張文馨，孫亞斌，李宇巖

(陶氏化學(xué)(中國(guó))投資有限公司，上海 200012)

0 引言

2005年，Swanson等[1]首次報(bào)道了美國(guó)SunPower公司生產(chǎn)的n型IBC光伏組件在戶外使用過(guò)程中出現(xiàn)顯著的輸出功率衰減是由高電勢(shì)引起的，之后行業(yè)內(nèi)和學(xué)術(shù)界對(duì)光伏組件的電勢(shì)誘導(dǎo)衰減(PID)現(xiàn)象給予了高度重視[2]。近年來(lái)，隨著p型PERC雙面光伏組件市場(chǎng)份額的逐步擴(kuò)大，越來(lái)越多的研究聚焦于該類光伏組件的PID機(jī)理方面[3-5]。研究者普遍認(rèn)為p型PERC雙面光伏組件在電勢(shì)誘導(dǎo)下會(huì)存在2種PID機(jī)理：

1)因光伏組件的正面發(fā)射極存在分流而引起的輸出功率衰減(即PID-s)。光伏用鈉鈣玻璃中的正離子(主要是Na+)作為雜質(zhì)粒子在電勢(shì)誘導(dǎo)下可以穿過(guò)封裝材料進(jìn)入p型太陽(yáng)電池的正面發(fā)射極，造成其局部分流，從而引起PID-s[6]。

2)因光伏組件背面的減反射/鈍化層極化引起的輸出功率衰減(即PID-p)。PID-p最先被美國(guó)SunPower公司發(fā)現(xiàn)，其認(rèn)為，低電導(dǎo)率的減反射/鈍化層妨礙了漏電流的自由流動(dòng)，從而導(dǎo)致電荷在減反射/鈍化層累積，然后會(huì)吸引少數(shù)載流子到達(dá)太陽(yáng)電池表面，從而導(dǎo)致表面復(fù)合的增加，最終造成光伏組件輸出功率衰減[1-3,7]。新加坡太陽(yáng)能研究所(SERIS) 的研究人員認(rèn)為，來(lái)自雙面雙玻光伏組件背面玻璃和太陽(yáng)電池鈍化層的雜質(zhì)正離子，比如Na+，在電勢(shì)驅(qū)使下進(jìn)入AlOx/SiNx鈍化層后破壞了AlOx層的場(chǎng)鈍化效應(yīng)；而且隨著越來(lái)越多的正離子(比如Na+)在AlOx/SiNx鈍化層堆積，會(huì)造成太陽(yáng)電池表面復(fù)合增加，從而進(jìn)一步促使光伏組件輸出功率衰減[4]。

p型PERC雙面光伏組件的PID機(jī)理如圖1所示。

圖1 p型PERC雙面光伏組件的PID機(jī)理[3]Fig. 1 PID mechanism of p-PERC bifacial PV module[3]

雖然光伏組件在實(shí)際使用過(guò)程中會(huì)同時(shí)受到光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓、工作溫度、環(huán)境濕度和光照的影響，但行業(yè)內(nèi)對(duì)晶體硅光伏組件的PID測(cè)試一般都是參考IEC TS 62804-1: 2015，即在高溫高濕環(huán)境箱中以在光伏組件兩端施加高電壓的方式進(jìn)行測(cè)試，并未考慮光照對(duì)PID的影響。而學(xué)術(shù)界一直都有關(guān)于光照對(duì)光伏組件PID影響的研究，比如：Hacke 等[7]發(fā)現(xiàn)紫外光(波長(zhǎng)為315～400 nm，輻照度為5 W/m2)可以阻止或減緩PID-s和PID-p的進(jìn)程；Luo 等[8]則發(fā)現(xiàn)，2類晶體硅光伏組件的PID-p對(duì)光照的響應(yīng)大不相同。因此，忽視光照對(duì)PID的影響會(huì)導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中對(duì)光伏組件的PID表現(xiàn)做出錯(cuò)誤的預(yù)判和解讀。因此，IEC 61215: 2021系列標(biāo)準(zhǔn)中不僅合并了IEC TS 62804-1: 2015中的PID測(cè)試序列，還增加了對(duì)光伏組件進(jìn)行光照恢復(fù)處理的測(cè)試環(huán)節(jié)，即PID測(cè)試之后可選擇進(jìn)行光照恢復(fù)測(cè)試(環(huán)境箱溫度為 40℃，使用CCC級(jí)或以上級(jí)別的光源、輻照量為2 kWh/m2)。但針對(duì)PID測(cè)試，IEC 61215: 2021系列標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試序列與文獻(xiàn)[7-8]中所用的PID測(cè)試與光照恢復(fù)處理同步進(jìn)行的測(cè)試方法不同。

