太阳能电池的电势诱导衰减研究进展

徐晓华,杨金利,周春兰,周 肃,王文静

(1.中国科学院电工研究所,中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室,北京 100190;2.中国科学院大学,北京 100049;3.安徽华晟新能源科技有限公司,宣城 242000)

0 引 言

光伏发电是人们最普遍的利用太阳能的方法,也是近年来发展最快、最引人注目的太阳能应用方向。太阳能电池作为能量转换装置直接将太阳能转化为电能。经过几十年的发展,太阳能电池实现了商业化生产。对于这种商业化应用的太阳能电池可分为两大类,即晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。

光伏发电技术最有价值的特征之一是高的稳定性,运行寿命可达25～30年。在光伏产业快速发展的同时,光伏组件的可靠性也吸引了学术界和产业界的高度关注。光伏组件在户外运行时,不可避免地受到光照、温度、湿气、沙尘等因素的影响。尽管研究人员长期以来一直认为光伏组件在户外条件下运行是非常可靠的,其衰减率和故障率也低,但它们仍然容易受到一些失效机制的影响,比如光致衰减、湿热衰减、材料腐蚀、分层等,并且这些机制还会随着时间延长共同降低组件的输出功率[1-3]。在上述问题中,电势诱导衰减(potential-inducted degradation, PID)在近年来变得越来越明显,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[4-6]。这种由PID所导致的功率衰减的案例,在国内外均有发生[7]。比如,在2010年9月,意大利的Camania电站在安装光伏组件后不久,部分组件的输出功率开始出现衰减,初期功率衰减20%左右,但随着这批光伏组件的继续使用,其功率衰减最高达到了70%。在2011年10月,江苏省盐城市射阳光伏电站也出现了功率衰减现象,部分组件功率衰减达到49%～91%,给光伏电站带来了巨大的经济损失。另外,在2014年到2017年期间全国各地的一些分布式光伏屋顶、湖面电站也出现过大面积的功率衰减现象。

由于早期对该现象的重视程度不够,业内也一直没有相应的测试标准,在对光伏组件可靠性预测中没有能够及时发现PID现象的存在和发展相对应的解决方案,从而使该问题长期存在。因此,太阳能电池的PID现象所导致的功率衰减问题及背后的机理成因需要引起足够的重视。

1 PID现象的产生及主要特征

太阳能电池的PID现象通常是指太阳能电池组件在被施以较高电压后,其组件输出功率会较快衰减[8]。在实际运行中,为了保证太阳能电池组件满足对负载供电的要求,往往需要把单个组件通过串联、并联的方式组装成太阳能电池阵列。然而,在这种具有高电压的太阳能电池阵列中,单块光伏组件与地面之间容易产生较高的电势差。在电势差、温度和湿度等因素的影响下,这种PID现象会导致太阳能电池组件的输出功率降低,从而影响整个太阳能发电系统的性能[9]。1989年,太阳能电池的PID现象就已被Ross等[10]初次提及过,他们认为电压和电流会影响非晶硅(a-Si)和碲化镉(CdTe)薄膜组件的可靠性,但当时并未形成PID体系。而在2005年,Swanson等[11]利用SunPower公司的采用SiO2钝化n型硅片的指交叉背接触(interdigitated back contact, IBC)太阳能电池,首次在太阳能电池组件中发现了PID现象并开展了相关研究。

PID现象具有两个比较突出的特征[12]:1)迅速性,一旦PID发生,短短数月就会使得组件性能发生非常大的削减,这是最重要的一个特征,所以需要重视起来;2)PID现象与太阳能电池材料、太阳能电池结构及产生PID的条件具有密切联系[2,13]。

2 太阳能电池中的PID现象成因

对于不同结构的太阳能电池,其内部的PID机制是不一样的。甚至对于同一类型的太阳能电池,当受到的环境应力条件不一致时,也可能出现不同的PID机制。常见的PID机制包括漏电型PID(shunting-type PID, PID-s)[14]、极化型PID(polarization-type PID, PID-p)[15-16],以及腐蚀型PID(corrosion-type PID, PID-c)[17]。其中,PID-s与负偏压下太阳能电池内部的钠离子(Na+)漂移所诱导的pn结漏电现象有关。而PID-p则与太阳能电池的表面钝化特性衰减有关,在PID现象中是最快的,无论是在正偏压还是负偏压条件下均可发生。在同样的条件下,PID-p比PID-s更明显。另外PID-c主要是由介电层、透明导电氧化物(transparent conductive oxide, TCO)薄膜或金属接触的电化学反应而造成的腐蚀效应。

