由介電層、透明導電氧化物(transparent conductive oxide, TCO)薄膜或金屬接觸的電化學反應而造成的腐蝕效應。

2.1 晶體硅太陽能電池

依據晶體硅襯底摻雜類型,晶體硅太陽能電池可分為P型晶體硅太陽能電池和N型晶體硅太陽能電池。這兩類太陽能電池發生PID時,其衰減機制是不同的。

在P型晶體硅太陽能電池組件中,PID-s是比較常見的PID機制。大量研究已經表明,P型晶體硅太陽能電池組件中并聯電阻(Rsh)的降低[18-19]、雙二極管模型中暗飽和電流密度(J02)的增加與PID-s密切相關[20]。Hacke等[21]從PID現象背后的微觀機理出發,認為Na+是導致P型晶體硅太陽能電池PID-s的重要原因。另外,在光伏組件中,關于Na+的起源是比較明確的,Na+主要來源于鈉鈣玻璃蓋板。據文獻報道,PID-s也會受到環境因素的影響。Hoffmann等[22]觀察到PID過程中,由Na+引發的漏電電流取決于溫度和濕度,并且衰減速率還會隨著溫度和濕度的增加而增大。Suzuki等[23]研究在高的偏置電壓下,鹽霧噴霧對晶體硅太陽能組件的電性能的影響規律,結果表明鹽霧噴霧會加速晶體硅太陽能組件的PID現象。

在PID-s的機理研究方面,前人采用飛行時間二次離子質譜(ToF-SIMS)、電子束感應電流(EBIC)測試及暗鎖相熱像法(DLIT)等表征手段來建立PID-s與Na+之間的聯系。如圖1所示,EBIC測試結果揭示太陽能電池發生PID時,局域發生漏電現象。同時,對發生PID的區域進行ToF-SIMS測試,發現在P型單晶硅太陽能電池發生PID的氮化硅/晶體硅(SiNx/c-Si)界面存在Na+的累積現象。為了解釋P型單晶硅太陽能電池中出現PID-s的根本原因,多種理論模型已經被提出。2012年,Bauer等[24]提出了解釋PID-s現象的第一個理論模型——反型層模型。根據他們提出的模型,帶正電的Na+在減反射層中積累,會吸引n+發射極中的電子,從而在減反射層中形成指向n+發射極的電場。在這種電場的作用下,會將局部的電子驅離,導致n+發射極出現局部的反型層,從n+變成p+,從而導致局部漏電的發生。但是這個模型卻有一定的局限性,他們計算出反型層中的負電荷密度達到-1×1015cm3,這在現實情況下可能并不會發生。且在他們所提出的PID模型中,對負電荷性質的解釋也并不清晰。隨后,Naumann等[25]通過對這種Na+導致的PID-s進行了更加詳細的機理分析,提出了新的機理解釋。在2013年,他們首次報道了晶體硅太陽電池中的堆垛層錯與PID-s之間存在相互作用。同年,他們的另一個研究成果進一步揭示了由PID-s導致的堆垛層錯在晶體硅太陽能電池中會被Na+所修飾,并簡要介紹了相關的理論模型[26]。在2014年,Naumann等[27]深度揭秘了PID-s的產生機理。他們使用掃描透射電子顯微鏡(STEM)和能量色散X射線光譜(EDX)研究了PID-s,并觀察到晶體硅中的堆垛層錯被Na+所污染,如圖2所示。可以看到,在PID-s過程中,堆垛層錯從SiNx/c-Si界面通過pn結延伸到硅基體中。

圖1 單晶硅太陽能電池發生PID時,高漏電區域的EBIC圖像(30 kV加速電壓)[27],斑點代表局域PID-s發生的區域,內嵌圖為發生PID現象處Na+的ToF-SIMS強度分布Fig.1 EBIC image (30 kV accelerating voltage) of a monocrystalline silicon solar cell under PID, showing the high-leakage regions[27], each spot represents a region where localized PID-s has occurred, the inset shows the distribution of Na+ at the site of PID by ToF-SIMS

圖2 晶體硅太陽能電池中的堆垛層錯圖[27]。(a)亮場下的TEM照片,代表單個PID-s的堆垛層錯,插圖代表c-Si中堆垛層錯下部Na元素的EDX圖像;(b)～(d)STEM模式下SiNx/c-Si界面處Na、O、N元素的EDX圖像Fig.2 A stacking fault within crystalline silicon solar cells[27]. (a) A bright-field TEM image of a stacking fault representing a single PID-s, where the inset on the left is the Na-EDX map of the lower part of the stacking fault; (b)～(d) EDX mappings acquired in the STEM mode at the same stacking fault near the interface between c-Si and SiNx

