孟慶法，田茜茜

(國(guó)家太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，無(wú)錫 214028)

0 引言

近年來(lái)，行業(yè)內(nèi)針對(duì)光伏組件電勢(shì)誘導(dǎo)衰減 (potential induced degradation，PID)測(cè)試和濕熱(damp heat，DH)測(cè)試的研究很多。何寶華等[1]、申織華等[2]、曾雪華等[3]分別從封裝材料和太陽(yáng)電池等方面研究了PID效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理，并指出了組件工作電壓、工作溫度、相對(duì)濕度及系統(tǒng)接地方式是影響光伏組件PID效應(yīng)產(chǎn)生的重要因素。梁吉連等[4]從太陽(yáng)電池的SiNx層入手，研究了SiNx層的不同折射率對(duì)太陽(yáng)電池抗PID的影響。NAUMANN等[5-6]對(duì)出現(xiàn)PID效應(yīng)的小型光伏組件中太陽(yáng)電池表面的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)引起PID效應(yīng)的漏電流與金屬Na+在太陽(yáng)電池減反射膜表面的富集有關(guān)。PEIKE等[7]認(rèn)為DH測(cè)試不會(huì)影響光伏組件正、背面的電荷收集，太陽(yáng)電池及減反射膜的物理、化學(xué)性質(zhì)均未發(fā)生改變。OH等[8]對(duì)光伏組件DH測(cè)試后的性能進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)電池的柵線被氧化，導(dǎo)致電池的串聯(lián)電阻增大。陸俊杰等[9]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期的濕熱環(huán)境條件容易引起光伏組件內(nèi)部各種離子的遷移。

上述研究中，無(wú)論是PID測(cè)試還是DH測(cè)試，大部分都是針對(duì)光伏組件樣品進(jìn)行的研究，而針對(duì)光伏組件破拆后內(nèi)部太陽(yáng)電池的微觀研究較少，針對(duì)光伏組件PID失效與DH失效之間的對(duì)比的微觀研究更少。因此，本文對(duì)DH失效和PID失效的光伏組件進(jìn)行了破拆，從中分別選取電致發(fā)光(electroluminescence，EL)圖像中不同明、暗區(qū)域(正常區(qū)域、異常區(qū)域)的太陽(yáng)電池作為測(cè)試樣品，并進(jìn)行了微觀研究，通過(guò)對(duì)比正常區(qū)域和異常區(qū)域太陽(yáng)電池樣品的掃描電鏡-能譜(SEM-EDS)測(cè)試結(jié)果，分析得出光伏組件DH失效與PID失效的內(nèi)在聯(lián)系。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)中共2塊光伏組件樣品，均為客戶測(cè)試失效后送至國(guó)家太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行分析的樣品。其中1塊光伏組件為DH 2000測(cè)試后失效的光伏組件(下文簡(jiǎn)稱“DH失效光伏組件”)，另1塊光伏組件為PID測(cè)試(85 ℃、85%相對(duì)濕度、192 h)后失效的光伏組件(下文簡(jiǎn)稱“PID失效光伏組件”)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

使用蘇州高潤(rùn)新能源科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為GR-2400的光伏組件EL測(cè)試儀對(duì)光伏組件進(jìn)行EL測(cè)試，使用德國(guó)卡爾蔡司集團(tuán)生產(chǎn)的SIGMA場(chǎng)發(fā)射式掃描電鏡對(duì)太陽(yáng)電池表面進(jìn)行SEM-EDS測(cè)試。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1)對(duì)DH失效光伏組件和PID失效光伏組件進(jìn)行EL測(cè)試，結(jié)果分別如圖1、圖2所示。

圖1 DH失效光伏組件的EL圖像Fig. 1 EL image of failed PV module after DH test

圖2 PID失效光伏組件的EL圖像Fig. 2 EL image of failed PV module after PID test

2)根據(jù)EL測(cè)試圖像對(duì)2塊失效的光伏組件進(jìn)行破拆，然后分別選取DH失效光伏組件和PID失效光伏組件的EL圖像中正常區(qū)域和異常區(qū)域的太陽(yáng)電池作為正常太陽(yáng)電池樣品和異常太陽(yáng)電池樣品。

