p型PERC雙面單晶硅光伏組件的PID研究

摘 要：對p型PERC雙面單晶硅光伏組件在負偏壓、正偏壓下的電勢誘導衰減（PID）效應進行了深入研究，并對此類光伏組件背面發生PID效應后的電性能恢復情況進行了研究。研究結果表明：1）在-1500 V偏壓下進行PID測試后，在標準測試條件（STC）下，96 h PID測試后此類光伏組件背面的電性能急劇下降，正面的電性能也受到明顯影響；在200 W/m2太陽輻照度條件下，此類光伏組件正面和背面的電性能損失更加明顯。將PID測試延長至480 h后，與96 h的測試結果相比，此類光伏組件背面的最大輸出功率、開路電壓和短路電流都有不同程度的回升。這是因為當太陽電池處于負偏壓時，正電荷被吸引到AlOx/SiNx鈍化疊層，并消除了鈍化層的場鈍化效應；但是隨著更多的正電荷被困在AlOx/SiNx鈍化疊層中，太陽電池的背面產生了電子反轉層，最終導致太陽電池的有效載流子壽命增加。2）在+1500 V偏壓下進行96 h的PID測試后，此類光伏組件正面的電性能衰減可忽略不計，背面的電性能甚至還略有提高。這是因為當太陽電池處于正偏壓時，負電荷被吸引到太陽電池的背面，然后積聚在AlOx/SiNx鈍化疊層中；這些負電荷有助于將硅片中的少數載流子（電子）從背面排斥出去，從而提高此類光伏組件的電性能。3）此類光伏組件背面的極化型PID（PID-p）效應可以恢復，而且將光伏組件背面暴露在紫外線下可以大幅加快恢復的速度。對于實際在戶外運行且具有大工作電壓的光伏發電系統而言，此類光伏組件背面受到PID-p效應的影響最小甚至未受到其影響。

關鍵詞：PERC；雙面單晶硅光伏組件；電勢誘導衰減；電性能；偏壓

中圖分類號：TM914.4+1 " " " " "文獻標志碼：A

0 "引言

降低光伏發電系統的成本是光伏發電領域研究的重點之一，而開發在一定面積上可以產生更高輸出功率的高效光伏組件為實現降低成本的重要方法之一。雙面光伏組件是一種高效光伏組件，由于其背面也能夠吸收光線并發電，因此在一定太陽輻照度條件下，雙面光伏組件的發電量明顯高于傳統的單面光伏組件[1]。與單面光伏組件相比，雙面光伏組件的輸出功率在很大程度上取決于其安裝位置的地面方案設計和環境條件，研究顯示，不同地面方案設計可以給實際光伏電站帶來5%～25%的發電增益[2]。隨著光伏技術的快速發展，雙面光伏組件的市場份額逐年提高。目前，p型PERC雙面單晶硅光伏組件已經成為市場主流的雙面光伏組件類型之一。

光伏組件中存在導致功率損失的電勢誘導衰減（potential induced degradation，PID）效應。當前，已確認在晶體硅光伏組件中有兩種PID效應，分別為分流型（PID-s）和極化型 （PID-p）[3-4]。PID-s效應經常出現在p型晶體硅光伏組件中，當光伏組件處于負偏壓條件下，PID-s效應對其填充因子FF的影響較大，而對短路電流Isc和開路電壓Voc的影響相對較小[4]。這是因為在負偏壓條件下，光伏玻璃中的鈉離子（Na+）遷移到n+-p結的晶體缺陷處，造成太陽電池的顯著分流，導致其光電轉換效率降低，最終導致光伏組件具有明顯的填充因子損失[5-6]。PID-p效應經常出現在n型晶體硅光伏組件中，該效應對光伏組件的短路電流和開路電壓的影響較大，而對填充因子的影響相對較小[7-8]。PID-p效應與硅片表面鈍化層的退化有關，由于電荷在減反射（AR）層或鈍化層中積累，導致少數載流子被吸引到硅片表面，從而導致硅片表面重組速度增加[9]。

目前針對p型PERC雙面單晶硅光伏組件背面PID效應的研究較少，此類光伏組件中的太陽電池有1個n+-p結，相關研究證實，p型PERC雙面單晶硅光伏組件的電性能容易受到PID-s效應的影響[10]。基于此，本文通過實驗，對p型PERC雙面單晶硅光伏組件在負偏壓、正偏壓下的PID效應進行深入研究，并對此類光伏組件背面發生PID效應后的電性能恢復情況進行研究。