2.1 晶体硅太阳能电池

依据晶体硅衬底掺杂类型,晶体硅太阳能电池可分为P型晶体硅太阳能电池和N型晶体硅太阳能电池。这两类太阳能电池发生PID时,其衰减机制是不同的。

在P型晶体硅太阳能电池组件中,PID-s是比较常见的PID机制。大量研究已经表明,P型晶体硅太阳能电池组件中并联电阻(Rsh)的降低[18-19]、双二极管模型中暗饱和电流密度(J02)的增加与PID-s密切相关[20]。Hacke等[21]从PID现象背后的微观机理出发,认为Na+是导致P型晶体硅太阳能电池PID-s的重要原因。另外,在光伏组件中,关于Na+的起源是比较明确的,Na+主要来源于钠钙玻璃盖板。据文献报道,PID-s也会受到环境因素的影响。Hoffmann等[22]观察到PID过程中,由Na+引发的漏电电流取决于温度和湿度,并且衰减速率还会随着温度和湿度的增加而增大。Suzuki等[23]研究在高的偏置电压下,盐雾喷雾对晶体硅太阳能组件的电性能的影响规律,结果表明盐雾喷雾会加速晶体硅太阳能组件的PID现象。

在PID-s的机理研究方面,前人采用飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)、电子束感应电流(EBIC)测试及暗锁相热像法(DLIT)等表征手段来建立PID-s与Na+之间的联系。如图1所示,EBIC测试结果揭示太阳能电池发生PID时,局域发生漏电现象。同时,对发生PID的区域进行ToF-SIMS测试,发现在P型单晶硅太阳能电池发生PID的氮化硅/晶体硅(SiNx/c-Si)界面存在Na+的累积现象。为了解释P型单晶硅太阳能电池中出现PID-s的根本原因,多种理论模型已经被提出。2012年,Bauer等[24]提出了解释PID-s现象的第一个理论模型——反型层模型。根据他们提出的模型,带正电的Na+在减反射层中积累,会吸引n+发射极中的电子,从而在减反射层中形成指向n+发射极的电场。在这种电场的作用下,会将局部的电子驱离,导致n+发射极出现局部的反型层,从n+变成p+,从而导致局部漏电的发生。但是这个模型却有一定的局限性,他们计算出反型层中的负电荷密度达到-1×1015cm3,这在现实情况下可能并不会发生。且在他们所提出的PID模型中,对负电荷性质的解释也并不清晰。随后,Naumann等[25]通过对这种Na+导致的PID-s进行了更加详细的机理分析,提出了新的机理解释。在2013年,他们首次报道了晶体硅太阳电池中的堆垛层错与PID-s之间存在相互作用。同年,他们的另一个研究成果进一步揭示了由PID-s导致的堆垛层错在晶体硅太阳能电池中会被Na+所修饰,并简要介绍了相关的理论模型[26]。在2014年,Naumann等[27]深度揭秘了PID-s的产生机理。他们使用扫描透射电子显微镜(STEM)和能量色散X射线光谱(EDX)研究了PID-s,并观察到晶体硅中的堆垛层错被Na+所污染,如图2所示。可以看到,在PID-s过程中,堆垛层错从SiNx/c-Si界面通过pn结延伸到硅基体中。

图1 单晶硅太阳能电池发生PID时,高漏电区域的EBIC图像(30 kV加速电压)[27],斑点代表局域PID-s发生的区域,内嵌图为发生PID现象处Na+的ToF-SIMS强度分布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

图2 晶体硅太阳能电池中的堆垛层错图[27]。(a)亮场下的TEM照片,代表单个PID-s的堆垛层错,插图代表c-Si中堆垛层错下部Na元素的EDX图像;(b)～(d)STEM模式下SiNx/c-Si界面处Na、O、N元素的EDX图像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