3)用場(chǎng)發(fā)射式掃描電鏡對(duì)正常太陽(yáng)電池樣品和異常太陽(yáng)電池樣品的表面進(jìn)行SEM-EDS測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 DH失效光伏組件的SEM-EDS測(cè)試結(jié)果

2.1.1 DH失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品的SEM-EDS測(cè)試結(jié)果

對(duì)破拆DH失效光伏組件后選取的正常太陽(yáng)電池樣品的柵線區(qū)域和表面區(qū)域分別進(jìn)行SEMEDS測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 DH失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品柵線區(qū)域的SEM-EDS圖Fig. 3 SEM-EDS images of gate line region of normal solar cell sample in failed PV module after DH test

從圖3中可以看出，DH失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品的柵線區(qū)域含有C、O、Si、Ag元素。

從圖4中可以看出，DH失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品的表面區(qū)域含有C、N、O、Si、Ag元素。

圖4 DH失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品表面區(qū)域的SEM-EDS圖Fig. 4 SEM-EDS images of surface region of normal solar cell sample in failed PV module after DH test

2.1.2 DH失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品的SEM-EDS測(cè)試結(jié)果

對(duì)破拆DH失效光伏組件后選取的異常太陽(yáng)電池樣品的表面區(qū)域和柵線區(qū)域分別進(jìn)行SEMEDS測(cè)試，并選取SEM圖的不同區(qū)域進(jìn)行EDS分析，以對(duì)比分析不同區(qū)域EDS結(jié)果的差異。具體測(cè)試結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 DH失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品表面區(qū)域 (區(qū)域1)的SEM-EDS圖Fig. 5 SEM-EDS images of surface region (region 1) of abnormal solar cell sample in failed PV module after DH test

圖5的測(cè)試結(jié)果表明，DH失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品的表面區(qū)域(區(qū)域1)含有C、O、Na、Si元素。

圖6 DH失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品表面區(qū)域 (區(qū)域2)的SEM-EDS圖Fig. 6 SEM-EDS images of surface region (region 2) of abnormal solar cell sample in failed PV module after DH test

圖6的測(cè)試結(jié)果表明，DH失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品的表面區(qū)域(區(qū)域2)含有C、N、O、Si元素。

圖7的測(cè)試結(jié)果表明，DH失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品的柵線區(qū)域(區(qū)域1)含有C、O、Na、Si、Ag、Te、Pb元素。

圖7 DH失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品柵線區(qū)域(區(qū)域1)的SEM-EDS圖Fig. 7 SEM-EDS images of gate line region (region 1) of abnormal solar cell sample in failed PV module after DH test

圖8 DH失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品柵線區(qū)域(區(qū)域2)的SEM-EDS圖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 測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析

對(duì)上述DH失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品和異常太陽(yáng)電池樣品的SEM-EDS測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)在正常太陽(yáng)電池樣品的柵線區(qū)域中，未發(fā)現(xiàn)Na等金屬元素；在異常太陽(yáng)電池樣品的多處柵線區(qū)域中，出現(xiàn)了Na等金屬元素。這一結(jié)果表明，玻璃中的Na+等金屬離子在高溫、高濕環(huán)境中向太陽(yáng)電池遷移，腐蝕柵線，形成了凹坑。

2)正常太陽(yáng)電池樣品和異常太陽(yáng)電池樣品的多處表面區(qū)域基本都含有N元素，這表明太陽(yáng)電池表面的SiNx層未被破壞。

2.2 PID失效光伏組件的SEM-EDS測(cè)試結(jié)果

2.2.1 PID失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品的SEM-EDS測(cè)試結(jié)果

對(duì)破拆PID失效光伏組件后選取的正常太陽(yáng)電池樣品的柵線區(qū)域和表面區(qū)域分別進(jìn)行SEMEDS測(cè)試，并選取SEM圖的不同區(qū)域進(jìn)行EDS分析，以對(duì)比分析不同區(qū)域EDS結(jié)果的差異。具體測(cè)試結(jié)果如圖9～圖14所示。

