抗PID太陽能電池減反射膜工藝研究

丁繼業(yè)，陳剛剛，安百俊

（寧夏太陽電池工程技術研究中心，寧夏銀川750021）

抗PID太陽能電池減反射膜工藝研究

丁繼業(yè)，陳剛剛，安百俊

（寧夏太陽電池工程技術研究中心，寧夏銀川750021）

針對常規(guī)晶硅電池組件在運行中容易產生電勢誘導衰減（Potential Induced Degradation，PID）現象，經過對電池減反射膜的分析和研究，研發(fā)了一種抗PID太陽能電池減反射膜工藝。應用結果表明：該工藝不僅能夠有效提升電池組件抗PID性能，而且能夠克服常規(guī)鍍膜工藝的各種缺陷。

太陽能發(fā)電；晶硅電池組；鍍膜工藝；折射率

1 研究現狀及需要解決的問題

1.1 研究現狀

為解決組件PID現象，光伏行業(yè)內主要有以下幾種解決方法：

（1）通過逆變器拓撲結構，解決組件PID現象。文獻［4］提出通過逆變器偏壓修復方式抑制組件的PID現象。這種方法并未完全消除組件產生PID現象的誘因，在實際發(fā)電過程中這種方式容易在陰雨天或者傍晚光線強度較低的時候造成電站脫網運行，對電網造成沖擊。

（2）使用替代封裝材料解決組件PID現象。文獻［5］提出使用聚烯烴（POE）材料作為光伏組件的封裝膠膜。但是聚烯烴材料組件發(fā)電過程中聚烯烴會發(fā)生蠕變及結晶，使組件表面發(fā)白，透光率降低，導致組件發(fā)電性能下降。文獻［6］使用石英玻璃替代硅酸鹽鋼化玻璃作為光伏組件的正面玻璃，但其光透過率及機械載荷均比硅酸鹽鋼化玻璃要低，會造成光伏組件電性能和機械性能下降，而且石英玻璃成本比硅酸鹽玻璃成本高20%以上，無法大批量使用。

（3）通過電池片鍍膜工藝解決組件PID現象。文獻［7］提出在電池鍍膜工藝過程中采用雙層膜結構提升減反射膜的折射率［8］，從而增加減反射膜的致密性［9-10］，使組件具備抗PID能力。但使用這種方法時當減反射膜的折射率超過2.2以后會造成電池功率下降［11］。文獻［12］提出在電池鍍膜工藝過程中增加反應氣體臭氧，提升電池減反射薄膜的折射率。但這種方法由于臭氧會氧化爐管內部及進氣管道，容易造成爐管氣場不穩(wěn)定，導致電池片功率下降、電池片色差等問題。電池片色差會造成電池片對光譜的響應有區(qū)別，導致電池片封裝的時候電流失配，損失一部分功率，致使電池片封裝組件封裝損失［13］較高，造成組件功率下降。

上述PID現象解決辦法中，通過逆變器拓撲結構和使用替代封裝材料解決PID現象的方法由于經濟性和實用性方面的缺陷暫時無法批量使用；通過鍍膜工藝解決組件PID現象的方法會造成電池片功率下降、組件功率下降等問題。

1.2 需要解決的問題

為此，我們研發(fā)一種抗PID太陽能電池減反射膜工藝，主要解決以下問題：

（1）增加減反射膜的折射率；（2）提升電池片功率；

（3）提升電池組件功率；

（4）提升電池組件抗PID性能。

2 抗PPIIDD太陽能電池減反射膜工藝

2.1 電池片生產原理

電池片生產環(huán)節(jié)依次為：制絨［14］、擴散［15］、刻蝕去磷硅［16］、鍍膜、絲印燒結［17］6個工序。

其中電池片鍍膜工序是通過等離子體化學氣象沉積法（PECVD）［18］對電池片表面鍍一層（75±5）nm，折射率2.05±0.05的減反射膜，膜的作用是降低電池片表面的光線反射率以及鈍化電池表面。具體過程是通過高頻放電使反應氣體SiH4和NH3電離形成等離子體，等離子體互相反應形成SiNx沉積在電池片表面。該過程是一系列復雜的化學反應過程，主要反應過程如下：