由于工業(yè)界針對(duì)緩解PID-s的措施已較為成熟，比如：適當(dāng)提高SiNx層的折射率，增加SiO2層[1,9-10]。并且因?yàn)椴煌谝酝夥M件的全鋁背場(chǎng)，鋁柵線的背鈍化工藝使p型PERC雙面太陽(yáng)電池的背面對(duì)PID更為敏感，因此，目前針對(duì)p型PERC雙面光伏組件PID的研究熱點(diǎn)大部分聚焦在其背面。基于此，本文采用IEC 61215: 2021系列標(biāo)準(zhǔn)中包含了光照恢復(fù)測(cè)試的測(cè)試序列，探討光照恢復(fù)處理對(duì)采用不同封裝材料的p型PERC雙面光伏組件背面PID的影響。

1 實(shí)驗(yàn)樣品的制備

本文使用由2個(gè)廠家生產(chǎn)的2種p型PERC雙面太陽(yáng)電池，均為有代表性的常見的市售產(chǎn)品，分別記為太陽(yáng)電池A和太陽(yáng)電池B。作為光伏組件封裝材料的EVA膠膜和POE膠膜均來(lái)自有代表性的膠膜生產(chǎn)商，其中，EVA膠膜為采用光伏級(jí)別粒子原料和常見高透配方制備的市售產(chǎn)品；POE膠膜以陶氏化學(xué)(中國(guó))投資有限公司生產(chǎn)的高體積電阻率的ENGAGETMPV POE為原料。

將上述太陽(yáng)電池和膠膜按以下步驟進(jìn)行層壓：1)用去離子水清洗光伏超白玻璃(尺寸為10.16 cm×15.24 cm)并烘干；2)膠膜裁成適合玻璃大小的尺寸；3)按照前板玻璃、膠膜、太陽(yáng)電池、膠膜、后板玻璃的次序疊在一起后放入P ENERGY L036型真空層壓機(jī)；4)在150 ℃下層壓20 min，包括4 min的抽真空/預(yù)熱和16 min的加熱層壓。層壓結(jié)束后得到2種采用不同封裝材料的p型PERC雙面光伏組件，用于后續(xù)的PID測(cè)試。每種光伏組件樣品制備3塊，測(cè)試后取3塊光伏組件數(shù)據(jù)的平均值。

2 體積電阻率測(cè)試的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

測(cè)試方法參考ASTM D257—2007，使用型號(hào)為Keithley 6517B的高阻儀搭配8009測(cè)試箱測(cè)試在不同測(cè)試溫度(25、60 ℃)下封裝材料的體積電阻率，8009測(cè)試箱可以放置在烘箱中；采用型號(hào)為ZC36的楊高高阻儀搭配型號(hào)為YG87-2的溫控箱測(cè)試85 ℃時(shí)封裝材料的體積電阻率。測(cè)試在1000 V外加電壓下進(jìn)行，體積電阻率測(cè)試設(shè)備給出的漏電流數(shù)據(jù)在加壓10 min后讀取。

封裝材料的體積電阻率ρ的計(jì)算式為：

封裝材料的式中：V為外加電壓，V；A為電極接觸面積，cm2；I為漏電流，A；t為封裝材料的厚度，即膠膜的厚度，cm。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

不同測(cè)試溫度(25、60、85 ℃)下EVA膠膜和POE膠膜的體積電阻率測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同測(cè)試溫度下POE膠膜和EVA膠膜的 體積電阻率測(cè)試結(jié)果Fig. 2 Volume resistivity test results of POE film and EVA film at different test temperatures

由圖2可知，隨著測(cè)試溫度的升高，EVA 膠膜的體積電阻率下降非常迅速，測(cè)試溫度為85 ℃時(shí)其體積電阻率已降至1013Ω·cm左右，而此溫度下POE膠膜的體積電阻率還保持在1015Ω·cm以上。這是因?yàn)镻OE膠膜的原料為ENGAGE? PV POE，使其體積電阻率比EVA膠膜的高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。這2種膠膜的體積電阻率差異可反映采用二者作為封裝材料時(shí)光伏組件的抗PID性能存在的差異。

3 PID、光照恢復(fù)及電致發(fā)光(EL)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

PID測(cè)試流程參考IEC 61215: 2021系列標(biāo)準(zhǔn)。待測(cè)光伏組件邊緣包裹鋁膠帶，并在85 ℃、85% RH環(huán)境箱中分別加負(fù)偏壓(-1500 V)96、192和288 h。