圖3代表PID-s過程中Na+遷移的示意圖。當晶體硅太陽能電池發生PID現象時,玻璃中或其他外來雜質中的Na+會在組件邊框與太陽能電池之間的強大電場的輔助下,進入SiNx表面鈍化層,而SiNx層中的強電場使Na+向SiNx/c-Si界面漂移,并在超薄的SiOx界面層中積累,并且此處積累的Na+會進入堆垛層錯中。一旦Na+從SiOx界面層(天然氧化層)進入堆垛層錯中,它們將被n+發射極中的自由電子中和,從而允許更多的Na+進入。

圖3 太陽電池的剖面圖示意圖,實心圓點代表Na+通過SiNx層,隨后擴散進入堆垛層錯[27]Fig.3 Schematic drawing of a solar cell cross section and transport of Na+(solid dots) through the SiNx layer and subsequent diffusion into the stacking faults[27]

圖4為進一步提出的PID-s的機理。當Na進入堆垛層錯中,會被束縛在堆垛層錯中并對其產生修飾作用,從而形成Na修飾的堆垛層錯。而這種Na修飾的堆垛層錯也導致了晶體硅的禁帶中產生相對應的缺陷能級。這種缺陷的電學行為與缺陷的濃度有關。在PID-s缺陷中,如果在禁帶中存在高濃度的局域缺陷能級,相鄰缺陷能級軌道將會重合,可以進行跳躍傳導,正如圖4中的“process 1”所示。這個過程不需要熱激發,因此導致在pn結之間形成了歐姆傳導。相反,從圖4中的“process 2”可以看到,當缺陷濃度較低時,這些缺陷能級會在耗盡區成為缺陷復合中心,引發載流子的復合,最終導致太陽能電池的J02和二極管理想因子(n2)增加。該過程需要熱激發,所以導致了這個過程中電流-電壓(I-V)特性是非線性的。

圖4 Na+修飾的堆垛層錯的能帶結構圖[27]。雜質濃度較高時,PID-s缺陷處的電流方向為“過程1”(process 1),而在相對較低的雜質濃度時,電流方向為“過程2”(process 2)Fig.4 Proposed band structure along a decorated stacking fault[27]. The current flow across a PID-s defect is shown at high level concentration (process 1) and at relatively low local level concentration (process 2)

N型太陽能電池包括鈍化發射極背表面全擴散(passivated emitter and rear totally-diffused, PERT)太陽能電池、鈍化發射極背部局域擴散(passivated emitter and rear locally-diffused, PERL)太陽能電池、隧穿氧化物鈍化接觸(tunnel oxide passivating contacts, TOPCon)太陽能電池、叉指狀全背接觸(interdigitated back contact, IBC)太陽能電池,以及晶體硅異質結(heterojunction with intrinsic thin layer, HJT)太陽能電池等。當這些N型晶體硅太陽能電池發生PID現象時,PID-p是主要的PID機制。PID-p現象第一次是在2005年Sunpower的N型IBC電池組件中觀察到,而后研究者們陸續開展了相關研究。PID-p在PERT、PERL、TOPCon、IBC太陽能電池均有發生。

PID-p完全不同于其他類型的PID機制。1)發生PID-p現象時,太陽能電池的電學性能上主要表現為短路電流密度(Jsc)和開路電壓(Voc)的衰減[28]。比如,在N型PERT太陽能電池中,在PID后,PID-p使PERT太陽能電池的Jsc和Voc降低,但填充因子(FF)幾乎沒有衰減,這一點非常不同于在P型太陽能電池組件中觀察到的PID-s型衰減。2)PID-p的衰減速率極快,并不像PID-s和PID-c都需要更長的時間(從幾小時到幾十天)才能使太陽能電池輸出功率衰減。對于N型晶體硅太陽能電池來說,在85 ℃和1 000 V的負偏壓下可迅速衰減,衰減時間以秒計。甚至在低溫、低偏置電壓下也會出現PID-p衰減,對于小容量的光伏系統這種衰減也將成為巨大的隱患[13],這也說明PID-p在所有光伏系統中存在的普遍性。3)PID-p可以在任何極性的偏置電壓下發生,這取決于硅襯底前表面重摻雜層的極性。例如,對于前表面n+重摻雜層的N型IBC太陽能電池,其PID-p在正極性偏置電壓下發生。相反,在前表面為p+重摻雜層的N型IBC太陽能電池,PID-p則在負極性的偏置電壓下發生[29]。