SiNx中x表示膜中Si和N的原子比例，一般而言x=0.75，即Si3N4［19］，x大小取決于反應氣體SiH4和NH3的氣體比例。據文獻［20］研究，SiH4：NH3氣體流量比值越高x越大，意味著SiNx減反射膜折射率越高；SiH4：NH3氣體流量比值越低x越小，意味著SiNx減反射膜折射率越低。

2.2 抗PID太陽能電池減反射膜工藝

通過上述原理分析，為獲得本文所需的減反射膜，提出一種抗PID太陽能電池減反射膜工藝。工藝主要分3步進行：第1步，通過氧氣迅速氧化電池片表面形成一層均勻的SiO2薄膜。第2步，在SiO2薄膜上鍍2層SiNx膜。第3步，在第2層SiNx膜上鍍第3層SiNx膜。因此，減反射膜整體結構為：SiO2膜+SiNx膜+SiNx膜結構。其中SiO2層和第2層SiNx膜主要增加減反射膜的折射率和鈍化效果，第3層SiNx膜主要補足電池片減反射膜所需的光學厚度［21］。

電池片經過制絨、擴散、刻蝕去磷硅工序處理后進行鍍膜，鍍膜工藝如下：

2.2.1 制備第1層SiO2膜

將電池片放入氧化器內，氧化器通入高純氧，氣體流量設置為2 000～2 200 sccm，溫度設置為（180±5）℃，電池片經過滾輪通過氧化器，氧化時間為7～8 s。

由Semilab 103 PV型橢偏儀檢測上述方法制備出來的SiO2膜厚度為8～10 nm，膜折射率為2.3±0.05。

2.2.2 制備第2層SiNx減反射膜

將電池片插入石墨舟［22］后送入爐管，設置爐管溫度450℃，開始進行鍍SiNx膜工藝，具體步驟為：

（1）抽真空。爐管抽真空420 s，使爐管內達到真空狀態(tài)，避免雜質氣體干擾工藝。

（2）鍍膜。通入反應氣體SiH4和NH3，SiH4流量900 sccm，NH3流量3 800 sccm，反應壓力1 600 Pa，高頻功率6 500 W，高頻占空比40：400，沉積時間190 s。該過程SiH4和NH3的氣體流量比為9：38，SiH4比例高，目的為鍍一層折射率＞2.1的減反射膜。

（3）穩(wěn)壓。鍍膜工藝結束后關閉SiH4輸入，NH3流量設置為7 000 sccm，壓力1 600 Pa，持續(xù)30 s，以保持爐管內氣場均勻穩(wěn)定。

由橢偏儀檢測該層SiNx膜折射率2.15±0.05，膜厚（15±5）nm。

2.2.3 制備第3層SiNx減反射膜

（1）鍍膜。工藝設置溫度450℃，通入SiH4和NH3，SiH4流量700 sccm，NH3流量7 000 sccm，反應壓力1 600 Pa，高頻功率6500 W，高頻占空比40：400，沉積時間515 s。該過程SiH4和NH3的氣體流量比為1：10，SiH4比例相對低，目的為鍍一層折射率＜2.1的SiNx膜，鍍膜時間515 s，比第1層所需的時間多325 s，以補足減反射膜所需的光學厚度。

（2）排廢氣取出石墨舟。抽真空30 s，將爐管內剩余的廢氣抽排出爐管，之后關閉抽真空并通入N2使爐管達到常壓狀態(tài)，取出石墨舟進行冷卻，待石墨舟溫度降至常溫后取出石墨周內的電池片。

