太陽(yáng)能電池的電勢(shì)誘導(dǎo)衰減研究進(jìn)展

徐曉華,楊金利,周春蘭,周 肅,王文靜

(1.中國(guó)科學(xué)院電工研究所,中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)能熱利用及光伏系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.安徽華晟新能源科技有限公司,宣城 242000)

0 引 言

光伏發(fā)電是人們最普遍的利用太陽(yáng)能的方法,也是近年來(lái)發(fā)展最快、最引人注目的太陽(yáng)能應(yīng)用方向。太陽(yáng)能電池作為能量轉(zhuǎn)換裝置直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。對(duì)于這種商業(yè)化應(yīng)用的太陽(yáng)能電池可分為兩大類,即晶體硅太陽(yáng)能電池和薄膜太陽(yáng)能電池。

光伏發(fā)電技術(shù)最有價(jià)值的特征之一是高的穩(wěn)定性,運(yùn)行壽命可達(dá)25～30年。在光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí),光伏組件的可靠性也吸引了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。光伏組件在戶外運(yùn)行時(shí),不可避免地受到光照、溫度、濕氣、沙塵等因素的影響。盡管研究人員長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為光伏組件在戶外條件下運(yùn)行是非?？煽康?其衰減率和故障率也低,但它們?nèi)匀蝗菀资艿揭恍┦C(jī)制的影響,比如光致衰減、濕熱衰減、材料腐蝕、分層等,并且這些機(jī)制還會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)共同降低組件的輸出功率[1-3]。在上述問(wèn)題中,電勢(shì)誘導(dǎo)衰減(potential-inducted degradation, PID)在近年來(lái)變得越來(lái)越明顯,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致光伏組件在戶外運(yùn)行中出現(xiàn)大面積的漏電和功率衰減現(xiàn)象[4-6]。這種由PID所導(dǎo)致的功率衰減的案例,在國(guó)內(nèi)外均有發(fā)生[7]。比如,在2010年9月,意大利的Camania電站在安裝光伏組件后不久,部分組件的輸出功率開始出現(xiàn)衰減,初期功率衰減20%左右,但隨著這批光伏組件的繼續(xù)使用,其功率衰減最高達(dá)到了70%。在2011年10月,江蘇省鹽城市射陽(yáng)光伏電站也出現(xiàn)了功率衰減現(xiàn)象,部分組件功率衰減達(dá)到49%～91%,給光伏電站帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。另外,在2014年到2017年期間全國(guó)各地的一些分布式光伏屋頂、湖面電站也出現(xiàn)過(guò)大面積的功率衰減現(xiàn)象。

由于早期對(duì)該現(xiàn)象的重視程度不夠,業(yè)內(nèi)也一直沒(méi)有相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),在對(duì)光伏組件可靠性預(yù)測(cè)中沒(méi)有能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)PID現(xiàn)象的存在和發(fā)展相對(duì)應(yīng)的解決方案,從而使該問(wèn)題長(zhǎng)期存在。因此,太陽(yáng)能電池的PID現(xiàn)象所導(dǎo)致的功率衰減問(wèn)題及背后的機(jī)理成因需要引起足夠的重視。

1 PID現(xiàn)象的產(chǎn)生及主要特征

太陽(yáng)能電池的PID現(xiàn)象通常是指太陽(yáng)能電池組件在被施以較高電壓后,其組件輸出功率會(huì)較快衰減[8]。在實(shí)際運(yùn)行中,為了保證太陽(yáng)能電池組件滿足對(duì)負(fù)載供電的要求,往往需要把單個(gè)組件通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)的方式組裝成太陽(yáng)能電池陣列。然而,在這種具有高電壓的太陽(yáng)能電池陣列中,單塊光伏組件與地面之間容易產(chǎn)生較高的電勢(shì)差。在電勢(shì)差、溫度和濕度等因素的影響下,這種PID現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池組件的輸出功率降低,從而影響整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的性能[9]。1989年,太陽(yáng)能電池的PID現(xiàn)象就已被Ross等[10]初次提及過(guò),他們認(rèn)為電壓和電流會(huì)影響非晶硅(a-Si)和碲化鎘(CdTe)薄膜組件的可靠性,但當(dāng)時(shí)并未形成PID體系。而在2005年,Swanson等[11]利用SunPower公司的采用SiO2鈍化n型硅片的指交叉背接觸(interdigitated back contact, IBC)太陽(yáng)能電池,首次在太陽(yáng)能電池組件中發(fā)現(xiàn)了PID現(xiàn)象并開展了相關(guān)研究。

PID現(xiàn)象具有兩個(gè)比較突出的特征[12]:1)迅速性,一旦PID發(fā)生,短短數(shù)月就會(huì)使得組件性能發(fā)生非常大的削減,這是最重要的一個(gè)特征,所以需要重視起來(lái);2)PID現(xiàn)象與太陽(yáng)能電池材料、太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生PID的條件具有密切聯(lián)系[2,13]。