關于PID-p的產生機理,目前大多數觀點認為PID-p是太陽能電池減反射層和鈍化層中電荷積累導致極化效應破壞了晶體硅表面鈍化。Swanson等[10]認為在N型IBC太陽能電池中施加正向偏置電壓,組件邊框和太陽能電池之間流動的漏電流所產生的負電荷會積累在SiNx層,導致太陽能電池前表面的n層少數載流子(空穴)增加,促進了載流子在SiNx/c-Si界面處的復合。Bae等[29]發現加入一個負偏壓后,SiNx/SiO2界面的正電荷密度增加,從實驗上證實了界面荷電積累的假設。后來,Hara等[28]通過外量子效率(external quantum efficiency, EQE)測試觀察到了短波段的EQE在PID之后出現下降的現象,認為這是c-Si的前表面載流子復合增強所致。

然而,在HJT太陽能電池中發生的PID現象卻不同于其他N型晶體硅太陽能電池。其PID現象背后的主要機制是PID-c,這種機制與Na相關,涉及TCO薄膜層的腐蝕[30]。Yamaguchi等[31]在對HJT太陽能電池進行PID時,觀察到在負偏置電壓下其Jsc發生衰減,其中TCO薄膜層為摻鎢氧化銦(tungsten doped indium oxide, IWO)。通過對比光照I-V和暗I-V曲線發現HJT太陽能電池在負偏壓處理期間,暗I-V曲線并沒有發生改變,這證實了Jsc的衰減與HJT太陽能電池內部載流子復合引起的損失無關,而是和光學損失增加有關。隨后,結合X射線吸收精細結構(XAFS)光譜分析PID前后IWO薄膜中銦(In)和鎢(W)的含量,結果表明PID后,In2O3被還原成了金屬In,而W原子的化學狀態幾乎保持不變,這表明HJT太陽能電池中的TCO層發生了化學上的改變。為了確認PID過程中,Na+是否會進入電池內部,進一步采用二次離子質譜(SIMS)測試了電池中的Na+含量分布,結果表明Na+并未通過TCO進入電池內部。因此,Jsc的衰減主要與TCO層中被還原的In有關。

2.2 薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池也是光伏發電技術中的一個重要補充,比較常見的有碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CIGS)、非晶硅(a-Si)及鈣鈦礦(PSCs)等太陽能電池。據有關文獻報道,當薄膜太陽能電池接入光伏系統時,在電池與地面之間較高的負偏壓影響下,薄膜太陽能電池也會出現PID現象,導致功率衰減[31-34]。

CdTe薄膜太陽能電池在目前市場中的份額僅次于晶體硅太陽能電池,其具有溫度系數低、弱光性能好等優勢[35]。當CdTe太陽能電池在光伏系統中發生PID時,電池內部主要的PID機制包括Na+導致的漏電行為、TCO腐蝕行為。Olsson等[36]對CdTe組件進行了研究,他們發現在負偏壓下運行的CdTe組件會出現功率衰減現象。同時,他們也觀察到激光劃線的死區為Na+的輸運提供了通道,Na+進入硫化鎘(CdS)與CdTe界面或CdTe層,造成電池的并聯電阻降低,導致漏電發生,其衰減程度會隨著溫度、偏置電壓的升高而加劇。同時CdTe太陽能電池PID的嚴重程度也與其沉積條件、組件劃線工藝相關。Hacke等[37]通過原位暗I-V(DIV)測試方法研究CdTe組件的PID現象,從DIV曲線識別到CdTe組件中存在Na+導致的漏電、TCO腐蝕等PID機制引起組件功率衰減。另外,PID與濕度、溫度及組件接地方式相關,他們在25 ℃的濕氣環境中觀察到了漏電現象,但隨著溫度升高,這種漏電導致的衰減會逐漸恢復。Liu等[38]采用透射電子顯微鏡(TEM)從微觀層面來研究不同PID衰減程度的CdTe太陽能電池組件。在衰減程度最大的CdTe太陽能電池中,Na+主要積累在CdS層及CdS/CdTe界面,離子濃度高達18%,這可能是導致CdTe太陽能電池衰減的原因。另外,他們也觀察到組件在PID后出現分層現象之處也存在高濃度的Na+,認為這可能是導致TCO和玻璃襯底分層的原因,也為TCO腐蝕的機理解釋提供了有力支撐。

