PV新技術的可靠度問題- PID

 

PV新技術的可靠度問題- PID

 

業界普遍認為PERC模組的PID問題已受控制，那新推出的雙面模組與TOPCon模組如何？背面PID有比較嚴重嗎？TOPCon的PID又如何？ 

本系列文章摘要自國際能源總署PVPS Task 13的技術報告，介紹PV新技術帶來的可靠度問題，這也是傑博作為子任務主持人所出版的第一份報告。我們彙整了目前可取得的技術文獻，以及全球各大研究機構的研究成果，期盼能幫助業界了解這些新技術的潛在風險。

本文介紹的IEA PVPS Task13報告可在以下官網連結下載

Degradation and Failure Modes in New Photovoltaic Cell and Module Technologies

 

各種PID型式

PID的基本介紹可以先參考這篇PID-電位差導致衰退，本文更深入探討各種型式的PID，以及新電池技術的PID問題。

PID主要有以下幾種型式，缺陷的形成都與模組內外電壓差有關：

PID腐蝕- 來自電池表面的電化學反應，包括網印金屬線、鈍化層和矽本身。在電場作用下，電池和封裝內的化學物質會發生分離和漂移，最終導致材料腐蝕與功率下降。

PID脫層- 電池表面發生的電化學反應，產生氣體導致封裝材料層間分離（或稱脫層）。過程中也因為界面處離子沉澱而促進脫層變化。PID脫層在現場比較少見，目前的模組使用高電阻率封裝材來解決PID問題，PID脫層也跟著變少，目前相關文獻資訊很少。

PID滲透 (penetration)- 與Na+或其他離子的漂移有關，這些離子遷移到電池電路，穿透鈍化電介質，沉積在矽表面，導致表面鈍化性能下降，因而降低電流和電壓。PID滲透是在其他PID機制之後或伴隨其他PID機制一起出現的，或者發生在嚴苛的測試條件下。

PID極化（PID-p）- 與電荷在鈍化層周邊的運動有關，少數載子被吸引到矽與鈍化層的界面，這會導致電流和電壓降低。PID-p可能由多種機制引起，帶電物質可能是靜電荷或帶電荷的離子。其中靜電荷會因為紫外線照射而消散，但帶電荷的離子不會被紫外線照射而消散。(編註：這會牽涉到稍後將提到的UV照射再生效應。)

PID shunting－與離子的遷移有關，特別是來自玻璃和封裝材料的Na+，但也可能來自電池生產製程。離子漂移到電池表面和鈍化電介質，然後通過缺陷擴散至電池發射極，導致在junction複合和shutting（編註：shutting中文很難翻譯，可以簡化的解釋為junction間漏電）。

 

在所有這些PID模式中，PID-p 是目前電池類型最相關的新興衰退模式。因此，我們本報告重點討論這種模式。Task 13報告裡有一個章節討論PERC電池的PID-p，但PERC已經不是主流產品，本文就不特別介紹，有興趣的朋友請直接參考報告。接下來我們直接進入新的N型與TOPCon電池。

 

PERT與TOPCon的正面與背面PID-p

PERT和TOPCon電池有相同的電池正面p+/n電池摻雜結構，因此被歸為一類 (圖1)。由於構成電池p+發射極區域的硼的溶解度相對較低，並且此摻雜提供的正面表面場比PERC弱，因此對極化的敏感性較高。當電池承受負電壓時，正電荷會穿過封裝材漂移到電池正面電介質。正面p+發射極中的少數載子電子更容易在正面複合，因為它們受到正面電介質中產生的正電荷的吸引。

PERT和TOPCon的背面具有磷 n+ 摻雜，這種cell的背面對極化的敏感性較低。不過不能因此斷定不受PID影響，實際測試還是很重要，因為每種模組類型都表現出不同的PID行為。

不同時期的電池技術也會有顯著的變化。例如，較早上市的PERT採用SiNx/SiO2正面鈍化層。後來的技術添加了AlOx薄膜，這些薄膜內置負電荷，會排斥射極中的少數載子電子，進而降低對PID-p的靈敏度。