2 太陽(yáng)能電池中的PID現(xiàn)象成因

對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池,其內(nèi)部的PID機(jī)制是不一樣的。甚至對(duì)于同一類型的太陽(yáng)能電池,當(dāng)受到的環(huán)境應(yīng)力條件不一致時(shí),也可能出現(xiàn)不同的PID機(jī)制。常見(jiàn)的PID機(jī)制包括漏電型PID(shunting-type PID, PID-s)[14]、極化型PID(polarization-type PID, PID-p)[15-16],以及腐蝕型PID(corrosion-type PID, PID-c)[17]。其中,PID-s與負(fù)偏壓下太陽(yáng)能電池內(nèi)部的鈉離子(Na+)漂移所誘導(dǎo)的pn結(jié)漏電現(xiàn)象有關(guān)。而PID-p則與太陽(yáng)能電池的表面鈍化特性衰減有關(guān),在PID現(xiàn)象中是最快的,無(wú)論是在正偏壓還是負(fù)偏壓條件下均可發(fā)生。在同樣的條件下,PID-p比PID-s更明顯。另外PID-c主要是由介電層、透明導(dǎo)電氧化物(transparent conductive oxide, TCO)薄膜或金屬接觸的電化學(xué)反應(yīng)而造成的腐蝕效應(yīng)。

2.1 晶體硅太陽(yáng)能電池

依據(jù)晶體硅襯底摻雜類型,晶體硅太陽(yáng)能電池可分為P型晶體硅太陽(yáng)能電池和N型晶體硅太陽(yáng)能電池。這兩類太陽(yáng)能電池發(fā)生PID時(shí),其衰減機(jī)制是不同的。

在P型晶體硅太陽(yáng)能電池組件中,PID-s是比較常見(jiàn)的PID機(jī)制。大量研究已經(jīng)表明,P型晶體硅太陽(yáng)能電池組件中并聯(lián)電阻(Rsh)的降低[18-19]、雙二極管模型中暗飽和電流密度(J02)的增加與PID-s密切相關(guān)[20]。Hacke等[21]從PID現(xiàn)象背后的微觀機(jī)理出發(fā),認(rèn)為Na+是導(dǎo)致P型晶體硅太陽(yáng)能電池PID-s的重要原因。另外,在光伏組件中,關(guān)于Na+的起源是比較明確的,Na+主要來(lái)源于鈉鈣玻璃蓋板。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,PID-s也會(huì)受到環(huán)境因素的影響。Hoffmann等[22]觀察到PID過(guò)程中,由Na+引發(fā)的漏電電流取決于溫度和濕度,并且衰減速率還會(huì)隨著溫度和濕度的增加而增大。Suzuki等[23]研究在高的偏置電壓下,鹽霧噴霧對(duì)晶體硅太陽(yáng)能組件的電性能的影響規(guī)律,結(jié)果表明鹽霧噴霧會(huì)加速晶體硅太陽(yáng)能組件的PID現(xiàn)象。

在PID-s的機(jī)理研究方面,前人采用飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(ToF-SIMS)、電子束感應(yīng)電流(EBIC)測(cè)試及暗鎖相熱像法(DLIT)等表征手段來(lái)建立PID-s與Na+之間的聯(lián)系。如圖1所示,EBIC測(cè)試結(jié)果揭示太陽(yáng)能電池發(fā)生PID時(shí),局域發(fā)生漏電現(xiàn)象。同時(shí),對(duì)發(fā)生PID的區(qū)域進(jìn)行ToF-SIMS測(cè)試,發(fā)現(xiàn)在P型單晶硅太陽(yáng)能電池發(fā)生PID的氮化硅/晶體硅(SiNx/c-Si)界面存在Na+的累積現(xiàn)象。為了解釋P型單晶硅太陽(yáng)能電池中出現(xiàn)PID-s的根本原因,多種理論模型已經(jīng)被提出。2012年,Bauer等[24]提出了解釋PID-s現(xiàn)象的第一個(gè)理論模型——反型層模型。根據(jù)他們提出的模型,帶正電的Na+在減反射層中積累,會(huì)吸引n+發(fā)射極中的電子,從而在減反射層中形成指向n+發(fā)射極的電場(chǎng)。在這種電場(chǎng)的作用下,會(huì)將局部的電子驅(qū)離,導(dǎo)致n+發(fā)射極出現(xiàn)局部的反型層,從n+變成p+,從而導(dǎo)致局部漏電的發(fā)生。但是這個(gè)模型卻有一定的局限性,他們計(jì)算出反型層中的負(fù)電荷密度達(dá)到-1×1015cm3,這在現(xiàn)實(shí)情況下可能并不會(huì)發(fā)生。且在他們所提出的PID模型中,對(duì)負(fù)電荷性質(zhì)的解釋也并不清晰。隨后,Naumann等[25]通過(guò)對(duì)這種Na+導(dǎo)致的PID-s進(jìn)行了更加詳細(xì)的機(jī)理分析,提出了新的機(jī)理解釋。在2013年,他們首次報(bào)道了晶體硅太陽(yáng)電池中的堆垛層錯(cuò)與PID-s之間存在相互作用。同年,他們的另一個(gè)研究成果進(jìn)一步揭示了由PID-s導(dǎo)致的堆垛層錯(cuò)在晶體硅太陽(yáng)能電池中會(huì)被Na+所修飾,并簡(jiǎn)要介紹了相關(guān)的理論模型[26]。在2014年,Naumann等[27]深度揭秘了PID-s的產(chǎn)生機(jī)理。他們使用掃描透射電子顯微鏡(STEM)和能量色散X射線光譜(EDX)研究了PID-s,并觀察到晶體硅中的堆垛層錯(cuò)被Na+所污染,如圖2所示?？梢钥吹?在PID-s過(guò)程中,堆垛層錯(cuò)從SiNx/c-Si界面通過(guò)pn結(jié)延伸到硅基體中。