1 "實驗

1.1 "樣品準備

本文所有實驗樣品均采用同一類型的商用p型PERC雙面單晶硅光伏組件 （下文簡稱為“光伏組件樣品”），所有光伏組件均已完成穩定性測試，測試依據為IEC 61215-1： 2021《Terrestrial photovoltaic （PV） modules——Design qualification and type approval——Part 1： Test requirements》、IEC 61215-1-1： 2021《Terrestrial photovoltaic （PV） modules——Design qualification and type approval——Part 1-1： Special requirements for testing of crystalline silicon photovoltaic （PV） modules》和IEC 61215-2： 2021《Terrestrial photovoltaic （PV） modules——Design qualification and type approval——Part 2： Test procedures》。所有光伏組件在實驗前均進行了電致發光（EL）檢測，確保所有光伏組件中的太陽電池不存在隱裂、黑片等缺陷。

1.2 "實驗設備

主要實驗設備包括：瞬態3A級太陽光模擬器 （最大脈沖寬度為100 ms）、環境試驗箱、PID電源、紫外試驗箱等。

1.3 "實驗設計

根據IEC TS 62804-1： 2015《Photovoltaic （PV） modules——Test methods for the detection of potential-induced degradation——Part 1： Crystalline silicon》的要求進行PID測試，將光伏組件樣品置于環境試驗箱中，對其施加1500 V的電壓。這是因為此電壓值為p型PERC單晶硅光伏組件的最大系統電壓值，在光伏電站實際應用中，光伏組串的整體最大電壓不能超過該值，且一般情況為負偏壓，因此，在研究p型PERC單晶硅光伏組件的PID效應時，應使用最大系統電壓值。環境試驗箱的溫度設定為85 ℃、相對濕度（RH）設定為85%。

為了測量PID效應對p型PERC單晶硅光伏組件造成的電性能損失，從環境試驗箱中取出PID測試后的光伏組件樣品，采用瞬態3A級太陽光模擬器在標準測試條件（STC）和200 W/m2的低太陽輻照度條件下對其進行I-V測試。根據IEC TS 60904-1-2： 2019《Photovoltaic devices——Part 1-2： Measurement of current voltage characteristics of bifacial photovoltaic （PV） devices》的規定，測試時在光伏組件樣品背光的一面采用黑色布匹作為背景，使測試條件滿足標準要求。

以上實驗完成后，對p型PERC單晶硅光伏組件發生PID效應后的恢復過程進行研究。將光伏組件樣品放置在兩種不同的條件下進行恢復實驗，實驗條件分別為：1）將光伏組件樣品放置在環境試驗箱中，溫度設定為50 ℃、無光源 （下文簡稱為“50 ℃黑暗實驗條件”），共放置3天。2）將光伏組件樣品放置在紫外試驗箱中，使用紫外光源照射光伏組件樣品的背面（下文簡稱為“背面紫外照射實驗條件”）。此實驗中，光伏組件樣品累計接收的紫外輻照量為15.0 kWh/m2，光照強度約為160 W/m2（其中有8.4%的輻照波長在280～320 nm之間），光伏組件工作溫度保持在60 ℃左右。在上述兩種恢復實驗中，光伏組件樣品均未被施加電壓；對光伏組件樣品進行I-V測試，以監測其電性能恢復過程。

2 "實驗結果與討論

2.1 "在負偏壓下的PID效應

取3塊光伏組件樣品放置在85 ℃溫度、85% RH條件的環境試驗箱中，在-1500 V偏壓 （即光伏組件中的太陽電池處于負偏壓）下進行PID測試，測試時長分別為96、192、288、384、480 h（其中，96 h為標準的PID測試時長）。在不同測試時長后取出光伏組件樣品，分別在STC和200 W/m2太陽輻照度的條件下進行I-V測試，得到此PID測試時長下光伏組件樣品的電性能參數；然后以光伏組件樣品電性能參數初始值為標準，計算電性能參數測量值與初始值的比例 （下文簡稱為“占比”），從而得到各電性能參數的衰減比例（初始值均默認為100%），具體如圖1所示。為確保數據的準確性：1）同時對3塊光伏組件樣品進行以上測試；2）圖中數值均為3塊光伏組件樣品測試數據的平均值；3）各電性能參數的占比均為歸一化值。