將PID測(cè)試后的p型PERC雙面光伏組件放入型號(hào)為SUN0606T的穩(wěn)態(tài)光源實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行光照恢復(fù)測(cè)試，光伏組件背面朝向光源。為了進(jìn)一步探究光源功率大小對(duì)光伏組件背面抗PID性能的影響，本實(shí)驗(yàn)使用了2種不同功率(300和1000 W)的光源進(jìn)行光照恢復(fù)處理，光照恢復(fù)處理時(shí)的總輻照量控制在2 kWh/m2。

由型號(hào)為Burger PS8的太陽(yáng)模擬器分別記錄光伏組件初始狀態(tài)、PID測(cè)試后及光照恢復(fù)處理后的I-V特性；由型號(hào)為SOLAR AD-EQ22的高分辨率相機(jī)拍攝不同測(cè)試后光伏組件的EL圖像。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

將太陽(yáng)電池A和太陽(yáng)電池B分別由EVA膠膜和POE膠膜封裝后制成光伏組件，測(cè)試光伏組件初始狀態(tài)時(shí)的輸出功率，然后測(cè)試并計(jì)算得到PID測(cè)試96 h后及光照恢復(fù)處理后光伏組件的輸出功率衰減率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 PID測(cè)試96 h后和光照恢復(fù)處理后 光伏組件的輸出功率衰減率Fig. 3 Output power degradation of PV modules after 96 h PID test and after illumination recovery treatment

從圖3可以看出，在PID測(cè)試96 h后，所有由POE膠膜封裝的光伏組件的輸出功率衰減率均較低，相對(duì)而言，所有由EVA膠膜封裝的光伏組件的輸出功率衰減率均較高。這種因封裝材料不同而引起的光伏組件背面抗PID性能差異可以結(jié)合圖1的PID機(jī)理及圖4的分壓器模型來(lái)解釋[11]。圖中：Rp、Rg、分別為膠膜、玻璃、SiNx層的電阻；ρg、ρp、分別為玻璃、膠膜和SiNx層的體積電阻率；為SiNx層的電壓。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，圖4的分壓器模型是把光伏組件漏電流的通道看成了3個(gè)歐姆電阻器串聯(lián)，這3個(gè)歐姆電阻器分別代表玻璃、膠膜和SiNx層。根據(jù)圖1的PID機(jī)理，是推動(dòng)PID進(jìn)程的重要驅(qū)動(dòng)力，而降低就可以有效降低光伏組件的PID風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 模擬光伏組件的分壓器模型 [11]Fig. 4 Voltage divider model for simulating PV modules [11]

分壓器模型的分壓計(jì)算公式可表示為：

式中：Vext為分壓器的總電壓。

由于體積電阻率與電阻呈正相關(guān)，因此，結(jié)合式(2)可知，提高ρp有助于提高Rp，從而有效降低。

盡管圖3中在PID測(cè)試96 h后由EVA膠膜封裝的光伏組件的輸出功率衰減明顯，但是經(jīng)過(guò)光照恢復(fù)處理后，光伏組件的輸出功率得到了恢復(fù)，并且光源功率為1000 W時(shí)的輸出功率恢復(fù)效果比光源功率為300 W時(shí)的更佳。這是因?yàn)楣夥M件被認(rèn)為可在光照和偏壓共同作用下恢復(fù)其輸出功率。也有關(guān)于光照和偏壓共同作用對(duì)PID-p影響的研究。美國(guó)Sunpower公司認(rèn)為，紫外光可以離子化SiNx層的電子，并有效導(dǎo)出在該層累積的電荷，從而降低SiNx層分壓[12]。Luo等[8]發(fā)現(xiàn)：對(duì)于p型PERC雙面太陽(yáng)電池而言，較低的輻照量就可有效阻止PID-p；并且高能光子可以激發(fā)產(chǎn)生移動(dòng)載流子，載流子可以中和減反射/鈍化層累積的電荷，從而有效降低PID-p。文獻(xiàn)[11]中提到的PID-p的光照恢復(fù)機(jī)理如圖5所示。

圖5 p型PERC雙面光伏組件的PID-p光照恢復(fù)機(jī)理 Fig. 5 PID-p recovery mechanism under illumination of p-PERC bifacial PV module