图3代表PID-s过程中Na+迁移的示意图。当晶体硅太阳能电池发生PID现象时,玻璃中或其他外来杂质中的Na+会在组件边框与太阳能电池之间的强大电场的辅助下,进入SiNx表面钝化层,而SiNx层中的强电场使Na+向SiNx/c-Si界面漂移,并在超薄的SiOx界面层中积累,并且此处积累的Na+会进入堆垛层错中。一旦Na+从SiOx界面层(天然氧化层)进入堆垛层错中,它们将被n+发射极中的自由电子中和,从而允许更多的Na+进入。

图3 太阳电池的剖面图示意图,实心圆点代表Na+通过SiNx层,随后扩散进入堆垛层错[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]

图4为进一步提出的PID-s的机理。当Na进入堆垛层错中,会被束缚在堆垛层错中并对其产生修饰作用,从而形成Na修饰的堆垛层错。而这种Na修饰的堆垛层错也导致了晶体硅的禁带中产生相对应的缺陷能级。这种缺陷的电学行为与缺陷的浓度有关。在PID-s缺陷中,如果在禁带中存在高浓度的局域缺陷能级,相邻缺陷能级轨道将会重合,可以进行跳跃传导,正如图4中的“process 1”所示。这个过程不需要热激发,因此导致在pn结之间形成了欧姆传导。相反,从图4中的“process 2”可以看到,当缺陷浓度较低时,这些缺陷能级会在耗尽区成为缺陷复合中心,引发载流子的复合,最终导致太阳能电池的J02和二极管理想因子(n2)增加。该过程需要热激发,所以导致了这个过程中电流-电压(I-V)特性是非线性的。

图4 Na+修饰的堆垛层错的能带结构图[27]。杂质浓度较高时,PID-s缺陷处的电流方向为“过程1”(process 1),而在相对较低的杂质浓度时,电流方向为“过程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型太阳能电池包括钝化发射极背表面全扩散(passivated emitter and rear totally-diffused, PERT)太阳能电池、钝化发射极背部局域扩散(passivated emitter and rear locally-diffused, PERL)太阳能电池、隧穿氧化物钝化接触(tunnel oxide passivating contacts, TOPCon)太阳能电池、叉指状全背接触(interdigitated back contact, IBC)太阳能电池,以及晶体硅异质结(heterojunction with intrinsic thin layer, HJT)太阳能电池等。当这些N型晶体硅太阳能电池发生PID现象时,PID-p是主要的PID机制。PID-p现象第一次是在2005年Sunpower的N型IBC电池组件中观察到,而后研究者们陆续开展了相关研究。PID-p在PERT、PERL、TOPCon、IBC太阳能电池均有发生。

PID-p完全不同于其他类型的PID机制。1)发生PID-p现象时,太阳能电池的电学性能上主要表现为短路电流密度(Jsc)和开路电压(Voc)的衰减[28]。比如,在N型PERT太阳能电池中,在PID后,PID-p使PERT太阳能电池的Jsc和Voc降低,但填充因子(FF)几乎没有衰减,这一点非常不同于在P型太阳能电池组件中观察到的PID-s型衰减。2)PID-p的衰减速率极快,并不像PID-s和PID-c都需要更长的时间(从几小时到几十天)才能使太阳能电池输出功率衰减。对于N型晶体硅太阳能电池来说,在85 ℃和1 000 V的负偏压下可迅速衰减,衰减时间以秒计。甚至在低温、低偏置电压下也会出现PID-p衰减,对于小容量的光伏系统这种衰减也将成为巨大的隐患[13],这也说明PID-p在所有光伏系统中存在的普遍性。3)PID-p可以在任何极性的偏置电压下发生,这取决于硅衬底前表面重掺杂层的极性。例如,对于前表面n+重掺杂层的N型IBC太阳能电池,其PID-p在正极性偏置电压下发生。相反,在前表面为p+重掺杂层的N型IBC太阳能电池,PID-p则在负极性的偏置电压下发生[29]。

关于PID-p的产生机理,目前大多数观点认为PID-p是太阳能电池减反射层和钝化层中电荷积累导致极化效应破坏了晶体硅表面钝化。Swanson等[10]认为在N型IBC太阳能电池中施加正向偏置电压,组件边框和太阳能电池之间流动的漏电流所产生的负电荷会积累在SiNx层,导致太阳能电池前表面的n层少数载流子(空穴)增加,促进了载流子在SiNx/c-Si界面处的复合。Bae等[29]发现加入一个负偏压后,SiNx/SiO2界面的正电荷密度增加,从实验上证实了界面荷电积累的假设。后来,Hara等[28]通过外量子效率(external quantum efficiency, EQE)测试观察到了短波段的EQE在PID之后出现下降的现象,认为这是c-Si的前表面载流子复合增强所致。