圖1 單晶硅太陽(yáng)能電池發(fā)生PID時(shí),高漏電區(qū)域的EBIC圖像(30 kV加速電壓)[27],斑點(diǎn)代表局域PID-s發(fā)生的區(qū)域,內(nèi)嵌圖為發(fā)生PID現(xiàn)象處Na+的ToF-SIMS強(qiáng)度分布Fig.1 EBIC image (30 kV accelerating voltage) of a monocrystalline silicon solar cell under PID, showing the high-leakage regions[27], each spot represents a region where localized PID-s has occurred, the inset shows the distribution of Na+ at the site of PID by ToF-SIMS

圖2 晶體硅太陽(yáng)能電池中的堆垛層錯(cuò)圖[27]。(a)亮場(chǎng)下的TEM照片,代表單個(gè)PID-s的堆垛層錯(cuò),插圖代表c-Si中堆垛層錯(cuò)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Fig.2 A stacking fault within crystalline silicon solar cells[27]. (a) A bright-field TEM image of a stacking fault representing a single PID-s, where the inset on the left is the Na-EDX map of the lower part of the stacking fault; (b)～(d) EDX mappings acquired in the STEM mode at the same stacking fault near the interface between c-Si and SiNx

圖3代表PID-s過(guò)程中Na+遷移的示意圖。當(dāng)晶體硅太陽(yáng)能電池發(fā)生PID現(xiàn)象時(shí),玻璃中或其他外來(lái)雜質(zhì)中的Na+會(huì)在組件邊框與太陽(yáng)能電池之間的強(qiáng)大電場(chǎng)的輔助下,進(jìn)入SiNx表面鈍化層,而SiNx層中的強(qiáng)電場(chǎng)使Na+向SiNx/c-Si界面漂移,并在超薄的SiOx界面層中積累,并且此處積累的Na+會(huì)進(jìn)入堆垛層錯(cuò)中。一旦Na+從SiOx界面層(天然氧化層)進(jìn)入堆垛層錯(cuò)中,它們將被n+發(fā)射極中的自由電子中和,從而允許更多的Na+進(jìn)入。

圖3 太陽(yáng)電池的剖面圖示意圖,實(shí)心圓點(diǎn)代表Na+通過(guò)SiNx層,隨后擴(kuò)散進(jìn)入堆垛層錯(cuò)[27]Fig.3 Schematic drawing of a solar cell cross section and transport of Na+(solid dots) through the SiNx layer and subsequent diffusion into the stacking faults[27]

圖4為進(jìn)一步提出的PID-s的機(jī)理。當(dāng)Na進(jìn)入堆垛層錯(cuò)中,會(huì)被束縛在堆垛層錯(cuò)中并對(duì)其產(chǎn)生修飾作用,從而形成Na修飾的堆垛層錯(cuò)。而這種Na修飾的堆垛層錯(cuò)也導(dǎo)致了晶體硅的禁帶中產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的缺陷能級(jí)。這種缺陷的電學(xué)行為與缺陷的濃度有關(guān)。在PID-s缺陷中,如果在禁帶中存在高濃度的局域缺陷能級(jí),相鄰缺陷能級(jí)軌道將會(huì)重合,可以進(jìn)行跳躍傳導(dǎo),正如圖4中的“process 1”所示。這個(gè)過(guò)程不需要熱激發(fā),因此導(dǎo)致在pn結(jié)之間形成了歐姆傳導(dǎo)。相反,從圖4中的“process 2”可以看到,當(dāng)缺陷濃度較低時(shí),這些缺陷能級(jí)會(huì)在耗盡區(qū)成為缺陷復(fù)合中心,引發(fā)載流子的復(fù)合,最終導(dǎo)致太陽(yáng)能電池的J02和二極管理想因子(n2)增加。該過(guò)程需要熱激發(fā),所以導(dǎo)致了這個(gè)過(guò)程中電流-電壓(I-V)特性是非線性的。

圖4 Na+修飾的堆垛層錯(cuò)的能帶結(jié)構(gòu)圖[27]。雜質(zhì)濃度較高時(shí),PID-s缺陷處的電流方向?yàn)椤斑^(guò)程1”(process 1),而在相對(duì)較低的雜質(zhì)濃度時(shí),電流方向?yàn)椤斑^(guò)程2”(process 2)Fig.4 Proposed band structure along a decorated stacking fault[27]. The current flow across a PID-s defect is shown at high level concentration (process 1) and at relatively low local level concentration (process 2)

