光伏组件PID失效与DH失效的微观分析研究

孟庆法，田茜茜

(国家太阳能光伏产品质量监督检验中心，无锡 214028)

0 引言

近年来，行业内针对光伏组件电势诱导衰减 (potential induced degradation，PID)测试和湿热(damp heat，DH)测试的研究很多。何宝华等[1]、申织华等[2]、曾雪华等[3]分别从封装材料和太阳电池等方面研究了PID效应产生的机理，并指出了组件工作电压、工作温度、相对湿度及系统接地方式是影响光伏组件PID效应产生的重要因素。梁吉连等[4]从太阳电池的SiNx层入手，研究了SiNx层的不同折射率对太阳电池抗PID的影响。NAUMANN等[5-6]对出现PID效应的小型光伏组件中太阳电池表面的微结构进行了分析，发现引起PID效应的漏电流与金属Na+在太阳电池减反射膜表面的富集有关。PEIKE等[7]认为DH测试不会影响光伏组件正、背面的电荷收集，太阳电池及减反射膜的物理、化学性质均未发生改变。OH等[8]对光伏组件DH测试后的性能进行了研究，研究发现，太阳电池的栅线被氧化，导致电池的串联电阻增大。陆俊杰等[9]研究发现，长期的湿热环境条件容易引起光伏组件内部各种离子的迁移。

上述研究中，无论是PID测试还是DH测试，大部分都是针对光伏组件样品进行的研究，而针对光伏组件破拆后内部太阳电池的微观研究较少，针对光伏组件PID失效与DH失效之间的对比的微观研究更少。因此，本文对DH失效和PID失效的光伏组件进行了破拆，从中分别选取电致发光(electroluminescence，EL)图像中不同明、暗区域(正常区域、异常区域)的太阳电池作为测试样品，并进行了微观研究，通过对比正常区域和异常区域太阳电池样品的扫描电镜-能谱(SEM-EDS)测试结果，分析得出光伏组件DH失效与PID失效的内在联系。

1 实验介绍

1.1 实验样品

本实验中共2块光伏组件样品，均为客户测试失效后送至国家太阳能光伏产品质量监督检验中心进行分析的样品。其中1块光伏组件为DH 2000测试后失效的光伏组件(下文简称“DH失效光伏组件”)，另1块光伏组件为PID测试(85 ℃、85%相对湿度、192 h)后失效的光伏组件(下文简称“PID失效光伏组件”)。

1.2 实验仪器

使用苏州高润新能源科技有限公司生产的型号为GR-2400的光伏组件EL测试仪对光伏组件进行EL测试，使用德国卡尔蔡司集团生产的SIGMA场发射式扫描电镜对太阳电池表面进行SEM-EDS测试。

1.3 实验方法

1)对DH失效光伏组件和PID失效光伏组件进行EL测试，结果分别如图1、图2所示。

图1 DH失效光伏组件的EL图像Fig. 1 EL image of failed PV module after DH test

图2 PID失效光伏组件的EL图像Fig. 2 EL image of failed PV module after PID test

2)根据EL测试图像对2块失效的光伏组件进行破拆，然后分别选取DH失效光伏组件和PID失效光伏组件的EL图像中正常区域和异常区域的太阳电池作为正常太阳电池样品和异常太阳电池样品。

3)用场发射式扫描电镜对正常太阳电池样品和异常太阳电池样品的表面进行SEM-EDS测试，并对测试结果进行对比分析。

2 实验结果

2.1 DH失效光伏组件的SEM-EDS测试结果

2.1.1 DH失效光伏组件中正常太阳电池样品的SEM-EDS测试结果

对破拆DH失效光伏组件后选取的正常太阳电池样品的栅线区域和表面区域分别进行SEMEDS测试，测试结果如图3、图4所示。

图3 DH失效光伏组件中正常太阳电池样品栅线区域的SEM-EDS图Fig. 3 SEM-EDS images of gate line region of normal solar cell sample in failed PV module after DH test

从图3中可以看出，DH失效光伏组件中正常太阳电池样品的栅线区域含有C、O、Si、Ag元素。

从图4中可以看出，DH失效光伏组件中正常太阳电池样品的表面区域含有C、N、O、Si、Ag元素。

图4 DH失效光伏组件中正常太阳电池样品表面区域的SEM-EDS图Fig. 4 SEM-EDS images of surface region of normal solar cell sample in failed PV module after DH test

2.1.2 DH失效光伏组件中异常太阳电池样品的SEM-EDS测试结果

对破拆DH失效光伏组件后选取的异常太阳电池样品的表面区域和栅线区域分别进行SEMEDS测试，并选取SEM图的不同区域进行EDS分析，以对比分析不同区域EDS结果的差异。具体测试结果如图5～图8所示。