由型橢偏儀檢測該層SiNx膜折射率2.05±0.05，膜厚（55±5）nm。

上述鍍膜工序結束后，將電池片送往絲印燒結工序制成電池片成品，至此整個太陽能電池片生產工序結束。

3 實驗測試

為驗證本文研發(fā)的抗PID太陽能電池減反射膜工藝的效果，通過實驗對比進行驗證。

選取同一批次480片156 mm×156 mm規(guī)格多晶p型硅片，硅片厚度200 μm，硅片電阻率1～3 Ω·cm，分A、B兩組，每組240片，分別制成電池片。A組采用常規(guī)鍍膜工藝制備，B組采用本文提出的抗PID太陽能電池減反射膜工藝制備。

3.1 電池片SiNx減反射膜測試

使用橢偏儀檢測A、B兩組電池片減反射膜并計算平均值，測試結果如表1所示。

表1 電池片減反射膜對比

由表1看出，B組折射率平均值2.13，比A組折射率平均值2.09高0.04；B組膜厚平均值79 nm，與A組膜厚平均值75 nm差別不明顯。說明本文提出的抗PID太陽能電池減反射膜工藝提升了減反射膜折射率。

3.2 電池片測試

在標準測試條件［23］下對2組電池片進行測試取平均值，測試數據如表2所示。

表2 電池片性能參數測試對比

由表2電池片性能測試對比后看出，B組電池片平均功率4.513 W，與A組電池片平均功率4.486 W相比，電池片功率提高了0.027 W。對電池片各關鍵參數分析后發(fā)現，B組電池短路電流和最大電流比A組提高了30～40 mA，說明抗PID太陽能電池減反射膜工藝在鈍化效果比常規(guī)鍍膜工藝更出色。

以上測試數據說明抗PID太陽能電池減反射膜工藝提升了電池片功率。

3.3 組件封裝測試

將上述2組電池片分別封裝后制成組件，封裝材料為福斯特406/806、EVA、思可達1634 mm×984 mm×3.2 mm鋼化玻璃、臺虹PPE結構背板等材料，均為常見封裝材料。層壓封裝溫度145℃，層壓封裝時間870 s，制成組件后放入固化室固化24 h。A組電池封裝后的組件編號A1-A6，B組電池封裝后的組件編號B1-B6。在標準測試條件［24］下測試，測試數據見表3。

表3 組件性能參數測試對比

由表3對比可看出，B組電池片封裝成組件以后平均功率267.76 W，比A組電池片封裝成組件以后的平均功率267.14 W高0.62 W，說明抗PID太陽能電池減反射膜工藝能夠提升組件功率。

3.4 組件抗PID性能測試

組件抗PID性能測試依據IEC國際電工委員會標準：“IEC TS 62804 Ed.1.0［25］（82/685/NP）系統(tǒng)偏壓耐受測試（System Voltage Durability Test）”中的濕熱實驗要求：在溫度85℃、85%濕度、-1 000 V偏壓狀態(tài)下進行1 000 h測試，測試通過標準為組件功率衰減≤5%。

抽取A1、A2、B1、B2分別進行PID測試，測試結果見表4。

表4 組件抗PID性能測試后功率衰減對比

由表4對比可看出，組件經過抗PID性能測試后，B1、B2組件平均功率衰減值僅為5.22 W，平均衰減率1.955%，抗PID測試通過；A1、A2組件平均功率衰減值46.395 W，平均衰減率17.36%，抗PID測試失敗。以上說明抗PID太陽能電池減反射膜工藝提升了電池組件抗PID性能。

4 效果評價

本文提出的抗PID太陽能電池減反射膜工藝有效解決了電池效率低、組件效率低以及組件無法通過抗PID性能測試的問題，應用結果表明取得了顯著的效果：

（1）生產期間檢測電池片36 889片，測得減反射膜折射率均在2.13±0.05范圍內，比常規(guī)電池片折射率2.05±0.05提高了0.08，提升了減反射膜的折射率；