圖9 PID失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品柵線區(qū)域(區(qū)域1)的SEM-EDS圖Fig. 9 SEM-EDS images of gate line region (region 1) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖9中可以看出，PID失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品的柵線區(qū)域(區(qū)域1)出現(xiàn)了腐蝕凹坑，此區(qū)域含有C、O、Na、Al、Si、Ag元素。

從圖10中可以看出，PID失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品的柵線區(qū)域(區(qū)域2)含有C、O、Si、Ag元素。

掘進(jìn)機(jī)空間位姿監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)截割頭和機(jī)身空間位姿，構(gòu)建的多傳感器信息的煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)空間位姿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案如圖1所示，系統(tǒng)主要由傳感器檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)載信號(hào)處理器和掘進(jìn)機(jī)空間位姿監(jiān)測(cè)上位軟件3大部分組成，系統(tǒng)各個(gè)部分組成及功能如下：

圖10 PID失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品柵線區(qū)域(區(qū)域2)的SEM-EDS圖Fig.10 SEM-EDS images of gate line region (region 2) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

圖11 PID失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品表面區(qū)域(區(qū)域1)的SEM-EDS圖Fig. 11 SEM-EDS images of surface region (region 1) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

圖11的測(cè)試結(jié)果表明，PID失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品的表面區(qū)域含有C、N、O、Si、Ag元素。

圖12 PID失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品柵線區(qū)域(區(qū)域3)的SEM-EDS圖Fig. 12 SEM-EDS images of gate line region (region 3) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖12中可以看出，PID失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品的柵線區(qū)域(區(qū)域3)有腐蝕凹坑，此區(qū)域含有C、O、Al、Si、Ag元素。

從圖13中可以看出，PID失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品的表面區(qū)域(區(qū)域2)含有C、N、O、Si元素。

圖13 PID失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品表面區(qū)域(區(qū)域2)的SEM-EDS圖Fig. 13 SEM-EDS images of surface region (region 2) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

圖14 PID失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品柵線區(qū)域(區(qū)域4)的SEM-EDS圖Fig. 14 SEM-EDS images of gate line region (region 4) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖14中可以看出，PID失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品的柵線區(qū)域(區(qū)域4)有腐蝕凹坑，此區(qū)域含有C、O、Mg、Si、Ag元素。

2.2.2 PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品的SEM-EDS測(cè)試結(jié)果

對(duì)破拆PID失效光伏組件后選取的異常太陽(yáng)電池樣品的柵線區(qū)域和表面區(qū)域分別進(jìn)行SEMEDS測(cè)試，并選取SEM圖的不同區(qū)域進(jìn)行EDS分析，以對(duì)比分析不同區(qū)域EDS結(jié)果的差異。具體測(cè)試結(jié)果如圖15～圖21所示。

圖15 PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品柵線區(qū)域(區(qū)域1)的SEM-EDS圖Fig. 15 SEM-EDS images of gate line region (region 1) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖15中可以看出，PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品的柵線區(qū)域(區(qū)域1)含有C、O、Mg、Si、Ag元素。

圖16 PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品表面區(qū)域(區(qū)域1)的SEM-EDS圖Fig. 16 SEM-EDS images of surface region (region 1) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖16中可以看出，PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品的表面區(qū)域(區(qū)域1)含有C、Si、Ag元素，缺少SiNx層中的N元素。

圖17 PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品柵線區(qū)域(區(qū)域2)的SEM-EDS圖Fig. 17 SEM-EDS images of gate line region (region 2) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖17中可以看出，PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品的柵線區(qū)域(區(qū)域2)有腐蝕凹坑，此區(qū)域含有C、O、Na、Si、Ca、Fe、Ag元素。