CIGS太陽能電池是一種高轉換效率的薄膜太陽能電池,當前最高效率已達23.35%,具有較好的發展前景[39]。在這類薄膜太陽能電池中,PID現象的發生似乎與Na+作用導致的漏電更加相關。Fj?llstr?m等[40]對比了具有不同Na含量玻璃襯底的CIGS太陽能電池的PID行為,發現Na含量較高襯底對應的CIGS太陽能電池的PID現象極其嚴重,并且Voc和FF的衰減很大。同時,他們觀察到CIGS太陽能電池的CdS層和CIGS上層區域具有較高的Na濃度,指出CIGS光伏組件遭受PID的Na很可能來源于玻璃襯底,推測Na的介入導致了薄膜太陽能電池的輸出功率衰減,甚至對pn結也造成了影響。Muzzillo等[41]采用SIMS測試薄膜太陽能電池在PID前后pn結界面處Na含量,發現PID后的Na含量出現升高的現象。他們認為過量的Na會引起薄膜太陽能電池漏電和載流子復合。為此,Yamaguchi等[42]進一步觀察到PID后,CIGS太陽能電池的二極管理想因子(n)從1.4增加到9,且Voc和FF的衰減較大,反而Jsc、Rsh和串聯電阻(Rs)幾乎沒有變化。他們認為薄膜太陽能電池中載流子復合的增加可能是Na誘導產生的缺陷捕獲自由載流子,導致薄膜太陽能電池內部的缺陷復合加重。

當a-Si薄膜太陽能電池發生PID現象時,其主要的衰減機制可能是PID-c。如圖5所示,a-Si薄膜太陽能電池組件在600 V負偏壓、“雙八五”條件下暴露200 h后,組件開始出現分層現象(圖中條形狀區域為發生PID-c現象的區域)[43]。這種分層現象伴隨著PID現象而出現,與PID具有密切聯系。Masuda等[44]認為薄膜硅太陽能電池出現PID現象的根本原因并不是Na+遷移引起的漏電,而是與組件中出現的線性或點狀的分層有關。他們在對a-Si薄膜太陽能電池組件進行PID處理310 h后,從電性能參數上并沒有觀察到并聯電阻的下降,推測這種PID現象不同于PID-s。并通過對光伏組件的外觀進行觀察,發現了線性和點狀的分層現象。他們認為線性形狀的分層可能發生在玻璃襯底/TCO之間的界面,而點狀形狀的分層可能發生在TCO/a-Si之間的界面,而從玻璃襯底中遷移來的Na+可能在玻璃襯底/TCO或TCO/a-Si之間的界面處發生化學反應,導致這種分層現象的出現。

圖5 a-Si薄膜太陽能電池組件發生PID后的分層現象[43]Fig.5 Delamination of a-Si thin-film solar cell module after PID[43]

Carlson等[45]發現薄膜太陽能電池組件在戶外高溫高濕氣候下運行時,玻璃襯底與TCO界面的Na集聚及濕氣從組件邊緣進入內部,會與Na+共同作用導致薄膜太陽能電池中的TCO材料發生化學腐蝕并出現分層現象,而且這個過程不可逆。也就是說,薄膜太陽能電池發生PID-c現象時,對其性能的影響是無法逆轉的,不像PID-c、PID-p這兩種PID機制那樣可以修復。詳細的機理解釋如下所示:

在PID-c中,TCO層腐蝕機理主要分為以下三個步驟[46]:

1)Na+還原反應

Na++e-1?Na

(1)

2)形成具有還原性的H原子

H2O+Na→ΝaOH+H

(2)

3)與TCO薄膜發生氧化還原反應

4H+SnO2→Sn+H2O

(3)

當上述化學反應發生后,TCO被破壞。在這個反應產物中,Na不僅是電化學反應中的反應物,而且Na的積累也增加了界面處的機械應力。一旦這種機械應力達到一定值后,TCO薄膜開始出現裂紋,最終表現出分層現象。

至今為止,對薄膜太陽能電池PID現象的研究主要集中在CIGS、CdTe及a-Si薄膜太陽能電池中。對于鈣鈦礦太陽能電池的研究則比較少。鈣鈦礦太陽能電池是近年來的研究熱點,盡管當前還處于實驗室研究階段,但未來商業化批量生產后,其PID穩定性也將會很重要。