图5 DH失效光伏组件中异常太阳电池样品表面区域 (区域1)的SEM-EDS图Fig. 5 SEM-EDS images of surface region (region 1) of abnormal solar cell sample in failed PV module after DH test

图5的测试结果表明，DH失效光伏组件中异常太阳电池样品的表面区域(区域1)含有C、O、Na、Si元素。

图6 DH失效光伏组件中异常太阳电池样品表面区域 (区域2)的SEM-EDS图Fig. 6 SEM-EDS images of surface region (region 2) of abnormal solar cell sample in failed PV module after DH test

图6的测试结果表明，DH失效光伏组件中异常太阳电池样品的表面区域(区域2)含有C、N、O、Si元素。

图7的测试结果表明，DH失效光伏组件中异常太阳电池样品的栅线区域(区域1)含有C、O、Na、Si、Ag、Te、Pb元素。

图7 DH失效光伏组件中异常太阳电池样品栅线区域(区域1)的SEM-EDS图Fig. 7 SEM-EDS images of gate line region (region 1) of abnormal solar cell sample in failed PV module after DH test

图8 DH失效光伏组件中异常太阳电池样品栅线区域(区域2)的SEM-EDS图Fig. 8 SEM-EDS images of gate line region (region 2) of abnormal solar cell sample in failed PV module after DH test

2.1.3 测试结果的对比分析

对上述DH失效光伏组件中正常太阳电池样品和异常太阳电池样品的SEM-EDS测试结果进行对比分析。结果发现：

1)在正常太阳电池样品的栅线区域中，未发现Na等金属元素；在异常太阳电池样品的多处栅线区域中，出现了Na等金属元素。这一结果表明，玻璃中的Na+等金属离子在高温、高湿环境中向太阳电池迁移，腐蚀栅线，形成了凹坑。

2)正常太阳电池样品和异常太阳电池样品的多处表面区域基本都含有N元素，这表明太阳电池表面的SiNx层未被破坏。

2.2 PID失效光伏组件的SEM-EDS测试结果

2.2.1 PID失效光伏组件中正常太阳电池样品的SEM-EDS测试结果

对破拆PID失效光伏组件后选取的正常太阳电池样品的栅线区域和表面区域分别进行SEMEDS测试，并选取SEM图的不同区域进行EDS分析，以对比分析不同区域EDS结果的差异。具体测试结果如图9～图14所示。

图9 PID失效光伏组件中正常太阳电池样品栅线区域(区域1)的SEM-EDS图Fig. 9 SEM-EDS images of gate line region (region 1) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

从图9中可以看出，PID失效光伏组件中正常太阳电池样品的栅线区域(区域1)出现了腐蚀凹坑，此区域含有C、O、Na、Al、Si、Ag元素。

从图10中可以看出，PID失效光伏组件中正常太阳电池样品的栅线区域(区域2)含有C、O、Si、Ag元素。

掘进机空间位姿监测主要监测掘进机截割头和机身空间位姿，构建的多传感器信息的煤矿悬臂式掘进机空间位姿监测系统方案如图1所示，系统主要由传感器检测系统、机载信号处理器和掘进机空间位姿监测上位软件3大部分组成，系统各个部分组成及功能如下：

图10 PID失效光伏组件中正常太阳电池样品栅线区域(区域2)的SEM-EDS图Fig.10 SEM-EDS images of gate line region (region 2) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

图11 PID失效光伏组件中正常太阳电池样品表面区域(区域1)的SEM-EDS图Fig. 11 SEM-EDS images of surface region (region 1) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

图11的测试结果表明，PID失效光伏组件中正常太阳电池样品的表面区域含有C、N、O、Si、Ag元素。

图12 PID失效光伏组件中正常太阳电池样品栅线区域(区域3)的SEM-EDS图Fig. 12 SEM-EDS images of gate line region (region 3) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

从图12中可以看出，PID失效光伏组件中正常太阳电池样品的栅线区域(区域3)有腐蚀凹坑，此区域含有C、O、Al、Si、Ag元素。

从图13中可以看出，PID失效光伏组件中正常太阳电池样品的表面区域(区域2)含有C、N、O、Si元素。

图13 PID失效光伏组件中正常太阳电池样品表面区域(区域2)的SEM-EDS图Fig. 13 SEM-EDS images of surface region (region 2) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

图14 PID失效光伏组件中正常太阳电池样品栅线区域(区域4)的SEM-EDS图Fig. 14 SEM-EDS images of gate line region (region 4) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