然而,在HJT太阳能电池中发生的PID现象却不同于其他N型晶体硅太阳能电池。其PID现象背后的主要机制是PID-c,这种机制与Na相关,涉及TCO薄膜层的腐蚀[30]。Yamaguchi等[31]在对HJT太阳能电池进行PID时,观察到在负偏置电压下其Jsc发生衰减,其中TCO薄膜层为掺钨氧化铟(tungsten doped indium oxide, IWO)。通过对比光照I-V和暗I-V曲线发现HJT太阳能电池在负偏压处理期间,暗I-V曲线并没有发生改变,这证实了Jsc的衰减与HJT太阳能电池内部载流子复合引起的损失无关,而是和光学损失增加有关。随后,结合X射线吸收精细结构(XAFS)光谱分析PID前后IWO薄膜中铟(In)和钨(W)的含量,结果表明PID后,In2O3被还原成了金属In,而W原子的化学状态几乎保持不变,这表明HJT太阳能电池中的TCO层发生了化学上的改变。为了确认PID过程中,Na+是否会进入电池内部,进一步采用二次离子质谱(SIMS)测试了电池中的Na+含量分布,结果表明Na+并未通过TCO进入电池内部。因此,Jsc的衰减主要与TCO层中被还原的In有关。

2.2 薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池也是光伏发电技术中的一个重要补充,比较常见的有碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)、非晶硅(a-Si)及钙钛矿(PSCs)等太阳能电池。据有关文献报道,当薄膜太阳能电池接入光伏系统时,在电池与地面之间较高的负偏压影响下,薄膜太阳能电池也会出现PID现象,导致功率衰减[31-34]。

CdTe薄膜太阳能电池在目前市场中的份额仅次于晶体硅太阳能电池,其具有温度系数低、弱光性能好等优势[35]。当CdTe太阳能电池在光伏系统中发生PID时,电池内部主要的PID机制包括Na+导致的漏电行为、TCO腐蚀行为。Olsson等[36]对CdTe组件进行了研究,他们发现在负偏压下运行的CdTe组件会出现功率衰减现象。同时,他们也观察到激光划线的死区为Na+的输运提供了通道,Na+进入硫化镉(CdS)与CdTe界面或CdTe层,造成电池的并联电阻降低,导致漏电发生,其衰减程度会随着温度、偏置电压的升高而加剧。同时CdTe太阳能电池PID的严重程度也与其沉积条件、组件划线工艺相关。Hacke等[37]通过原位暗I-V(DIV)测试方法研究CdTe组件的PID现象,从DIV曲线识别到CdTe组件中存在Na+导致的漏电、TCO腐蚀等PID机制引起组件功率衰减。另外,PID与湿度、温度及组件接地方式相关,他们在25 ℃的湿气环境中观察到了漏电现象,但随着温度升高,这种漏电导致的衰减会逐渐恢复。Liu等[38]采用透射电子显微镜(TEM)从微观层面来研究不同PID衰减程度的CdTe太阳能电池组件。在衰减程度最大的CdTe太阳能电池中,Na+主要积累在CdS层及CdS/CdTe界面,离子浓度高达18%,这可能是导致CdTe太阳能电池衰减的原因。另外,他们也观察到组件在PID后出现分层现象之处也存在高浓度的Na+,认为这可能是导致TCO和玻璃衬底分层的原因,也为TCO腐蚀的机理解释提供了有力支撑。