在鈣鈦礦太陽能電池中,離子遷移和電荷積累是電池內部存在的現象,這也導致了電池內部遲滯效應的存在[47]。當鈣鈦礦太陽能電池在光伏系統中運行時,同樣會面臨較高的偏壓問題,而這種離子遷移和電荷積累將有可能導致鈣鈦礦太陽能電池的PID現象,從而降低其輸出功率。2019年,Carolus等[48]首次報道鈣鈦礦太陽能電池也會受到PID現象的影響。他們在溫度為60 ℃、濕度為60%及1 000 V負偏置電壓條件下觀察到鈣鈦礦太陽能電池達到了95%的效率衰減,且這種衰減主要與Jsc的減少有關。這種巨大的PID現象導致的效率衰減問題會對鈣鈦礦太陽能電池的商業化發展造成阻礙,迫切需要解決。在同樣的條件下,Purohit等[49]嘗試新的鈣鈦礦太陽能電池,在PID后觀察到鈣鈦礦太陽能電池的效率衰減達到32%～72%。通過對電池外觀和光致發光(photoluminescence, PL)測試表征結果的分析,他們把這種衰減歸因于鈣鈦礦材料在這個條件下發生的分解和相分離。這個結果與Carolus等的結果對比,可以從側面反映出如果對鈣鈦礦太陽能電池的結構進行優化,并且找到抑制鈣鈦礦材料的分解和相分離的方法,PID現象有望得到解決。

2.3 鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池

鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池是通過將鈣鈦礦太陽能電池與晶體硅太陽能電池進行疊加而成的。鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池具備高效和低成本的優點,在未來光伏市場中極具競爭力。

如前文所述,PID現象是太陽能電池穩定性評估的一個重要方面,對于鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池也不例外。然而,到目前為止,在鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池領域的PID研究工作卻很少,相關的文獻報道也微乎其微。

2022年,沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的De Wolf團隊評估了鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池的PID穩定性。他們發現,在溫度為60 ℃、偏置電壓為-1 000 V的條件下運行約24 h后,太陽能電池的效率衰減近乎50%。他們通過SIMS測試,在頂電池中發現了Na+,但結合透射電子顯微鏡中的EDX和電子能量損失譜(EELS)并沒有發現Na+在鈣鈦礦層和晶體硅底電池中的聚集。該鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池的結構中采用碳-60(C60)作為電子傳輸層,他們推測Na+有可能是在電子傳輸層中聚集,因此這種衰減更有可能和鈣鈦礦頂電池相關[50]。隨著鈣鈦礦/晶體硅太陽能電池光電轉換效率和產業化發展,其PID機制和抑制方法的研究也將是一個重要的論題。

3 PID現象的預防措施

為了防止太陽能電池組件出現PID現象,可以從太陽能電池、組件及系統自身三個方面著手:

1)已有研究表明,通過調整太陽能電池的工藝條件可以改善太陽能電池的PID現象。比如,在P型單晶硅PERC太陽能電池中,通過降低發射極方阻預防PID現象,因為較高的發射極表面電阻及表面電阻的不均勻性都容易造成PID現象。另外,還有調整SiNx減反層的性質來增加太陽能電池的抗PID能力,比如,在沉積過程中調整硅烷(SiH4)和氨氣(NH3)的氣體比例來改變薄膜中的Si/N比例。隨著Si/N比例的增加,SiNx薄膜的折射率和電導率在增加,并且減少了正電荷在SiNx薄膜中的積累,從而降低了晶體硅太陽能電池對PID現象的敏感性。Gou等[51]研究了SiNx減反膜的折射率對太陽能電池PID現象的影響規律,結果表明,增加SiNx減反膜的折射率可以增加太陽能電池抗PID的能力。當SiNx減反膜的折射率從2.0變化到2.2時,太陽能電池的功率衰減從29.27%減少到2.83%,可以看到SiNx減反膜的折射率為2.2時可以有效地減少PID現象。此外,在SiNx層下面插入一層SiOx也是另一種預防PID現象的方法[52-53]。Oh等[54]對PERC太陽能電池的結構進行改進,嘗試在SiNx和pn結之間插入一層較薄SiOx層來減緩PID現象。他們的實驗結果表明,在經過96 h的PID處理后,未插入SiOx薄層的太陽能電池的光電轉換效率(Eff)衰減最大,達到了4.44%,而經過改進后的PERC太陽能電池的Eff僅衰減0.04%,大幅減少了PERC太陽能電池對PID的敏感性。

