一篇文章讓你了解Topcon電池中的的PID效應(yīng)

更新時(shí)間：2023-09-12

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“雙碳"目標(biāo)為我國帶來能源領(lǐng)域的巨大變革，以光伏為表示的可再生能源逐漸成為實(shí)現(xiàn)我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化與“雙碳"目標(biāo)的主力軍。在此形勢下，具有更高效率極限（28.2%~28.7%）的隧穿氧化鈍化電池（tunnel oxide passivating contacts，TOPCon）成為了研究重點(diǎn)，其效率極限是較接近晶體硅太陽能電池理論極限效率（29.43%）的晶硅電池。

TOPCon電池是一種新型鈍化接觸太陽能電池，于2013年在第28屆歐洲PVSEC光伏大會上由德國Fraunhofer-ISE研究所提出。該電池在保留了鈍化發(fā)射極及背面接觸電池的正背面鈍化減反射膜及銀柵線結(jié)構(gòu)的同時(shí)基礎(chǔ)上，還在電池背表面引入了隧穿氧化層和磷摻雜多晶硅鈍化接觸結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。

TOPcon電池結(jié)構(gòu)示意圖

TOPCon電池的PID現(xiàn)象通常是指太陽能電池組件在被施以較高電壓后,其組件輸出功率會較快衰減。在實(shí)際運(yùn)行中,為了保證太陽能電池組件滿足對負(fù)載供電的要求,往往需要把單個(gè)組件通過串聯(lián)、并聯(lián)的方式組裝成太陽能電池陣列，如下圖所示。在這種具有高壓的太陽能電池陣列中,單塊光伏組件與地面之間容易產(chǎn)生較高的電勢差。在電勢差、溫度和濕度等因素的影響下,PID現(xiàn)象會導(dǎo)致TOPcon電池組件的輸出功率降低,從而影響整個(gè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的性能。

串聯(lián)太陽能電池示意圖

TOPcon電池中常見的PID機(jī)制包括以下三種機(jī)理：

漏電型PID(shunting-type PID, PID-s)

PID-s與負(fù)偏壓下太陽能電池內(nèi)部的鈉離子(Na+)漂移所誘導(dǎo)的pn結(jié)漏電現(xiàn)象有關(guān)。關(guān)于Na+的起源是比較明確的，Na+主要來源于鈉鈣玻璃蓋板。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，可觀測到晶體硅中的堆垛層錯(cuò)被Na+所污染。如下圖所示，可以看到在PID-s過程中,堆垛層錯(cuò)從SiNx/c-Si界面通過pn結(jié)延伸到硅基體中。

晶體硅太陽能電池中的堆垛層錯(cuò)圖

(a)亮場下的TEM照片，表示單個(gè)PID-s的堆垛層錯(cuò)，插圖表示c-Si中堆垛層錯(cuò)下部Na元素的EDX圖像

(b) ~ (d)STEM模式下SiNx/c-Si界面處Na、O、N元素的EDX圖像

極化型PID(polarization-type PID,PID-p)

發(fā)生PID-p現(xiàn)象時(shí),太陽能電池的電學(xué)性能上主要表現(xiàn)為短路電流密度(Jsc)和開路電壓(Voc)的衰減。目前大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為PID-p是太陽能電池減反射層和鈍化層中電荷積累導(dǎo)致了極化效應(yīng)破壞了晶體硅表面鈍化。

PID-p效應(yīng)的原理圖

腐蝕型PID(corrosion-type PID, PID-c)

PID-c主要是由介電層、透明導(dǎo)電氧化物薄膜或金屬接觸的電化學(xué)反應(yīng)而造成的腐蝕效應(yīng)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，PID-c損傷可由掃描電子顯微鏡觀測到。在高電壓下材料表面顯示出直徑約為2 μm的圓形損傷，圓形缺陷穿透后表面，如下所示。高分辨率二次電子（SE）圖像（圖b）揭示了表面的粗糙度。

(a) 在背面施加高壓應(yīng)力24小時(shí)、85℃后觀察孔洞。(b) 放大的頂視圖圖像，展示了鈍化層中此類孔的微孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

Fraunhofer CSP（弗勞恩霍夫硅光伏CSP中心）和Freiberg公司共同研究開發(fā)了一種測試來測量電池和模塊化組件對PID敏感性的儀器（PIDcon bifacial）。Fraunhofer CSP的科學(xué)家們現(xiàn)在使用這種測試儀器來驗(yàn)證多樣化的材料對PID敏感性,并能分別檢驗(yàn)出太陽能TOPCon電池中的上述三種PID機(jī)制。