N型太陽(yáng)能電池包括鈍化發(fā)射極背表面全擴(kuò)散(passivated emitter and rear totally-diffused, PERT)太陽(yáng)能電池、鈍化發(fā)射極背部局域擴(kuò)散(passivated emitter and rear locally-diffused, PERL)太陽(yáng)能電池、隧穿氧化物鈍化接觸(tunnel oxide passivating contacts, TOPCon)太陽(yáng)能電池、叉指狀全背接觸(interdigitated back contact, IBC)太陽(yáng)能電池,以及晶體硅異質(zhì)結(jié)(heterojunction with intrinsic thin layer, HJT)太陽(yáng)能電池等。當(dāng)這些N型晶體硅太陽(yáng)能電池發(fā)生PID現(xiàn)象時(shí),PID-p是主要的PID機(jī)制。PID-p現(xiàn)象第一次是在2005年Sunpower的N型IBC電池組件中觀察到,而后研究者們陸續(xù)開展了相關(guān)研究。PID-p在PERT、PERL、TOPCon、IBC太陽(yáng)能電池均有發(fā)生。

PID-p完全不同于其他類型的PID機(jī)制。1)發(fā)生PID-p現(xiàn)象時(shí),太陽(yáng)能電池的電學(xué)性能上主要表現(xiàn)為短路電流密度(Jsc)和開路電壓(Voc)的衰減[28]。比如,在N型PERT太陽(yáng)能電池中,在PID后,PID-p使PERT太陽(yáng)能電池的Jsc和Voc降低,但填充因子(FF)幾乎沒(méi)有衰減,這一點(diǎn)非常不同于在P型太陽(yáng)能電池組件中觀察到的PID-s型衰減。2)PID-p的衰減速率極快,并不像PID-s和PID-c都需要更長(zhǎng)的時(shí)間(從幾小時(shí)到幾十天)才能使太陽(yáng)能電池輸出功率衰減。對(duì)于N型晶體硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō),在85 ℃和1 000 V的負(fù)偏壓下可迅速衰減,衰減時(shí)間以秒計(jì)。甚至在低溫、低偏置電壓下也會(huì)出現(xiàn)PID-p衰減,對(duì)于小容量的光伏系統(tǒng)這種衰減也將成為巨大的隱患[13],這也說(shuō)明PID-p在所有光伏系統(tǒng)中存在的普遍性。3)PID-p可以在任何極性的偏置電壓下發(fā)生,這取決于硅襯底前表面重?fù)诫s層的極性。例如,對(duì)于前表面n+重?fù)诫s層的N型IBC太陽(yáng)能電池,其PID-p在正極性偏置電壓下發(fā)生。相反,在前表面為p+重?fù)诫s層的N型IBC太陽(yáng)能電池,PID-p則在負(fù)極性的偏置電壓下發(fā)生[29]。

關(guān)于PID-p的產(chǎn)生機(jī)理,目前大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為PID-p是太陽(yáng)能電池減反射層和鈍化層中電荷積累導(dǎo)致極化效應(yīng)破壞了晶體硅表面鈍化。Swanson等[10]認(rèn)為在N型IBC太陽(yáng)能電池中施加正向偏置電壓,組件邊框和太陽(yáng)能電池之間流動(dòng)的漏電流所產(chǎn)生的負(fù)電荷會(huì)積累在SiNx層,導(dǎo)致太陽(yáng)能電池前表面的n層少數(shù)載流子(空穴)增加,促進(jìn)了載流子在SiNx/c-Si界面處的復(fù)合。Bae等[29]發(fā)現(xiàn)加入一個(gè)負(fù)偏壓后,SiNx/SiO2界面的正電荷密度增加,從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了界面荷電積累的假設(shè)。后來(lái),Hara等[28]通過(guò)外量子效率(external quantum efficiency, EQE)測(cè)試觀察到了短波段的EQE在PID之后出現(xiàn)下降的現(xiàn)象,認(rèn)為這是c-Si的前表面載流子復(fù)合增強(qiáng)所致。

然而,在HJT太陽(yáng)能電池中發(fā)生的PID現(xiàn)象卻不同于其他N型晶體硅太陽(yáng)能電池。其PID現(xiàn)象背后的主要機(jī)制是PID-c,這種機(jī)制與Na相關(guān),涉及TCO薄膜層的腐蝕[30]。Yamaguchi等[31]在對(duì)HJT太陽(yáng)能電池進(jìn)行PID時(shí),觀察到在負(fù)偏置電壓下其Jsc發(fā)生衰減,其中TCO薄膜層為摻鎢氧化銦(tungsten doped indium oxide, IWO)。通過(guò)對(duì)比光照I-V和暗I-V曲線發(fā)現(xiàn)HJT太陽(yáng)能電池在負(fù)偏壓處理期間,暗I-V曲線并沒(méi)有發(fā)生改變,這證實(shí)了Jsc的衰減與HJT太陽(yáng)能電池內(nèi)部載流子復(fù)合引起的損失無(wú)關(guān),而是和光學(xué)損失增加有關(guān)。隨后,結(jié)合X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)光譜分析PID前后IWO薄膜中銦(In)和鎢(W)的含量,結(jié)果表明PID后,In2O3被還原成了金屬In,而W原子的化學(xué)狀態(tài)幾乎保持不變,這表明HJT太陽(yáng)能電池中的TCO層發(fā)生了化學(xué)上的改變。為了確認(rèn)PID過(guò)程中,Na+是否會(huì)進(jìn)入電池內(nèi)部,進(jìn)一步采用二次離子質(zhì)譜(SIMS)測(cè)試了電池中的Na+含量分布,結(jié)果表明Na+并未通過(guò)TCO進(jìn)入電池內(nèi)部。因此,Jsc的衰減主要與TCO層中被還原的In有關(guān)。