2)從組件層面來看,可以考慮加入高電阻率的材料來增加漏電流流通的阻力,從而減緩PID造成的不利影響[55]。比如,提高光伏封裝膠膜乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)的體積電阻率及降低離子遷移率。在PID的產生機理中,濕度的增大也對PID有加劇的作用。因此,在太陽能電池制作成組件時,對于光伏封裝膠膜、背板及密封硅膠的選擇應當考慮其阻水性能,盡量降低水汽滲透進太陽能電池中。比如在N型晶體硅太陽能電池組件中,采用高阻、阻水性強的聚烯烴彈性體(POE)或者多層復合光伏封裝膠膜EVA/POE/EVA代替EVA。Luo等[56]采用阻水性比較好的POE來替代EVA作為光伏組件的封裝膠膜,在經過PID處理后,采用EVA膠膜的組件功率衰減達到12%,相應的漏電電流為(1.75±0.07) μA·m-2,而采用POE膠膜的組件功率衰減明顯減少(約4.5%),相應的漏電電流也減少為(1.05±0.06) μA·m-2。可見,采用高阻、阻水性強的膠膜可以較好地緩解或最小化PID現象帶來的功率衰減問題。背板是太陽能電池組件背面的外層材料,它可將內部與外界環境隔離,實現電絕緣。比如,采用高阻性的背板或對背板進行改性,引入復合型背板來進一步降低PID帶來的風險,使組件能夠長期運行。密封硅膠具有密封層壓件,防止水分滲透、接觸EVA,保護組件被腐蝕等功能。在太陽能電池組件中可以引入高密封性能的丁基膠進一步降低水汽的侵入,減少由PID帶來的功率損耗。另外,由于Na+是影響太陽能電池的PID現象的一個重要因素[57-59],玻璃的材質對PID現象具有較大的影響。生產太陽能電池組件時,一般選用低成本的鈉鈣玻璃,但這種玻璃中Na含量高并且鈉離子是決定體電阻的主要因素。為了減緩PID現象,可用能抗PID的玻璃(比如石英玻璃、硼硅酸鹽玻璃或化學鋼化玻璃)替換常用的鈉鈣玻璃。Oh等[60]在常規的玻璃蓋板和鋁邊框之間加入一層較薄、較高體電阻且抗PID的柔性康寧楊柳玻璃板來減緩PID現象。它主要是通過破壞從電池到接地的鋁邊框的漏電流的流經途徑來防止PID,結果表明采用這種材料的光伏組件在-600 V的偏壓下處理5 h后,其輸出功率僅僅衰減1%,明顯低于未加入康寧楊柳玻璃板組件的功率衰減(>10%)。但是,玻璃材料的更換帶來的成本升高是一個需要考慮的問題。

3)從光伏系統層面來看,系統在運行中的偏置電壓是PID現象發生的先決條件[61-62]。可以嘗試把串聯組件的負極接地或在晚間對組件和大地之間施加正電壓。在逆變器端,設計高度可靠的負極接地策略(即絕緣阻抗監測+漏電流檢測)來緩解PID現象帶來的功率損失,也可防止漏電流問題造成安全事故,保證了在系統出現過電流時能夠可靠工作,保障現場運維人員及設備安全。微逆變器是降低光伏系統PID現象的一個新的趨勢。Nagel等[63]采用單塊光伏組件與微逆變器連接的方法來降低系統的PID現象,這種方式的特點是組件間并聯接入電網,無直流電壓的疊加效應且直流端電壓約為30 V,這種較低的電壓基本不會在光伏組件的蓋板玻璃、封裝材料、邊框之間產生PID現象,因此能大幅減弱光伏組件的PID現象。

4 結 論

隨著光伏發電技術的發展,研究太陽能電池的穩定性和衰減問題變得日益重要。作為太陽能電池光伏組件中重要的一種失效機制,PID現象近年來得到了足夠的重視。首先,在光伏系統中,PID的影響因素較多,從大的方面來看,包括太陽能電池、組件及系統本身三個維度。對于結構不同的太陽能電池,其PID機理也是不一樣的。通常,在P型晶體硅太陽能電池、N型晶體硅太陽能電池及薄膜太陽能電池中占主導的PID機制分別為漏電型PID、極化型PID和腐蝕型PID。其次,不論是晶體硅太陽能電池還是薄膜太陽能電池,其衰減過程都與Na+具有密切聯系。最后,對于PID現象的防治需要從太陽能電池、組件和系統自身分別提出改善措施,這也為光伏發電系統的安全、穩定和經濟性運行提供保障。