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電效率的關鍵因素。當前，p型PERC電池量產效率已經接近技術瓶頸，逼近理論效率極限，而各類n型電池的量產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、電池組件企業和電站投資企業的青睞。

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衰減（PID）等。近年來，報道的PID效應變得愈發明顯，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。

PID效應（Potential Induced Degradation）又稱電勢誘導衰減，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型電池的電場相對p型電池更高，電荷集中對PN結內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，將會造成嚴重的原材料和工序浪費。極大的影響效率與生產節奏。因此本著降本增效的目的，Freiberg instruments與Fraunhofer csp研究所聯合開發出一款能在電池片端檢測PID效應的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）效應對應的敏感參數。

通過將電池片、封裝材料和玻璃在140°C下保溫，進行層壓預處理，模擬電池片在組件端的實際使用環境。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率的增量，來描述電池片對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生明顯的PID-s現象，而測試時時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. 太陽能電池片PID-s測試過程參數變化(實時監控)

而太陽能電池片發生PID-p時，

宏觀電學性能上主要表現為短路電流和開路電壓的衰減。同時據多篇文獻報道，由于PID-p是離子聚集在鈍化層中破壞了場效應，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內達到衰減極限。同時通過反轉極性來達到使其鈍化層恢復的目的。

圖3. 太陽能電池片PID-p衰減與恢復過程(實時監控)

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，屬于太陽能電池片中不可逆的PID效應。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的。當發生PID-c效應時PIDcon Bifacial儀器記錄的IV曲線在反轉電壓極性后，無法回復到初始狀態，如圖4所示。

圖4. 太陽能電池片PID-c測試過程參數變化(實時監控)

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端，提高產品良率。也為下游生產端減輕了PID測試負擔，可以同時達到控制成本和提高效率的目的。

參考文獻：

1. Devoto I, Halm A. Comprehensive study of PID mechanisms for n-type bifacial solar cells[C]//Proceedings of the 36th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (EU PVSEC 2019), Marseille, France. 2019: 9-13.

2. Hara K, Jonai S, Masuda A. Potential-induced degradation in photovoltaic modules based on n-type single crystalline Si solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2015, 140: 361-365.

3. Luo W, Khoo Y S, Hacke P, et al. Potential-induced degradation in photovoltaic modules: a critical review[J]. Energy & environmental science, 2017, 10(1): 43-68.

4. Sporleder K, Turek M, Schüler N, et al. Quick test for reversible and irreversible PID of bifacial PERC solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2021, 219: 110755.