如何快速、準確判斷TOPCon電池片PID效應(yīng)

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。

光伏組件在戶外運行時，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(dǎo)衰減（PID）等。近年來，報道的PID效應(yīng)變得愈發(fā)明顯，嚴重時會導(dǎo)致光伏組件在戶外運行中出現(xiàn)大面積的漏電和功率衰減現(xiàn)象。

PID效應(yīng)（Potential Induced Degradation）又稱電勢誘導(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型電池的電場相對p型電池更高，電荷集中對PN結(jié)內(nèi)建電場的影響更加明顯。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(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(jié)奏。因此本著降本增效的目的，Freiberg instruments與Fraunhofer csp研究所聯(lián)合開發(fā)出一款能在電池片端檢測PID效應(yīng)的PIDcon Bifacial儀器。能同時輸出PID-s（分流型）、PID-p（極化型）和PID-c（腐蝕型）效應(yīng)對應(yīng)的敏感參數(shù)。

通過將電池片、封裝材料和玻璃在140°C下保溫，進行層壓預(yù)處理，模擬電池片在組件端的實際使用環(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數(shù)據(jù)，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(jié)，這導(dǎo)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儀器通過實時檢測電池片電導(dǎo)率的增量，來描述電池片對PID-s的敏感程度。其測試結(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，而測試時時間內(nèi)并未超出綠色的區(qū)域數(shù)據(jù)表明，此電池片對PID-s不敏感。

圖2. 太陽能電池片PID-s測試過程參數(shù)變化(實時監(jiān)控)

而太陽能電池片發(fā)生PID-p時，

宏觀電學性能上主要表現(xiàn)為短路電流和開路電壓的衰減。同時據(jù)多篇文獻報道，由于PID-p是離子聚集在鈍化層中破壞了場效應(yīng)，衰減速度極快，需要實時記錄測試過中的IV曲線才能明確其衰減過程。

圖3為PIDcon Bifacial儀器在測試過程中實時監(jiān)控的IV曲線，IV曲線表明，隨著衰減過程的進行，開路電壓和短路電流不斷降低，于30min內(nèi)達到衰減極限。同時通過反轉(zhuǎn)極性來達到使其鈍化層恢復(fù)的目的。

圖3. 太陽能電池片PID-p衰減與恢復(fù)過程(實時監(jiān)控)

對于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，屬于太陽能電池片中不可逆的PID效應(yīng)。因此，由于PID-c引起的開路電壓、短路電流和功率降低是無法被回復(fù)的。當發(fā)生PID-c效應(yīng)時PIDcon Bifacial儀器記錄的IV曲線在反轉(zhuǎn)電壓極性后，無法回復(fù)到初始狀態(tài)，如圖4所示。

圖4. 太陽能電池片PID-c測試過程參數(shù)變化(實時監(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測試負擔，可以同時達到控制成本和提高效率的目的。

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