從圖1可以看出，在負偏壓下進行PID測試后：

1）光伏組件樣品正面的電性能受到很大影響。經過96 h的PID測試后，在STC下，光伏組件樣品正面的最大輸出功率下降了6.11%，這主要是由于其開路電壓和短路電流分別下降了2.61%和2.88%；相比之下，在200 W/m2太陽輻照度條件下，光伏組件樣品正面的電性能受到的影響更大，其最大輸出功率、開路電壓和短路電流分別下降了8.97%、3.43%和4.13%。而光伏組件樣品正面的填充因子受到的影響較小，在STC和200 W/m2太陽輻照度條件下其分別降低了0.74%和1.69%。PID測試時長分別延長至192、288、384、480 h后，無論是在STC還是在200 W/m2太陽輻照度條件下，光伏組件樣品正面的最大輸出功率、開路電壓和短路電流的衰減均保持同一趨勢，衰減程度基本保持不變。

以上實驗數據充分說明，光伏組件樣品正面產生了導致n+-p結上分流的PID-s效應。與STC的測試結果相比，在200 W/m2太陽輻照度條件下，PID-s效應導致的光電轉換效率損失更為嚴重，這是因為隨著光電流的減少，分流路徑的載流子損失對低太陽輻照度條件下的光電轉換效率變得更加重要。

2）光伏組件樣品背面的電性能急劇下降。經過96 h的PID測試后，在STC下，光伏組件樣品背面的最大輸出功率下降了26.93%，這主要是由于其開路電壓、短路電流和填充因子分別下降了3.25%、19.20%和6.58%；相比之下，在200 W/m2太陽輻照度條件下，光伏組件樣品背面的電性能衰減更為明顯，其最大輸出功率、開路電壓、短路電流和填充因子分別下降了38.98%、4.03%、27.21%和12.82%。PID測試時長分別延長至192、288、384、480 h后，在STC下，分別與96 h的測試結果相比，光伏組件樣品背面的最大輸出功率、開路電壓和短路電流的衰減均有不同程度的回升，而填充因子卻是先升高后下降；在200 W/m2太陽輻照度條件下，分別與96 h的測試結果相比，光伏組件樣品的最大輸出功率、開路電壓和短路電流的衰減同樣有不同程度的回升，填充因子同樣也是先升高后下降。

在光伏電站現場，與雙面光伏組件樣品正面接收的太陽輻照量相比，其背面接收的太陽輻照量通常只是一小部分[11]，因此一旦p型PERC雙面單晶硅光伏組件產生了PID效應，那么雙面光伏組件相對于單面光伏組件的發電量優勢就可能會被抵消。

SunPower公司在晶體硅光伏組件中首次觀察到了PID-p效應，該光伏組件采用高效n型背接觸晶體硅太陽電池，表面鈍化采用SiO2。根據Swanson等[7]的研究，當n型背接觸晶體硅太陽電池受到高正電壓時，泄漏電流會通過乙烯-醋酸乙烯 （EVA）膜和玻璃蓋板從太陽電池泄漏到光伏組件鋁邊框的接地點，從而導致負電荷在減反射層表面積累。由于SiO2/SiNx鈍化疊層的電阻率很高，負電荷會被困在鈍化疊層中，因此，太陽電池正面產生的帶正電荷的空穴不會被太陽電池的p-n結收集，而是會被鈍化疊層中的負電荷吸引到太陽電池正面的減反射層，在那里與電子重新結合，這會導致太陽電池的表面重組增加，從而降低了太陽電池的短路電流和開路電壓。除此之外，光伏組件中太陽電池之間的參數不匹配也會造成顯著的填充因子損失，從而導致光伏組件光電轉換效率的顯著損失。

