如何快速、準確判斷TOPCon電池片PID效應

前言

電池轉換效率是決定組件乃至光伏系統發(fā)電效率的關(guān)鍵因素。當前，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制的影響，例如光致衰減、材料腐蝕和電勢誘導衰減（PID）等。近年來(lái)，報道的PID效應變得愈發(fā)明顯，嚴重時(shí)會(huì )導致光伏組件在戶(hù)外運行中出現大面積的漏電和功率衰減現象。

PID效應（Potential Induced Degradation）又稱(chēng)電勢誘導衰減，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離子遷移，而造成組件性能衰減的現象，主要包含PID-s（分流型）、PID-p（極化型）和PID-c（腐蝕型）效應。

n型電池的電場(chǎng)相對p型電池更高，電荷集中對PN結內建電場(chǎng)的影響更加明顯。n型電池載流子表面負荷主要集中于電池正面界面，與p型電池PN結方向相反，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，導致TOPCon電池的PID效應相比PERC電池更加明顯。

一旦在組件端出現PID效應，將會(huì )造成嚴重的原材料和工序浪費。極大的影響效率與生產(chǎn)節奏。因此本著(zhù)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PID效應的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）效應對應的敏感參數。

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，較大限度底測試電池片相對于組件端的真實(shí)數據，以達到良好的一致性。其測試示意圖如圖1所示。

圖1. PIDcon Bifacial儀器的測試示意圖

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的堆垛層錯中，穿透并短路PN節，這導致并聯(lián)電阻擊穿，造成嚴重的功率損耗。因此Freiberg instruments提供的PIDcon Bifacial儀器通過(guò)實(shí)時(shí)檢測電池片電導率的增量，來(lái)描述電池片對PID-s的敏感程度。其測試結果如圖2所示，超出綠色的區域的數據表明電池片發(fā)生明顯的PID-s現象，而測試時(shí)時(shí)間內并未超出綠色的區域數據表明，此電池片對PID-s不敏感。

圖2. 太陽(yáng)能電池片PID-s測試過(guò)程參數變化(實(shí)時(shí)監控)

而太陽(yáng)能電池片發(fā)生PID-p時(shí)，

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

圖3為PIDcon Bifacial儀器在測試過(guò)程中實(shí)時(shí)監控的IV曲線(xiàn)，IV曲線(xiàn)表明，隨著(zhù)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內達到衰減極限。同時(shí)通過(guò)反轉極性來(lái)達到使其鈍化層恢復的目的。

圖3. 太陽(yáng)能電池片PID-p衰減與恢復過(guò)程(實(shí)時(shí)監控)

對于PID-c，

由于介電層、 透明導電氧化物薄膜或金屬接觸的電化學(xué)反應而造成的腐蝕效應。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。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)法被回復的。當發(fā)生PID-c效應時(shí)PIDcon Bifacial儀器記錄的IV曲線(xiàn)在反轉電壓極性后，無(wú)法回復到初始狀態(tài)，如圖4所示。

圖4. 太陽(yáng)能電池片PID-c測試過(guò)程參數變化(實(shí)時(shí)監控)

綜上所述，Freiberg公司的PIDcon Bifacial儀器能在電池片端檢測其PID效應，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測試負擔，可以同時(shí)達到控制成本和提高效率的目的。

參考文獻：

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