2.2 薄膜太陽(yáng)能電池

薄膜太陽(yáng)能電池也是光伏發(fā)電技術(shù)中的一個(gè)重要補(bǔ)充,比較常見(jiàn)的有碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CIGS)、非晶硅(a-Si)及鈣鈦礦(PSCs)等太陽(yáng)能電池。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,當(dāng)薄膜太陽(yáng)能電池接入光伏系統(tǒng)時(shí),在電池與地面之間較高的負(fù)偏壓影響下,薄膜太陽(yáng)能電池也會(huì)出現(xiàn)PID現(xiàn)象,導(dǎo)致功率衰減[31-34]。

CdTe薄膜太陽(yáng)能電池在目前市場(chǎng)中的份額僅次于晶體硅太陽(yáng)能電池,其具有溫度系數(shù)低、弱光性能好等優(yōu)勢(shì)[35]。當(dāng)CdTe太陽(yáng)能電池在光伏系統(tǒng)中發(fā)生PID時(shí),電池內(nèi)部主要的PID機(jī)制包括Na+導(dǎo)致的漏電行為、TCO腐蝕行為。Olsson等[36]對(duì)CdTe組件進(jìn)行了研究,他們發(fā)現(xiàn)在負(fù)偏壓下運(yùn)行的CdTe組件會(huì)出現(xiàn)功率衰減現(xiàn)象。同時(shí),他們也觀察到激光劃線的死區(qū)為Na+的輸運(yùn)提供了通道,Na+進(jìn)入硫化鎘(CdS)與CdTe界面或CdTe層,造成電池的并聯(lián)電阻降低,導(dǎo)致漏電發(fā)生,其衰減程度會(huì)隨著溫度、偏置電壓的升高而加劇。同時(shí)CdTe太陽(yáng)能電池PID的嚴(yán)重程度也與其沉積條件、組件劃線工藝相關(guān)。Hacke等[37]通過(guò)原位暗I-V(DIV)測(cè)試方法研究CdTe組件的PID現(xiàn)象,從DIV曲線識(shí)別到CdTe組件中存在Na+導(dǎo)致的漏電、TCO腐蝕等PID機(jī)制引起組件功率衰減。另外,PID與濕度、溫度及組件接地方式相關(guān),他們?cè)?5 ℃的濕氣環(huán)境中觀察到了漏電現(xiàn)象,但隨著溫度升高,這種漏電導(dǎo)致的衰減會(huì)逐漸恢復(fù)。Liu等[38]采用透射電子顯微鏡(TEM)從微觀層面來(lái)研究不同PID衰減程度的CdTe太陽(yáng)能電池組件。在衰減程度最大的CdTe太陽(yáng)能電池中,Na+主要積累在CdS層及CdS/CdTe界面,離子濃度高達(dá)18%,這可能是導(dǎo)致CdTe太陽(yáng)能電池衰減的原因。另外,他們也觀察到組件在PID后出現(xiàn)分層現(xiàn)象之處也存在高濃度的Na+,認(rèn)為這可能是導(dǎo)致TCO和玻璃襯底分層的原因,也為TCO腐蝕的機(jī)理解釋提供了有力支撐。

CIGS太陽(yáng)能電池是一種高轉(zhuǎn)換效率的薄膜太陽(yáng)能電池,當(dāng)前最高效率已達(dá)23.35%,具有較好的發(fā)展前景[39]。在這類薄膜太陽(yáng)能電池中,PID現(xiàn)象的發(fā)生似乎與Na+作用導(dǎo)致的漏電更加相關(guān)。Fj?llstr?m等[40]對(duì)比了具有不同Na含量玻璃襯底的CIGS太陽(yáng)能電池的PID行為,發(fā)現(xiàn)Na含量較高襯底對(duì)應(yīng)的CIGS太陽(yáng)能電池的PID現(xiàn)象極其嚴(yán)重,并且Voc和FF的衰減很大。同時(shí),他們觀察到CIGS太陽(yáng)能電池的CdS層和CIGS上層區(qū)域具有較高的Na濃度,指出CIGS光伏組件遭受PID的Na很可能來(lái)源于玻璃襯底,推測(cè)Na的介入導(dǎo)致了薄膜太陽(yáng)能電池的輸出功率衰減,甚至對(duì)pn結(jié)也造成了影響。Muzzillo等[41]采用SIMS測(cè)試薄膜太陽(yáng)能電池在PID前后pn結(jié)界面處Na含量,發(fā)現(xiàn)PID后的Na含量出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。他們認(rèn)為過(guò)量的Na會(huì)引起薄膜太陽(yáng)能電池漏電和載流子復(fù)合。為此,Yamaguchi等[42]進(jìn)一步觀察到PID后,CIGS太陽(yáng)能電池的二極管理想因子(n)從1.4增加到9,且Voc和FF的衰減較大,反而Jsc、Rsh和串聯(lián)電阻(Rs)幾乎沒(méi)有變化。他們認(rèn)為薄膜太陽(yáng)能電池中載流子復(fù)合的增加可能是Na誘導(dǎo)產(chǎn)生的缺陷捕獲自由載流子,導(dǎo)致薄膜太陽(yáng)能電池內(nèi)部的缺陷復(fù)合加重。