雖然PID測(cè)試96 h是IEC標(biāo)準(zhǔn)中推薦的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)，但為了進(jìn)一步驗(yàn)證和保障光伏組件的長(zhǎng)期可靠性，工業(yè)界一般使用加嚴(yán)測(cè)試，即PID測(cè)試時(shí)的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)取192 h或288 h，更有甚者會(huì)取1000 h。本文對(duì)太陽(yáng)電池A和太陽(yáng)電池B分別與EVA膠膜和POE膠膜封裝后制成的光伏組件也進(jìn)行了192、288 h的PID測(cè)試，然后進(jìn)行了光照恢復(fù)處理。以光伏組件初始狀態(tài)時(shí)的輸出功率為基準(zhǔn)，分別測(cè)試并計(jì)算得到PID測(cè)試192、288 h后及不同光源功率下光照恢復(fù)處理后光伏組件的輸出功率衰減率，具體如圖6所示。

圖6 不同PID測(cè)試時(shí)長(zhǎng)及不同光源功率下光照恢復(fù)處理后光伏組件的輸出功率衰減率Fig. 6 Output power degradation of PV modules after illumination recovery treatment under different PID test durations and different powers of light source

對(duì)比圖3和圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著PID測(cè)試時(shí)長(zhǎng)的增加，采用POE膠膜的光伏組件的輸出功率衰減率變化不大(小于2%)，而采用EVA膠膜的光伏組件的輸出功率衰減率變化明顯。不同于圖3中的結(jié)果，圖6中PID測(cè)試192、288 h后，采用EVA膠膜的光伏組件背面在經(jīng)過(guò)光照恢復(fù)處理后，光伏組件的輸出功率恢復(fù)情況明顯變差，尤其是PID測(cè)試288 h后，即便經(jīng)過(guò)光照恢復(fù)處理，采用EVA膠膜的光伏組件的輸出功率衰減率也都超過(guò)了8%。另外還可以看出，采用同種膠膜、不同太陽(yáng)電池制成的光伏組件的抗PID性能也稍有差別，這應(yīng)該是與太陽(yáng)電池鈍化層的成分和工藝不同有關(guān)。

一些研究者通過(guò)分析圖5的PID-p光照恢復(fù)機(jī)理后認(rèn)為：p型PERC雙面光伏組件背面的PID現(xiàn)象完全可以由光照恢復(fù)處理來(lái)恢復(fù)。但從圖6中采用EVA膠膜的p型PERC雙面光伏組件背面在進(jìn)行光照恢復(fù)處理后光伏組件的輸出功率衰減率恢復(fù)情況來(lái)看，其背面除發(fā)生了PID-p之外，應(yīng)該還存在其他的PID機(jī)理。有些研究者報(bào)道過(guò)電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致的光伏組件輸出功率衰減(即PID-c)。此種衰減是由太陽(yáng)電池鈍化層下面硅基體的電化學(xué)腐蝕引起的衰減。電化學(xué)腐蝕在很多場(chǎng)景下均被發(fā)現(xiàn)過(guò)，關(guān)于其成因，有些學(xué)者認(rèn)為是在光伏組件的生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中存在有害的或腐蝕性的副產(chǎn)物，特別是酸性物質(zhì)(比如EVA膠膜降解產(chǎn)生的醋酸，或背板里粘結(jié)層中的丙烯酸、馬來(lái)酸)等引起的腐蝕。這些腐蝕性化學(xué)成分可以與太陽(yáng)電池上的金屬柵線和電極發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致光伏組件出現(xiàn)永久性的輸出功率衰減。而電勢(shì)誘導(dǎo)不僅可以在酸濃度非常低的條件下觸發(fā)電化學(xué)腐蝕，而且可以加速電化學(xué)腐蝕進(jìn)程[13-14]。也有學(xué)者認(rèn)為光伏組件中的陽(yáng)離子雜質(zhì)可以在電勢(shì)下穿過(guò)封裝膠膜，在Si/AlOx間形成氧化層，從而導(dǎo)致太陽(yáng)電池產(chǎn)生鈍化缺陷，引起不可逆的光伏組件輸出功率衰減[15]。

PID-p和PID-c也會(huì)對(duì)光伏組件的I-V特性產(chǎn)生影響。根據(jù)Luo等[4]的研究，PID-p 一般會(huì)導(dǎo)致光伏組件的短路電流Isc和開路電壓Voc降低，而填充因子FF只會(huì)受到很小的影響；研究結(jié)果還指出，對(duì)于大尺寸光伏組件，F(xiàn)F的降低通常是由同塊光伏組件上不同太陽(yáng)電池的失配引起的。將太陽(yáng)電池A和太陽(yáng)電池B均采用EVA膠膜封裝制成2種光伏組件后，對(duì)這2種光伏組件在PID測(cè)試96、192 h后進(jìn)行光照恢復(fù)處理(光源功率為1000 W)，然后測(cè)試2種光伏組件的I-V曲線，具體如圖7所示。