 

 圖1: PERT正面PID-p進程示意圖。紅色箭頭表示電流（正電荷）移動穿過封裝材。TOPCon正面的機制相同（但背面與此圖構造不同）。

對於PERT電池模組，已許多研究測到極快的衰退。圖2顯示PID-p發生時電池的各個電性參數的相對衰減變化。單電池情況下的PID-p主要發生在開路電壓(Voc)和短路電流(Isc)的損失，但填充因子(FF)的變化可以忽略不計。總體而言，會導致最大功率(Pmpp)的損失。 

圖2: n型PERT單電池模組的Jsc、Voc、FF和Pmpp隨PID應力持續時間的變化。PID測試條件為-1000 V 和 85°C。數據點代表三個相同單電池模組的平均值

 

高電阻率封裝材和較高的正面照射度會降低PERT和TOPCon模組的PID-p效應。圖3顯示了在模組表面保持濕潤的情況下，封裝材料電阻率和照度的提高會導致PID-p降低。使用低電阻率EVA封裝的模組，無論是否接受光照，都會發生性能下降。而即使是電阻率最高的封裝材，如果在黑暗中長時間處於電壓應力下，也會出現PID-p。但是照度越高，PID-p就越不明顯。

  

圖3: PERT單電池迷你組件的Voc，透過陽光模擬器測試（三角形）和PID測試期間的戶外測量（圓圈）。不同顏色的圓圈標記了在相應照度下對三個樣品分別進行的現場測量。測試條件為60°C 和 -1000 V。封裝材料POE A的電阻率（Ω·cm）為1.2x10¹⁶，POE B為3.8x10¹⁴，POE C為8.5x10¹³，EVA為1.1x10¹³

 

有報告顯示，潮濕天氣時模組表面會變得比較導電，並促進電池電路和地面之間通過玻璃的庫侖電荷轉移，模組件的功率會下降。然而，在陽光充足的天氣過後，模組的功率至少會部分恢復 (圖4)。

 

圖4: 在-115 V電壓下，PERT模組功率與初始值的關係。在室內測試的第10小時左右，斜率略有變化，顯示從PID-p模式轉換為PID-shunting模式。藍色方塊和橙色方塊資料點分別表示在下雨天或晴天之後進行的室外PID測試的結果。

 

在潮濕多雲天氣（約0.1個太陽光）下，對太陽能電池施加相對玻璃背面-1000 V電壓，並將正面玻璃接地，測試p+/n正面結構的極化情況，測試時間超過96小時，此時採用EVA封裝的TOPCon模組的正面衰減最高可達約3%。然而，在0.1個太陽光下，UVA照射使衰減逐漸減小，如圖5所示。在此研究中，電池背面未顯示任何PID效應。

 

圖5: 在 60°C下施加-1000 V電壓96小時後，同時施加的340 nm UVA照度越高，模組功率衰退越少

 

TOPCon模組樣本移除前玻璃上的電壓電位後，PID-p在陽光下快速且重複地恢復。這些特性表明，PID-p在戶外會快速恢復，甚至可能不會發生顯著的功率衰退，因為模組串系統電壓高的時候，陽光照度也同時很強。不過再次提醒，不能因此而認為所有模組都不會有問題，還是必須針對每種模組類型確認系統電壓和太陽輻射因素對PID-p的敏感性。

  

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關於作者：

林敬傑博士，業界朋友們暱稱為「傑博」

2004年在工研院從事太陽能模組研發

2005年與德國萊因技術合作，在臺灣建立亞洲第一個太陽能檢測認證實驗室

2007年擔任德資企業a2pak Power茂暘能源技術長

2011年成立顧問公司PV Guider，提供專業諮詢與電站品質管控等服務

 

目前擔任：

PV Guider首席顧問

CNS國家標準審議委員

國際能源總署IEA PVPS Task 13太陽能可靠度工作組技術專家兼共同主持人

SEMI產業標準技術委員會主席