根據圖1中光伏組件樣品背面I-V測試的數據變化，認為其背面電性能產生衰減并能夠回升的部分原因是其背面產生了PID-p效應。背面玻璃的正電荷（比如：Na+）可能在負偏壓下遷移到減反射層和AlOx/SiNx鈍化疊層中，導致太陽電池背面的表面極化[3，12]。鈍化層的作用之一是通過降低表面載流子復合來提高太陽電池的光電轉換效率，而AlOx/SiNx鈍化疊層的主要機理是在太陽電池背面的表面營造出電場，以排斥相同極性的載流子，從而提高其場鈍化效應。與96 h的PID測試結果相比，PID測試時長分別延長到192、288、384、480 h后，光伏組件樣品背面的最大輸出功率、開路電壓和短路電流的衰減均有不同程度的回升，這是因為當正電荷遷移到AlOx/SiNx鈍化疊層時，會削弱AlOx層的場鈍化效果[13]。隨著更多的正電荷在AlOx/SiNx鈍化疊層中積累，硅片中的少數載流子 （電子）被吸引到太陽電池的背面，從而可以很容易地與表面的多數載流子 （空穴）重新結合，而這又會導致最大輸出功率、開路電壓和短路電流的進一步損失。此外，隨著正電荷繼續遷移到AlOx/SiNx鈍化疊層中，太陽電池的背面會產生電子反轉層，在這種情況下，多數載流子 （空穴）被推離太陽電池背面，只留下少數載流子（電子），導致太陽電池背面表面載流子復合速度降低，太陽電池的有效載流子壽命增加。

2.2 "在正偏壓下的PID效應

將兩塊光伏組件樣品 （分別記為“1#樣品”和“2#樣品”）放置在85 ℃溫度、85% RH條件的環境試驗箱中，在+1500 V偏壓 （即光伏組件中的太陽電池處于正偏壓）下進行PID測試，測試時長為96 h。測試后取出光伏組件樣品，在STC下進行I-V測試，得到此時的電性能參數，并與光伏組件樣品的電性能參數初始值進行對比，結果如表1所示。為確保數據的準確性，同時對兩塊光伏組件樣品進行以上測試。表中：Vmp為最大功率點電壓；Imp為最大功率點電流。

從表1可以看出：在正偏壓下經過96 h的PID測試后，兩塊光伏組件樣品正面的電性能基本沒有變化，而背面的電性能還略有提高。這是因為當太陽電池處于正偏壓時，負電荷被吸引到太陽電池背面，然后積聚在AlOx/SiNx鈍化疊層中；這些負電荷有助于將硅片中的少數載流子 （電子）從背面排斥出去，從而提高了此類光伏組件的電性能。

2.3 nbsp;PID效應的恢復實驗

另外選擇兩塊發生了PID效應的光伏組件樣品進行PID效應恢復實驗，這兩塊光伏組件樣品的電性能衰減程度相似，且背面的功率損失率都約為78%。恢復實驗分別在50 ℃黑暗實驗條件和背面紫外照射實驗條件下進行，測試兩塊光伏組件樣品背面最大輸出功率的恢復情況，具體如圖2所示。為確保數據的準確性，圖中的最大輸出功率占比均為歸一化值。

從圖2可以看出：

1）對比不同恢復實驗條件下光伏組件樣品背面最大輸出功率的恢復情況，發現紫外線加速了光伏組件樣品背面PID-p效應的恢復過程。在背面紫外照射實驗條件下，光伏組件樣品背面暴露在紫外線下，累積接收15.0 kWh/m2的紫外輻照量后，其背面的最大輸出功率占比由初始值的78.29%恢復至初始值的88.13%。

前文分析可知，光伏組件樣品背面的功率損失是由于背面玻璃的正電荷（比如：Na+）可能在負偏壓下遷移到AlOx/SiNx鈍化疊層中，導致背面表面極化造成的；另外在文獻[14]中，詳細記錄了SiNx層中正電荷的不穩定性。因此，在背面紫外照射實驗條件下，當光伏組件樣品在高溫（60 ℃）下靜置時，AlOx/SiNx鈍化疊層的光電導性隨著光照強度的增加而增加；隨著更多的正電荷從SiNx層中釋放出來，光伏組件樣品背面的電性能有顯著提高。這說明由PID-p效應引入的正電荷可以很容易地從AlOx/SiNx鈍化疊層中釋放出來，因此在實際戶外應用中，此類光伏組件背面受到PID-p效應的影響最小甚至未受到其影響。

2）在50 ℃黑暗實驗條件下，2天后光伏組件樣品背面的最大輸出功率由初始值的77.87%恢復至初始值的80.75%。Ay等[15]的研究結論表明：在環境溫度為300 K時，不同氮濃度的氫化無定形AlOx/SiNx鈍化疊層的穩態光導率隨著光照強度的變化而不同，這說明了光伏組件樣品背面最大輸出功率恢復的原因。

