如何快速、准确判断TOPCon电池片PID效应

前言

电池转换效率是决定组件乃至光伏系统发电效率的关键因素。当前，p型PERC电池量产效率已经接近技术瓶颈，逼近理论效率极限，而各类n型电池的量产效率普遍有较大提升空间，特别是TOPCon电池得到了众多设备企业、电池组件企业和电站投资企业的青睐。

光伏组件在户外运行时，不可避免地受到光照、温度、湿气等因素的影响，较容易地受到一些失效机制的影响，例如光致衰减、材料腐蚀和电势诱导衰减（PID）等。近年来，报道的PID效应变得愈发明显，严重时会导致光伏组件在户外运行中出现大面积的漏电和功率衰减现象。

PID效应（Potential Induced Degradation）又称电势诱导衰减，是电池组件的封装材料和其上表面及下表面的材料，电池片与其接地金属边框之间的高电压作用下出现离子迁移，而造成组件性能衰减的现象，主要包含PID-s（分流型）、PID-p（极化型）和PID-c（腐蚀型）效应。

n型电池的电场相对p型电池更高，电荷集中对PN结内建电场的影响更加明显。n型电池载流子表面负荷主要集中于电池正面界面，与p型电池PN结方向相反，故PID衰减模式主要集中于电池正面，而电池正面是组件功率输出的主力，导致TOPCon电池的PID效应相比PERC电池更加明显。

一旦在组件端出现PID效应，将会造成严重的原材料和工序浪费。极大的影响效率与生产节奏。因此本着降本增效的目的，Freiberg instruments与Fraunhofer csp研究所联合开发出一款能在电池片端检测PID效应的PIDcon Bifacial仪器。能同时输出PID-s（分流型）、PID-p（极化型）和PID-c（腐蚀型）效应对应的敏感参数。

通过将电池片、封装材料和玻璃在140°C下保温，进行层压预处理，模拟电池片在组件端的实际使用环境。施加高压和高温，较大限度底测试电池片相对于组件端的真实数据，以达到良好的一致性。其测试示意图如图1所示。

图1. PIDcon Bifacial仪器的测试示意图

解决方案

PID-s发生的原因是：

Na+在高压下飘逸穿越钝化层填充于Si的堆垛层错中，穿透并短路PN节，这导致并联电阻击穿，造成严重的功率损耗。因此Freiberg instruments提供的PIDcon Bifacial仪器通过实时检测电池片电导率的增量，来描述电池片对PID-s的敏感程度。其测试结果如图2所示，超出绿色的区域的数据表明电池片发生明显的PID-s现象，而测试时时间内并未超出绿色的区域数据表明，此电池片对PID-s不敏感。

图2. 太阳能电池片PID-s测试过程参数变化(实时监控)

而太阳能电池片发生PID-p时，

宏观电学性能上主要表现为短路电流和开路电压的衰减。同时据多篇文献报道，由于PID-p是离子聚集在钝化层中破坏了场效应，衰减速度极快，需要实时记录测试过中的IV曲线才能明确其衰减过程。

图3为PIDcon Bifacial仪器在测试过程中实时监控的IV曲线，IV曲线表明，随着衰减过程的进行，开路电压和短路电流不断降低，于30min内达到衰减极限。同时通过反转极性来达到使其钝化层恢复的目的。

图3. 太阳能电池片PID-p衰减与恢复过程(实时监控)

对于PID-c，

由于介电层、 透明导电氧化物薄膜或金属接触的电化学反应而造成的腐蚀效应。这是一种物理层面的破坏作用，属于太阳能电池片中不可逆的PID效应。因此，由于PID-c引起的开路电压、短路电流和功率降低是无法被回复的。当发生PID-c效应时PIDcon Bifacial仪器记录的IV曲线在反转电压极性后，无法回复到初始状态，如图4所示。

图4. 太阳能电池片PID-c测试过程参数变化(实时监控)

综上所述，Freiberg公司的PIDcon Bifacial仪器能在电池片端检测其PID效应，辨别出存在PID隐患的电池片，阻止其流入下游生产端，提高产品良率。也为下游生产端减轻了PID测试负担，可以同时达到控制成本和提高效率的目的。

参考文献：

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.

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