當(dāng)a-Si薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)生PID現(xiàn)象時(shí),其主要的衰減機(jī)制可能是PID-c。如圖5所示,a-Si薄膜太陽(yáng)能電池組件在600 V負(fù)偏壓、“雙八五”條件下暴露200 h后,組件開始出現(xiàn)分層現(xiàn)象(圖中條形狀區(qū)域?yàn)榘l(fā)生PID-c現(xiàn)象的區(qū)域)[43]。這種分層現(xiàn)象伴隨著PID現(xiàn)象而出現(xiàn),與PID具有密切聯(lián)系。Masuda等[44]認(rèn)為薄膜硅太陽(yáng)能電池出現(xiàn)PID現(xiàn)象的根本原因并不是Na+遷移引起的漏電,而是與組件中出現(xiàn)的線性或點(diǎn)狀的分層有關(guān)。他們?cè)趯?duì)a-Si薄膜太陽(yáng)能電池組件進(jìn)行PID處理310 h后,從電性能參數(shù)上并沒(méi)有觀察到并聯(lián)電阻的下降,推測(cè)這種PID現(xiàn)象不同于PID-s。并通過(guò)對(duì)光伏組件的外觀進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)了線性和點(diǎn)狀的分層現(xiàn)象。他們認(rèn)為線性形狀的分層可能發(fā)生在玻璃襯底/TCO之間的界面,而點(diǎn)狀形狀的分層可能發(fā)生在TCO/a-Si之間的界面,而從玻璃襯底中遷移來(lái)的Na+可能在玻璃襯底/TCO或TCO/a-Si之間的界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致這種分層現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖5 a-Si薄膜太陽(yáng)能電池組件發(fā)生PID后的分層現(xiàn)象[43]Fig.5 Delamination of a-Si thin-film solar cell module after PID[43]

Carlson等[45]發(fā)現(xiàn)薄膜太陽(yáng)能電池組件在戶外高溫高濕氣候下運(yùn)行時(shí),玻璃襯底與TCO界面的Na集聚及濕氣從組件邊緣進(jìn)入內(nèi)部,會(huì)與Na+共同作用導(dǎo)致薄膜太陽(yáng)能電池中的TCO材料發(fā)生化學(xué)腐蝕并出現(xiàn)分層現(xiàn)象,而且這個(gè)過(guò)程不可逆。也就是說(shuō),薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)生PID-c現(xiàn)象時(shí),對(duì)其性能的影響是無(wú)法逆轉(zhuǎn)的,不像PID-c、PID-p這兩種PID機(jī)制那樣可以修復(fù)。詳細(xì)的機(jī)理解釋如下所示:

在PID-c中,TCO層腐蝕機(jī)理主要分為以下三個(gè)步驟[46]:

1)Na+還原反應(yīng)

Na++e-1?Na

(1)

2)形成具有還原性的H原子

H2O+Na→ΝaOH+H

(2)

3)與TCO薄膜發(fā)生氧化還原反應(yīng)

4H+SnO2→Sn+H2O

(3)

當(dāng)上述化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后,TCO被破壞。在這個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物中,Na不僅是電化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)物,而且Na的積累也增加了界面處的機(jī)械應(yīng)力。一旦這種機(jī)械應(yīng)力達(dá)到一定值后,TCO薄膜開始出現(xiàn)裂紋,最終表現(xiàn)出分層現(xiàn)象。

至今為止,對(duì)薄膜太陽(yáng)能電池PID現(xiàn)象的研究主要集中在CIGS、CdTe及a-Si薄膜太陽(yáng)能電池中。對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究則比較少。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是近年來(lái)的研究熱點(diǎn),盡管當(dāng)前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,但未來(lái)商業(yè)化批量生產(chǎn)后,其PID穩(wěn)定性也將會(huì)很重要。

在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中,離子遷移和電荷積累是電池內(nèi)部存在的現(xiàn)象,這也導(dǎo)致了電池內(nèi)部遲滯效應(yīng)的存在[47]。當(dāng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在光伏系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí),同樣會(huì)面臨較高的偏壓?jiǎn)栴},而這種離子遷移和電荷積累將有可能導(dǎo)致鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的PID現(xiàn)象,從而降低其輸出功率。2019年,Carolus等[48]首次報(bào)道鈣鈦礦太陽(yáng)能電池也會(huì)受到PID現(xiàn)象的影響。他們?cè)跍囟葹?0 ℃、濕度為60%及1 000 V負(fù)偏置電壓條件下觀察到鈣鈦礦太陽(yáng)能電池達(dá)到了95%的效率衰減,且這種衰減主要與Jsc的減少有關(guān)。這種巨大的PID現(xiàn)象導(dǎo)致的效率衰減問(wèn)題會(huì)對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化發(fā)展造成阻礙,迫切需要解決。在同樣的條件下,Purohit等[49]嘗試新的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,在PID后觀察到鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率衰減達(dá)到32%～72%。通過(guò)對(duì)電池外觀和光致發(fā)光(photoluminescence, PL)測(cè)試表征結(jié)果的分析,他們把這種衰減歸因于鈣鈦礦材料在這個(gè)條件下發(fā)生的分解和相分離。這個(gè)結(jié)果與Carolus等的結(jié)果對(duì)比,可以從側(cè)面反映出如果對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,并且找到抑制鈣鈦礦材料的分解和相分離的方法,PID現(xiàn)象有望得到解決。