3 "結論

本文對p型PERC雙面單晶硅光伏組件在負偏壓、正偏壓下的PID效應進行了深入研究，并對此類光伏組件背面發生PID效應后的電性能恢復情況進行了研究，得到以下結論：

1）在-1500 V偏壓下進行PID測試后，在STC下，96 h測試后此類光伏組件背面的電性能急劇下降，其最大輸出功率、開路電壓和短路電流分別下降了26.93%、3.25%和19.20%；此類光伏組件正面的電性能也受到明顯影響，其最大輸出功率、開路電壓和短路電流分別下降了6.11%、2.61%和2.88%。在200 W/m2太陽輻照度條件下，此類光伏組件正面和背面的電性能損失更加明顯。將PID測試延長至480 h后，與96 h的測試結果相比，此類光伏組件背面的最大輸出功率、開路電壓和短路電流都有不同程度的回升。這是因為當太陽電池處于負偏壓時，正電荷被吸引到AlOx/SiNx鈍化疊層，并消除了鈍化層的場鈍化效應；但是隨著更多的正電荷被困在AlOx/SiNx鈍化疊層中，太陽電池的背面產生了電子反轉層，最終導致太陽電池的有效載流子壽命增加。

2）在+1500 V偏壓下進行96 h的PID測試后，此類光伏組件正面的電性能衰減可忽略不計，背面的電性能甚至還略有提高。這是因為當太陽電池處于正偏壓時，負電荷被吸引到太陽電池的背面，然后積聚在AlOx/SiNx鈍化疊層中；這些負電荷有助于將硅片中的少數載流子（電子）從背面排斥出去，從而提高此類光伏組件的電性能。

3）此類光伏組件背面的PID-p效應可以恢復，而且將光伏組件背面暴露在紫外線下可以大幅加快恢復的速度。對于實際在戶外運行且具有大工作電壓的光伏發電系統而言，此類光伏組件背面受到PID-p效應的影響最小甚至未受到其影響。

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STUDY ON PID OF p-TYPE PERC BIFACIAL MONO-Si PV MODULES

Sun Xiaoyin，Lin Hao，Chen Peng，Ma Chao

（Wuxi Institute of Inspection，Testing and Certification，Wuxi 214000，China）

Abstract：This paper conducts an in-depth study on the potential induced degradation （PID） effect of p-type PERC bifacial mono-Si PV modules under negative bias and positive bias，and investigates the electrical performance recovery of such PV modules after PID effect occurs on the back. The research results show that： 1） After conducting PID testing at a bias voltage of -1500 V，under standard test conditions （STC），the electrical performance on the back of this type of PV module sharply decreased after 96 h of PID testing. The electrical performance of such PV modules on the front side is also significantly affected. Under the condition of 200 W/m2 solar irradiance，the electrical performance loss of the front and back of such PV modules is more pronounced. After extending the PID test to 480 h，compared with the test results of 96 h，the maximum output power，open circuit voltage，and short-circuit current on the back of this type of PV module all showed varying degrees of recovery. This is because when the solar cell is under negative bias，positive charges are attracted to the AlOx/SiNx passivation stack，eliminating the field passivation effect of the passivation layer. However，as more positive charges are trapped in the AlOx/SiNx passivation stack，electron reversal layer is generated on the back of the solar cell，ultimately leading to an increase in the effective carrier lifetime of the solar cell. 2） After 96 h of PID testing under a bias voltage of +1500 V，the electrical performance degradation on the front side of such PV modules can be ignored，and the electrical performance on the back side even slightly improves. This is because when the solar cell is under positive bias，negative charges are attracted to the back of the solar cell and then accumulate in the AlOx/SiNx passivation stack. These negative charges help to repel minority carriers （electrons） from the backside of silicon wafers，thereby improving the electrical performance of such PV modules. 3） The PID-p effect on the back of such PV modules can be restored，and exposing the back of the PV module to ultraviolet light can significantly accelerate the recovery speed. For PV power generation systems with high operating voltage and operate outdoors，the back of such PV modules is minimally or even unaffected by the PID-p effect.

Keywords：PERC；bifacial mono-Si PV modules；PID；electrical performance；bias voltage