从图14中可以看出，PID失效光伏组件中正常太阳电池样品的栅线区域(区域4)有腐蚀凹坑，此区域含有C、O、Mg、Si、Ag元素。

2.2.2 PID失效光伏组件中异常太阳电池样品的SEM-EDS测试结果

对破拆PID失效光伏组件后选取的异常太阳电池样品的栅线区域和表面区域分别进行SEMEDS测试，并选取SEM图的不同区域进行EDS分析，以对比分析不同区域EDS结果的差异。具体测试结果如图15～图21所示。

图15 PID失效光伏组件中异常太阳电池样品栅线区域(区域1)的SEM-EDS图Fig. 15 SEM-EDS images of gate line region (region 1) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

从图15中可以看出，PID失效光伏组件中异常太阳电池样品的栅线区域(区域1)含有C、O、Mg、Si、Ag元素。

图16 PID失效光伏组件中异常太阳电池样品表面区域(区域1)的SEM-EDS图Fig. 16 SEM-EDS images of surface region (region 1) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

从图16中可以看出，PID失效光伏组件中异常太阳电池样品的表面区域(区域1)含有C、Si、Ag元素，缺少SiNx层中的N元素。

图17 PID失效光伏组件中异常太阳电池样品栅线区域(区域2)的SEM-EDS图Fig. 17 SEM-EDS images of gate line region (region 2) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

从图17中可以看出，PID失效光伏组件中异常太阳电池样品的栅线区域(区域2)有腐蚀凹坑，此区域含有C、O、Na、Si、Ca、Fe、Ag元素。

从图18中可以看出，PID失效光伏组件中异常太阳电池样品的表面区域(区域2)含有C、Si、Ag元素，缺少SiNx层中的N元素。

图18 PID失效光伏组件中异常太阳电池样品表面区域 (区域2)的SEM-EDS图Fig. 18 SEM-EDS images of surface region (region 2) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

图19 PID失效光伏组件中异常太阳电池样品栅线区域 (区域3)的SEM-EDS图Fig. 19 SEM-EDS images of gate line region (region 3) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

从图19中可以看出，PID失效光伏组件中异常太阳电池样品的栅线区域(区域3)有腐蚀凹坑，此区域含有C、O、Si、Ca、Ag元素。

图20 PID失效光伏组件中异常太阳电池样品栅线边缘区域的SEM-EDS图Fig. 20 SEM-EDS images of gate line edge region of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

从图20中可以看出，PID失效光伏组件中异常太阳电池样品的栅线边缘区域含有C、O、Na、Mg、Si、Ca、Br、Ag元素。

图21 PID失效光伏组件中异常太阳电池样品栅线区域(区域4)的SEM-EDS图Fig. 21 SEM-EDS images of gate line region (region 4) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

从图21中可以看出，PID失效光伏组件中异常太阳电池样品的栅线区域(区域4)含有C、O、Na、Mg、Si、Ag元素。

2.2.3 测试结果的对比分析

对上述PID失效光伏组件中正常太阳电池样品和异常太阳电池样品的SEM-EDS测试结果进行对比分析。分析结果显示：

1)在正常太阳电池样品和异常太阳电池样品的多处栅线区域均出现了腐蚀凹坑，异常太阳电池样品更严重，且2种样品的凹坑中均发现了金属元素。

2)在正常太阳电池样品的表面区域含有N元素，但异常太阳电池样品的多处表面区域未出现N元素。

2.3 光伏组件DH失效和PID失效的微观分析

综合上文所有SEM-EDS测试结果，对光伏组件DH失效和PID失效进行微观对比分析。经过分析可知，在高温、高湿环境中，玻璃中的Na+等金属离子会向太阳电池的表面聚集，形成由边框向太阳电池表面移动的漏电流通道；且外加电场(PID测试的外加电场)会加速玻璃中Na+等金属离子的迁移与富集，腐蚀栅线，从而破坏太阳电池表面致密的SiNx层，影响 p-n 结的正常工作，最终导致光伏组件失效。

3 结论

本文根据EL测试结果对DH失效光伏组件和PID失效光伏组件进行了破拆，分别选取了EL图像正常区域和异常区域的太阳电池作为样品，对样品进行了SEM-EDS测试，并进行了微观分析对比研究。结果表明，DH测试与PID测试后光伏组件的失效机理均与高温、高湿环境使玻璃中的金属离子向太阳电池迁移有关。高温、高湿环境会导致玻璃中Na+等金属离子向太阳电池表面聚集，形成漏电流通道，PID测试的外加电场会加速Na+等金属离子的迁移与富集，腐蚀栅线，破坏太阳电池表面致密的SiNx层，影响p-n 结的正常工作，最终导致了太阳电池的EL图像发暗及光伏组件失效。