2.3 鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽(yáng)能電池

鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽(yáng)能電池是通過(guò)將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池與晶體硅太陽(yáng)能電池進(jìn)行疊加而成的。鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽(yáng)能電池具備高效和低成本的優(yōu)點(diǎn),在未來(lái)光伏市場(chǎng)中極具競(jìng)爭(zhēng)力。

如前文所述,PID現(xiàn)象是太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性評(píng)估的一個(gè)重要方面,對(duì)于鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽(yáng)能電池也不例外。然而,到目前為止,在鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的PID研究工作卻很少,相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道也微乎其微。

2022年,沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)的De Wolf團(tuán)隊(duì)評(píng)估了鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽(yáng)能電池的PID穩(wěn)定性。他們發(fā)現(xiàn),在溫度為60 ℃、偏置電壓為-1 000 V的條件下運(yùn)行約24 h后,太陽(yáng)能電池的效率衰減近乎50%。他們通過(guò)SIMS測(cè)試,在頂電池中發(fā)現(xiàn)了Na+,但結(jié)合透射電子顯微鏡中的EDX和電子能量損失譜(EELS)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Na+在鈣鈦礦層和晶體硅底電池中的聚集。該鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)中采用碳-60(C60)作為電子傳輸層,他們推測(cè)Na+有可能是在電子傳輸層中聚集,因此這種衰減更有可能和鈣鈦礦頂電池相關(guān)[50]。隨著鈣鈦礦/晶體硅太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,其PID機(jī)制和抑制方法的研究也將是一個(gè)重要的論題。

3 PID現(xiàn)象的預(yù)防措施

為了防止太陽(yáng)能電池組件出現(xiàn)PID現(xiàn)象,可以從太陽(yáng)能電池、組件及系統(tǒng)自身三個(gè)方面著手:

1)已有研究表明,通過(guò)調(diào)整太陽(yáng)能電池的工藝條件可以改善太陽(yáng)能電池的PID現(xiàn)象。比如,在P型單晶硅PERC太陽(yáng)能電池中,通過(guò)降低發(fā)射極方阻預(yù)防PID現(xiàn)象,因?yàn)檩^高的發(fā)射極表面電阻及表面電阻的不均勻性都容易造成PID現(xiàn)象。另外,還有調(diào)整SiNx減反層的性質(zhì)來(lái)增加太陽(yáng)能電池的抗PID能力,比如,在沉積過(guò)程中調(diào)整硅烷(SiH4)和氨氣(NH3)的氣體比例來(lái)改變薄膜中的Si/N比例。隨著Si/N比例的增加,SiNx薄膜的折射率和電導(dǎo)率在增加,并且減少了正電荷在SiNx薄膜中的積累,從而降低了晶體硅太陽(yáng)能電池對(duì)PID現(xiàn)象的敏感性。Gou等[51]研究了SiNx減反膜的折射率對(duì)太陽(yáng)能電池PID現(xiàn)象的影響規(guī)律,結(jié)果表明,增加SiNx減反膜的折射率可以增加太陽(yáng)能電池抗PID的能力。當(dāng)SiNx減反膜的折射率從2.0變化到2.2時(shí),太陽(yáng)能電池的功率衰減從29.27%減少到2.83%,可以看到SiNx減反膜的折射率為2.2時(shí)可以有效地減少PID現(xiàn)象。此外,在SiNx層下面插入一層SiOx也是另一種預(yù)防PID現(xiàn)象的方法[52-53]。Oh等[54]對(duì)PERC太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),嘗試在SiNx和pn結(jié)之間插入一層較薄SiOx層來(lái)減緩PID現(xiàn)象。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在經(jīng)過(guò)96 h的PID處理后,未插入SiOx薄層的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率(Eff)衰減最大,達(dá)到了4.44%,而經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的PERC太陽(yáng)能電池的Eff僅衰減0.04%,大幅減少了PERC太陽(yáng)能電池對(duì)PID的敏感性。