（2）生產期間連續(xù)22周電池產線平均效率＞18.5%，比常規(guī)電池產線平均效率18.4%高0.1%，達到了提升電池功率的目的，克服了常規(guī)抗PID鍍膜工藝平均效率低的缺陷，解決了電池片效率低的問題；

（3）該企業(yè)之前由于電池片效率低的原因無法生產功率265 W的組件，經使用本工藝后有效解決了這一問題，期間共生產265 W組件56 603塊，實際測得組件平均功率267.62 W，提升了組件功率；

（4）生產的電池組件抽測12塊組件進行抗PID性能測試，12塊組件最高衰減3.3%，最低衰減1.6%，平均衰減率1.997%，低于實驗要求的≤5%，組件抗PID性能測試通過，實驗證明了組件具備抗PID性能；

（5）生產的組件應用于寧夏某15 MW光伏電站，該電站裝備47 619塊功率265 W的組件，電站并網后后截至2017年6月1日停電檢修總計運行426天，檢修中未發(fā)現組件產生PID現象，實際應用證明抗PID太陽能電池減反射膜工藝提升電池組件抗PID性能。

5 結論

（1）本文提出的抗PID太陽能電池減反射膜工藝，能夠有效提升電池減反射膜的折射率，無論是在實驗室測試還是在電站運行過程中，該工藝制備的組件都提升了電池組件抗PID性能，應用效果明顯。

（2）抗PID太陽能電池減反射膜工藝克服了常規(guī)鍍膜工藝容易造成電池片功率低、電池組件功率低的問題，對電池功率、組件功率均有提升，具有廣闊的應用前景。

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Research on anti PID solar cell antireflection coating technics

DING Jiye,CHEN Ganggang,AN Baijun
(Ningxia Solar Cell Engineering Technology Research Center,Yinchuan Ningxia 750021,China)

Aiming at the phenomena that the conventional crystalline silicon solar cells easy to occur potential induced degradation(PID),by analysis and research of the cells degrading antireflection coating,develops an anti PID solar cell antireflection coating technics.The application result shows that this technics not only can improve effectively the anti PID performance of the cells,but also can overcome the various deficiency of the conventional filming technics.

solar power generation;crystalline silicon solar cells;filming technics;refractivity

TM914.4

A

1672-3643（2017）04-0029-05

有效訪問地址：http∶//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.006

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.006

近年來，隨著全球能源需求快速增長以及人們對新能源越來越重視，新能源占能源消耗比重正在逐年升高。晶硅光伏發(fā)電因其安全、環(huán)保、高可靠性等優(yōu)勢在新能源發(fā)電中發(fā)展越來越迅速，然而，作為光伏發(fā)電的基本單元，光伏組件在發(fā)電運行中存在電勢誘導衰減（Potential Induced Degradation，PID）問題，該問題可由光伏組件、光伏系統(tǒng)以及環(huán)境三方面引起［1］。文獻［2］系統(tǒng)地闡述了光伏組件產生PID現象的原因，指出光伏組件的PID現象產生的原因是在潮濕環(huán)境條件下水汽進入組件，導致EVA（醋酸乙烯脂）水解產生的醋酸與組件玻璃面析出的堿鹽反應產生堿離子（Na+、Ca+、Fe+），堿離子會在組件邊框和電池片表面之間產生的電場作用下形成漏電流［3］，導致電池片SiNx（氮化硅）減反射膜鈍化效果喪失，同時堿離子與電池片光照時PN結產生的空穴形成內建電場，該電場會限制載流子輸出，以上原因最終導致組件性能損失，造成光伏組件發(fā)電效率嚴重下降。

寧夏回族自治區(qū)科學技術進步獎（2016010）。

2017-05-18

丁繼業(yè)（1972），男，工程師，主要從事光伏電池、組件工藝研究及電站運營管理研究。