CIGS太阳能电池是一种高转换效率的薄膜太阳能电池,当前最高效率已达23.35%,具有较好的发展前景[39]。在这类薄膜太阳能电池中,PID现象的发生似乎与Na+作用导致的漏电更加相关。Fjällström等[40]对比了具有不同Na含量玻璃衬底的CIGS太阳能电池的PID行为,发现Na含量较高衬底对应的CIGS太阳能电池的PID现象极其严重,并且Voc和FF的衰减很大。同时,他们观察到CIGS太阳能电池的CdS层和CIGS上层区域具有较高的Na浓度,指出CIGS光伏组件遭受PID的Na很可能来源于玻璃衬底,推测Na的介入导致了薄膜太阳能电池的输出功率衰减,甚至对pn结也造成了影响。Muzzillo等[41]采用SIMS测试薄膜太阳能电池在PID前后pn结界面处Na含量,发现PID后的Na含量出现升高的现象。他们认为过量的Na会引起薄膜太阳能电池漏电和载流子复合。为此,Yamaguchi等[42]进一步观察到PID后,CIGS太阳能电池的二极管理想因子(n)从1.4增加到9,且Voc和FF的衰减较大,反而Jsc、Rsh和串联电阻(Rs)几乎没有变化。他们认为薄膜太阳能电池中载流子复合的增加可能是Na诱导产生的缺陷捕获自由载流子,导致薄膜太阳能电池内部的缺陷复合加重。

当a-Si薄膜太阳能电池发生PID现象时,其主要的衰减机制可能是PID-c。如图5所示,a-Si薄膜太阳能电池组件在600 V负偏压、“双八五”条件下暴露200 h后,组件开始出现分层现象(图中条形状区域为发生PID-c现象的区域)[43]。这种分层现象伴随着PID现象而出现,与PID具有密切联系。Masuda等[44]认为薄膜硅太阳能电池出现PID现象的根本原因并不是Na+迁移引起的漏电,而是与组件中出现的线性或点状的分层有关。他们在对a-Si薄膜太阳能电池组件进行PID处理310 h后,从电性能参数上并没有观察到并联电阻的下降,推测这种PID现象不同于PID-s。并通过对光伏组件的外观进行观察,发现了线性和点状的分层现象。他们认为线性形状的分层可能发生在玻璃衬底/TCO之间的界面,而点状形状的分层可能发生在TCO/a-Si之间的界面,而从玻璃衬底中迁移来的Na+可能在玻璃衬底/TCO或TCO/a-Si之间的界面处发生化学反应,导致这种分层现象的出现。

图5 a-Si薄膜太阳能电池组件发生PID后的分层现象[43]Fig.5 Delamination of a-Si thin-film solar cell module after PID[43]

Carlson等[45]发现薄膜太阳能电池组件在户外高温高湿气候下运行时,玻璃衬底与TCO界面的Na集聚及湿气从组件边缘进入内部,会与Na+共同作用导致薄膜太阳能电池中的TCO材料发生化学腐蚀并出现分层现象,而且这个过程不可逆。也就是说,薄膜太阳能电池发生PID-c现象时,对其性能的影响是无法逆转的,不像PID-c、PID-p这两种PID机制那样可以修复。详细的机理解释如下所示:

在PID-c中,TCO层腐蚀机理主要分为以下三个步骤[46]:

1)Na+还原反应

Na++e-1↔Na

(1)

2)形成具有还原性的H原子

H2O+Na→ΝaOH+H

(2)

3)与TCO薄膜发生氧化还原反应

4H+SnO2→Sn+H2O

(3)

当上述化学反应发生后,TCO被破坏。在这个反应产物中,Na不仅是电化学反应中的反应物,而且Na的积累也增加了界面处的机械应力。一旦这种机械应力达到一定值后,TCO薄膜开始出现裂纹,最终表现出分层现象。

至今为止,对薄膜太阳能电池PID现象的研究主要集中在CIGS、CdTe及a-Si薄膜太阳能电池中。对于钙钛矿太阳能电池的研究则比较少。钙钛矿太阳能电池是近年来的研究热点,尽管当前还处于实验室研究阶段,但未来商业化批量生产后,其PID稳定性也将会很重要。

