一篇文章讓你了解Topcon電池中的的PID效應

“雙碳"目標為我國帶來能源領域的巨大變革，以光伏為表示的可再生能源逐漸成為實現我國能源結構優化與“雙碳"目標的主力軍。在此形勢下，具有更高效率極限（28.2%~28.7%）的隧穿氧化鈍化電池（tunnel oxide passivating contacts，TOPCon）成為了研究重點，其效率極限是較接近晶體硅太陽能電池理論極限效率（29.43%）的晶硅電池。

TOPCon電池是一種新型鈍化接觸太陽能電池，于2013年在第28屆歐洲PVSEC光伏大會上由德國Fraunhofer-ISE研究所提出。該電池在保留了鈍化發射極及背面接觸電池的正背面鈍化減反射膜及銀柵線結構的同時基礎上，還在電池背表面引入了隧穿氧化層和磷摻雜多晶硅鈍化接觸結構，其結構如下圖所示。                                               

TOPcon電池結構示意圖

TOPCon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。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，如下圖所示。在這種具有高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,PID現象會導致TOPcon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。

串聯太陽能電池示意圖

TOPcon電池中常見的PID機制包括以下三種機理：

漏電型PID(shunting-type PID, PID-s)

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。關于Na+的起源是比較明確的，Na+主要來源于鈉鈣玻璃蓋板。根據文獻報道，可觀測到晶體硅中的堆垛層錯被Na+所污染。如下圖所示，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。

晶體硅太陽能電池中的堆垛層錯圖

(a)亮場下的TEM照片，表示單個PID-s的堆垛層錯，插圖表示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

極化型PID(polarization-type PID,PID-p) 

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。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了極化效應破壞了晶體硅表面鈍化。

PID-p效應的原理圖

腐蝕型PID(corrosion-type PID, PID-c)

PID-c主要是由介電層、透明導電氧化物薄膜或金屬接觸的電化學反應而造成的腐蝕效應。根據文獻報道，PID-c損傷可由掃描電子顯微鏡觀測到。在高電壓下材料表面顯示出直徑約為2 μm的圓形損傷，圓形缺陷穿透后表面，如下所示。高分辨率二次電子（SE）圖像（圖b）揭示了表面的粗糙度。

(a) 在背面施加高壓應力24小時、85℃后觀察孔洞。(b) 放大的頂視圖圖像，展示了鈍化層中此類孔的微孔內部結構。

Fraunhofer CSP（弗勞恩霍夫硅光伏CSP中心）和Freiberg公司共同研究開發了一種測試來測量電池和模塊化組件對PID敏感性的儀器（PIDcon bifacial）。Fraunhofer CSP的科學家們現在使用這種測試儀器來驗證多樣化的材料對PID敏感性,并能分別檢驗出太陽能TOPCon電池中的上述三種PID機制。

◇  符合IEC 62804-TS標準方法

◇  易于使用的臺式設備

◇  夠測量c-Si太陽能電池和微型模塊

◇  無需氣候室

◇  不需要電池層壓

◇  測量速度：4小時(一般)

◇  可測量參數：分流電阻、功率損失、電導率、泄漏電流、濕度和溫度

◇  可用于檢測不同類型太陽能電池：TOPCon, HJT, PERC, AL-BSF, PERC+, 雙面PERC, PERT, PERL 和IBC

◇  基于IP的系統允許在世界任何地方進行遠程操作和技術支持