從圖18中可以看出，PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品的表面區(qū)域(區(qū)域2)含有C、Si、Ag元素，缺少SiNx層中的N元素。

圖18 PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品表面區(qū)域 (區(qū)域2)的SEM-EDS圖Fig. 18 SEM-EDS images of surface region (region 2) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

圖19 PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品柵線區(qū)域 (區(qū)域3)的SEM-EDS圖Fig. 19 SEM-EDS images of gate line region (region 3) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖19中可以看出，PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品的柵線區(qū)域(區(qū)域3)有腐蝕凹坑，此區(qū)域含有C、O、Si、Ca、Ag元素。

圖20 PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品柵線邊緣區(qū)域的SEM-EDS圖Fig. 20 SEM-EDS images of gate line edge region of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖20中可以看出，PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品的柵線邊緣區(qū)域含有C、O、Na、Mg、Si、Ca、Br、Ag元素。

圖21 PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品柵線區(qū)域(區(qū)域4)的SEM-EDS圖Fig. 21 SEM-EDS images of gate line region (region 4) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖21中可以看出，PID失效光伏組件中異常太陽(yáng)電池樣品的柵線區(qū)域(區(qū)域4)含有C、O、Na、Mg、Si、Ag元素。

2.2.3 測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析

對(duì)上述PID失效光伏組件中正常太陽(yáng)電池樣品和異常太陽(yáng)電池樣品的SEM-EDS測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果顯示：

1)在正常太陽(yáng)電池樣品和異常太陽(yáng)電池樣品的多處柵線區(qū)域均出現(xiàn)了腐蝕凹坑，異常太陽(yáng)電池樣品更嚴(yán)重，且2種樣品的凹坑中均發(fā)現(xiàn)了金屬元素。

2)在正常太陽(yáng)電池樣品的表面區(qū)域含有N元素，但異常太陽(yáng)電池樣品的多處表面區(qū)域未出現(xiàn)N元素。

2.3 光伏組件DH失效和PID失效的微觀分析

綜合上文所有SEM-EDS測(cè)試結(jié)果，對(duì)光伏組件DH失效和PID失效進(jìn)行微觀對(duì)比分析。經(jīng)過(guò)分析可知，在高溫、高濕環(huán)境中，玻璃中的Na+等金屬離子會(huì)向太陽(yáng)電池的表面聚集，形成由邊框向太陽(yáng)電池表面移動(dòng)的漏電流通道；且外加電場(chǎng)(PID測(cè)試的外加電場(chǎng))會(huì)加速玻璃中Na+等金屬離子的遷移與富集，腐蝕柵線，從而破壞太陽(yáng)電池表面致密的SiNx層，影響 p-n 結(jié)的正常工作，最終導(dǎo)致光伏組件失效。

3 結(jié)論

本文根據(jù)EL測(cè)試結(jié)果對(duì)DH失效光伏組件和PID失效光伏組件進(jìn)行了破拆，分別選取了EL圖像正常區(qū)域和異常區(qū)域的太陽(yáng)電池作為樣品，對(duì)樣品進(jìn)行了SEM-EDS測(cè)試，并進(jìn)行了微觀分析對(duì)比研究。結(jié)果表明，DH測(cè)試與PID測(cè)試后光伏組件的失效機(jī)理均與高溫、高濕環(huán)境使玻璃中的金屬離子向太陽(yáng)電池遷移有關(guān)。高溫、高濕環(huán)境會(huì)導(dǎo)致玻璃中Na+等金屬離子向太陽(yáng)電池表面聚集，形成漏電流通道，PID測(cè)試的外加電場(chǎng)會(huì)加速Na+等金屬離子的遷移與富集，腐蝕柵線，破壞太陽(yáng)電池表面致密的SiNx層，影響p-n 結(jié)的正常工作，最終導(dǎo)致了太陽(yáng)電池的EL圖像發(fā)暗及光伏組件失效。