在钙钛矿太阳能电池中,离子迁移和电荷积累是电池内部存在的现象,这也导致了电池内部迟滞效应的存在[47]。当钙钛矿太阳能电池在光伏系统中运行时,同样会面临较高的偏压问题,而这种离子迁移和电荷积累将有可能导致钙钛矿太阳能电池的PID现象,从而降低其输出功率。2019年,Carolus等[48]首次报道钙钛矿太阳能电池也会受到PID现象的影响。他们在温度为60 ℃、湿度为60%及1 000 V负偏置电压条件下观察到钙钛矿太阳能电池达到了95%的效率衰减,且这种衰减主要与Jsc的减少有关。这种巨大的PID现象导致的效率衰减问题会对钙钛矿太阳能电池的商业化发展造成阻碍,迫切需要解决。在同样的条件下,Purohit等[49]尝试新的钙钛矿太阳能电池,在PID后观察到钙钛矿太阳能电池的效率衰减达到32%～72%。通过对电池外观和光致发光(photoluminescence, PL)测试表征结果的分析,他们把这种衰减归因于钙钛矿材料在这个条件下发生的分解和相分离。这个结果与Carolus等的结果对比,可以从侧面反映出如果对钙钛矿太阳能电池的结构进行优化,并且找到抑制钙钛矿材料的分解和相分离的方法,PID现象有望得到解决。

2.3 钙钛矿/晶体硅叠层太阳能电池

钙钛矿/晶体硅叠层太阳能电池是通过将钙钛矿太阳能电池与晶体硅太阳能电池进行叠加而成的。钙钛矿/晶体硅叠层太阳能电池具备高效和低成本的优点,在未来光伏市场中极具竞争力。

如前文所述,PID现象是太阳能电池稳定性评估的一个重要方面,对于钙钛矿/晶体硅叠层太阳能电池也不例外。然而,到目前为止,在钙钛矿/晶体硅叠层太阳能电池领域的PID研究工作却很少,相关的文献报道也微乎其微。

2022年,沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的De Wolf团队评估了钙钛矿/晶体硅叠层太阳能电池的PID稳定性。他们发现,在温度为60 ℃、偏置电压为-1 000 V的条件下运行约24 h后,太阳能电池的效率衰减近乎50%。他们通过SIMS测试,在顶电池中发现了Na+,但结合透射电子显微镜中的EDX和电子能量损失谱(EELS)并没有发现Na+在钙钛矿层和晶体硅底电池中的聚集。该钙钛矿/晶体硅叠层太阳能电池的结构中采用碳-60(C60)作为电子传输层,他们推测Na+有可能是在电子传输层中聚集,因此这种衰减更有可能和钙钛矿顶电池相关[50]。随着钙钛矿/晶体硅太阳能电池光电转换效率和产业化发展,其PID机制和抑制方法的研究也将是一个重要的论题。

3 PID现象的预防措施

为了防止太阳能电池组件出现PID现象,可以从太阳能电池、组件及系统自身三个方面着手:

1)已有研究表明,通过调整太阳能电池的工艺条件可以改善太阳能电池的PID现象。比如,在P型单晶硅PERC太阳能电池中,通过降低发射极方阻预防PID现象,因为较高的发射极表面电阻及表面电阻的不均匀性都容易造成PID现象。另外,还有调整SiNx减反层的性质来增加太阳能电池的抗PID能力,比如,在沉积过程中调整硅烷(SiH4)和氨气(NH3)的气体比例来改变薄膜中的Si/N比例。随着Si/N比例的增加,SiNx薄膜的折射率和电导率在增加,并且减少了正电荷在SiNx薄膜中的积累,从而降低了晶体硅太阳能电池对PID现象的敏感性。Gou等[51]研究了SiNx减反膜的折射率对太阳能电池PID现象的影响规律,结果表明,增加SiNx减反膜的折射率可以增加太阳能电池抗PID的能力。当SiNx减反膜的折射率从2.0变化到2.2时,太阳能电池的功率衰减从29.27%减少到2.83%,可以看到SiNx减反膜的折射率为2.2时可以有效地减少PID现象。此外,在SiNx层下面插入一层SiOx也是另一种预防PID现象的方法[52-53]。Oh等[54]对PERC太阳能电池的结构进行改进,尝试在SiNx和pn结之间插入一层较薄SiOx层来减缓PID现象。他们的实验结果表明,在经过96 h的PID处理后,未插入SiOx薄层的太阳能电池的光电转换效率(Eff)衰减最大,达到了4.44%,而经过改进后的PERC太阳能电池的Eff仅衰减0.04%,大幅减少了PERC太阳能电池对PID的敏感性。