圖7 不同PID測(cè)試時(shí)長(zhǎng)及光照恢復(fù)處理后 2種光伏組件的I-V曲線Fig. 7 I-V curver of two kinds of PV modules after different PID test durations and illumination recovery treatment

從圖7中可以看出，相較于初始狀態(tài)，PID測(cè)試96 h后，所有采用EVA膠膜的光伏組件的Isc和Voc均有一定程度的下降，但是FF最高僅下降了0.62%，基本不受影響；而在光照恢復(fù)處理后，Isc和Voc均得到了恢復(fù)；PID測(cè)試96 h后的光伏組件再進(jìn)行光照恢復(fù)處理后的I-V曲線特性符合PID-p的特征。然而，當(dāng)PID測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)到192 h后，F(xiàn)F最高降低了4.54%，下降明顯，而且在后續(xù)的光照恢復(fù)處理后也未完全恢復(fù)，從圖7b中可以明顯分辨出I-V曲線的可恢復(fù)和不可恢復(fù)部分。一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)F的降低都與太陽(yáng)電池上的金屬化部分，比如焊帶、柵線等的腐蝕有關(guān)[16]。PID測(cè)試192 h后FF出現(xiàn)了明顯下降，其降低意味著隨著PID測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，PID-c逐漸開始在光伏組件輸出功率衰減中表現(xiàn)得越來(lái)越突出，且由PID-c引起的光伏組件輸出功率衰減是永久性且不可恢復(fù)的。

將太陽(yáng)電池A分別采用EVA膠膜和POE膠膜封裝制成2種光伏組件，然后測(cè)試2種光伏組件在不同測(cè)試階段的EL圖像，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 2種光伏組件在不同測(cè)試階段的EL圖像Table 1 EL images of two kinds of PV modules at different test stages

從表1中可以看出，在PID測(cè)試192 h后，采用EVA膠膜的光伏組件的EL圖像不僅整體變暗，而且出現(xiàn)了腐蝕性的黑色色斑。在光照恢復(fù)處理后，由于PID-p得到了恢復(fù)，光伏組件的亮度得到了提高，但黑斑仍然存在，這也證實(shí)了腐蝕類缺陷造成的PID-c具有不可逆性。

4 結(jié)論

本文根據(jù)IEC 61215: 2021系列標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試序列，對(duì)p型PERC雙面光伏組件進(jìn)行PID測(cè)試后，再對(duì)光伏組件背面進(jìn)行光照恢復(fù)處理，用于觀察采用POE膠膜和EVA膠膜作為封裝材料對(duì)光伏組件輸出功率衰減的影響。測(cè)試結(jié)果顯示：

1)使用高體積電阻率ENGAGETMPV POE為原料生產(chǎn)的POE膠膜作為光伏組件封裝材料時(shí)，在PID測(cè)試288 h后，光伏組件的PID仍然非常有限(小于2%)。

2) 采用EVA膠膜封裝的光伏組件在PID測(cè)試96 h后的I-V特性符合PID-p機(jī)理，但在經(jīng)過(guò)光照恢復(fù)處理后，其輸出功率衰減率得到了較大程度的恢復(fù)。當(dāng)PID測(cè)試時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)至192、288 h后，采用EVA膠膜封裝的光伏組件的輸出功率持續(xù)衰減，直至超過(guò)10%，其I-V曲線不再單純呈現(xiàn)PID-p特征，F(xiàn)F出現(xiàn)明顯下降；而且在后續(xù)的光照恢復(fù)處理后，其輸出功率衰減率只得到較小程度的恢復(fù)；此外，這類光伏組件的EL圖像中出現(xiàn)了腐蝕性黑斑，印證了PID-c機(jī)理的存在。采用EVA膠膜封裝的光伏組件在PID測(cè)試過(guò)程中，隨著測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，PID-c會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，而PID-c引起的輸出功率衰減是永久性的，不能依靠光照恢復(fù)處理來(lái)恢復(fù)。

本研究證明了雖然IEC 61215: 2021系列標(biāo)準(zhǔn)中的PID測(cè)試序列增加了光照恢復(fù)處理的步驟，但仍不能改變EVA材料的特性，采用EVA膠膜封裝的光伏組件仍然會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的因電化學(xué)腐蝕引起的永久性輸出功率衰減。