2)從組件層面來(lái)看,可以考慮加入高電阻率的材料來(lái)增加漏電流流通的阻力,從而減緩PID造成的不利影響[55]。比如,提高光伏封裝膠膜乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)的體積電阻率及降低離子遷移率。在PID的產(chǎn)生機(jī)理中,濕度的增大也對(duì)PID有加劇的作用。因此,在太陽(yáng)能電池制作成組件時(shí),對(duì)于光伏封裝膠膜、背板及密封硅膠的選擇應(yīng)當(dāng)考慮其阻水性能,盡量降低水汽滲透進(jìn)太陽(yáng)能電池中。比如在N型晶體硅太陽(yáng)能電池組件中,采用高阻、阻水性強(qiáng)的聚烯烴彈性體(POE)或者多層復(fù)合光伏封裝膠膜EVA/POE/EVA代替EVA。Luo等[56]采用阻水性比較好的POE來(lái)替代EVA作為光伏組件的封裝膠膜,在經(jīng)過(guò)PID處理后,采用EVA膠膜的組件功率衰減達(dá)到12%,相應(yīng)的漏電電流為(1.75±0.07) μA·m-2,而采用POE膠膜的組件功率衰減明顯減少(約4.5%),相應(yīng)的漏電電流也減少為(1.05±0.06) μA·m-2?？梢?jiàn),采用高阻、阻水性強(qiáng)的膠膜可以較好地緩解或最小化PID現(xiàn)象帶來(lái)的功率衰減問(wèn)題。背板是太陽(yáng)能電池組件背面的外層材料,它可將內(nèi)部與外界環(huán)境隔離,實(shí)現(xiàn)電絕緣。比如,采用高阻性的背板或?qū)Ρ嘲暹M(jìn)行改性,引入復(fù)合型背板來(lái)進(jìn)一步降低PID帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn),使組件能夠長(zhǎng)期運(yùn)行。密封硅膠具有密封層壓件,防止水分滲透、接觸EVA,保護(hù)組件被腐蝕等功能。在太陽(yáng)能電池組件中可以引入高密封性能的丁基膠進(jìn)一步降低水汽的侵入,減少由PID帶來(lái)的功率損耗。另外,由于Na+是影響太陽(yáng)能電池的PID現(xiàn)象的一個(gè)重要因素[57-59],玻璃的材質(zhì)對(duì)PID現(xiàn)象具有較大的影響。生產(chǎn)太陽(yáng)能電池組件時(shí),一般選用低成本的鈉鈣玻璃,但這種玻璃中Na含量高并且鈉離子是決定體電阻的主要因素。為了減緩PID現(xiàn)象,可用能抗PID的玻璃(比如石英玻璃、硼硅酸鹽玻璃或化學(xué)鋼化玻璃)替換常用的鈉鈣玻璃。Oh等[60]在常規(guī)的玻璃蓋板和鋁邊框之間加入一層較薄、較高體電阻且抗PID的柔性康寧楊柳玻璃板來(lái)減緩PID現(xiàn)象。它主要是通過(guò)破壞從電池到接地的鋁邊框的漏電流的流經(jīng)途徑來(lái)防止PID,結(jié)果表明采用這種材料的光伏組件在-600 V的偏壓下處理5 h后,其輸出功率僅僅衰減1%,明顯低于未加入康寧楊柳玻璃板組件的功率衰減(>10%)。但是,玻璃材料的更換帶來(lái)的成本升高是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題。

3)從光伏系統(tǒng)層面來(lái)看,系統(tǒng)在運(yùn)行中的偏置電壓是PID現(xiàn)象發(fā)生的先決條件[61-62]?？梢試L試把串聯(lián)組件的負(fù)極接地或在晚間對(duì)組件和大地之間施加正電壓。在逆變器端,設(shè)計(jì)高度可靠的負(fù)極接地策略(即絕緣阻抗監(jiān)測(cè)+漏電流檢測(cè))來(lái)緩解PID現(xiàn)象帶來(lái)的功率損失,也可防止漏電流問(wèn)題造成安全事故,保證了在系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)電流時(shí)能夠可靠工作,保障現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員及設(shè)備安全。微逆變器是降低光伏系統(tǒng)PID現(xiàn)象的一個(gè)新的趨勢(shì)。Nagel等[63]采用單塊光伏組件與微逆變器連接的方法來(lái)降低系統(tǒng)的PID現(xiàn)象,這種方式的特點(diǎn)是組件間并聯(lián)接入電網(wǎng),無(wú)直流電壓的疊加效應(yīng)且直流端電壓約為30 V,這種較低的電壓基本不會(huì)在光伏組件的蓋板玻璃、封裝材料、邊框之間產(chǎn)生PID現(xiàn)象,因此能大幅減弱光伏組件的PID現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,研究太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性和衰減問(wèn)題變得日益重要。作為太陽(yáng)能電池光伏組件中重要的一種失效機(jī)制,PID現(xiàn)象近年來(lái)得到了足夠的重視。首先,在光伏系統(tǒng)中,PID的影響因素較多,從大的方面來(lái)看,包括太陽(yáng)能電池、組件及系統(tǒng)本身三個(gè)維度。對(duì)于結(jié)構(gòu)不同的太陽(yáng)能電池,其PID機(jī)理也是不一樣的。通常,在P型晶體硅太陽(yáng)能電池、N型晶體硅太陽(yáng)能電池及薄膜太陽(yáng)能電池中占主導(dǎo)的PID機(jī)制分別為漏電型PID、極化型PID和腐蝕型PID。其次,不論是晶體硅太陽(yáng)能電池還是薄膜太陽(yáng)能電池,其衰減過(guò)程都與Na+具有密切聯(lián)系。最后,對(duì)于PID現(xiàn)象的防治需要從太陽(yáng)能電池、組件和系統(tǒng)自身分別提出改善措施,這也為光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行提供保障。