2)从组件层面来看,可以考虑加入高电阻率的材料来增加漏电流流通的阻力,从而减缓PID造成的不利影响[55]。比如,提高光伏封装胶膜乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)的体积电阻率及降低离子迁移率。在PID的产生机理中,湿度的增大也对PID有加剧的作用。因此,在太阳能电池制作成组件时,对于光伏封装胶膜、背板及密封硅胶的选择应当考虑其阻水性能,尽量降低水汽渗透进太阳能电池中。比如在N型晶体硅太阳能电池组件中,采用高阻、阻水性强的聚烯烃弹性体(POE)或者多层复合光伏封装胶膜EVA/POE/EVA代替EVA。Luo等[56]采用阻水性比较好的POE来替代EVA作为光伏组件的封装胶膜,在经过PID处理后,采用EVA胶膜的组件功率衰减达到12%,相应的漏电电流为(1.75±0.07) μA·m-2,而采用POE胶膜的组件功率衰减明显减少(约4.5%),相应的漏电电流也减少为(1.05±0.06) μA·m-2。可见,采用高阻、阻水性强的胶膜可以较好地缓解或最小化PID现象带来的功率衰减问题。背板是太阳能电池组件背面的外层材料,它可将内部与外界环境隔离,实现电绝缘。比如,采用高阻性的背板或对背板进行改性,引入复合型背板来进一步降低PID带来的风险,使组件能够长期运行。密封硅胶具有密封层压件,防止水分渗透、接触EVA,保护组件被腐蚀等功能。在太阳能电池组件中可以引入高密封性能的丁基胶进一步降低水汽的侵入,减少由PID带来的功率损耗。另外,由于Na+是影响太阳能电池的PID现象的一个重要因素[57-59],玻璃的材质对PID现象具有较大的影响。生产太阳能电池组件时,一般选用低成本的钠钙玻璃,但这种玻璃中Na含量高并且钠离子是决定体电阻的主要因素。为了减缓PID现象,可用能抗PID的玻璃(比如石英玻璃、硼硅酸盐玻璃或化学钢化玻璃)替换常用的钠钙玻璃。Oh等[60]在常规的玻璃盖板和铝边框之间加入一层较薄、较高体电阻且抗PID的柔性康宁杨柳玻璃板来减缓PID现象。它主要是通过破坏从电池到接地的铝边框的漏电流的流经途径来防止PID,结果表明采用这种材料的光伏组件在-600 V的偏压下处理5 h后,其输出功率仅仅衰减1%,明显低于未加入康宁杨柳玻璃板组件的功率衰减(>10%)。但是,玻璃材料的更换带来的成本升高是一个需要考虑的问题。

3)从光伏系统层面来看,系统在运行中的偏置电压是PID现象发生的先决条件[61-62]。可以尝试把串联组件的负极接地或在晚间对组件和大地之间施加正电压。在逆变器端,设计高度可靠的负极接地策略(即绝缘阻抗监测+漏电流检测)来缓解PID现象带来的功率损失,也可防止漏电流问题造成安全事故,保证了在系统出现过电流时能够可靠工作,保障现场运维人员及设备安全。微逆变器是降低光伏系统PID现象的一个新的趋势。Nagel等[63]采用单块光伏组件与微逆变器连接的方法来降低系统的PID现象,这种方式的特点是组件间并联接入电网,无直流电压的叠加效应且直流端电压约为30 V,这种较低的电压基本不会在光伏组件的盖板玻璃、封装材料、边框之间产生PID现象,因此能大幅减弱光伏组件的PID现象。

4 结 论

随着光伏发电技术的发展,研究太阳能电池的稳定性和衰减问题变得日益重要。作为太阳能电池光伏组件中重要的一种失效机制,PID现象近年来得到了足够的重视。首先,在光伏系统中,PID的影响因素较多,从大的方面来看,包括太阳能电池、组件及系统本身三个维度。对于结构不同的太阳能电池,其PID机理也是不一样的。通常,在P型晶体硅太阳能电池、N型晶体硅太阳能电池及薄膜太阳能电池中占主导的PID机制分别为漏电型PID、极化型PID和腐蚀型PID。其次,不论是晶体硅太阳能电池还是薄膜太阳能电池,其衰减过程都与Na+具有密切联系。最后,对于PID现象的防治需要从太阳能电池、组件和系统自身分别提出改善措施,这也为光伏发电系统的安全、稳定和经济性运行提供保障。