双面电池组件PID失效问题-姜倩

www.spic.com.cn 双面电池组件 PID失效问题分析 国家电投集团西安太阳能电力有限公司 姜 倩 Company Logo PID问题解决方案 PID影响因素 双面组件 PID失效分析 公司简介 目 录 公司简介 国家电投集团西安太阳能电力有限公司是黄河 上游水电开发有限责任公司的全资子公司，是国家 电力投资集团的三级单位。成立于 2009年 3月，经 营太阳能光伏硅片、电池、组件及配套产品的开发、 制造、销售和太阳能光伏电站工程设计及技术咨询、 技术服务。 依托黄河公司优势，太阳能公司积极与光伏产 业链上下游保持战略协同发展。 目前西安、西宁两地已形成 8000万片单晶硅 片、 800MW电池（ 400兆瓦 PERC高效电池）及 400MW组件的产能规模。 运营西安厂区 1MWp“金太阳工程” 分布式 电站和西宁厂区 810KWp分布式电站。 公司简介 P型 N型电池工艺 PERC是利用 SiNx或 Al2O3在电池背面形成钝化层，作为背反射层，增加长波光的吸收， 同时将 P-N极间的电势差最大化，降低电子复合，提升转化效率。 PERT 是钝化发射极背表面全扩散，背面浅磷扩散形成后表面场（ BSF），正面硼扩散形 成 PN结 ,前表面 Al2O3形成钝化层，双面镀 SiNx减反钝化层，增加光的吸收。 Company Logo PID问题解决方案 PID影响因素 双面组件 PID失效分析 公司简介 目 录 PID 测试 ：潜在电势诱导衰减 （ potential Induced Degradation)。 极化、电解腐蚀和电化学腐蚀。 组件长期在高电压工作，在盖板 玻璃、封装材料、边框之间存在 漏电流，大量电荷聚集在电池片 表面，使得电池片表面的钝化效 果恶化，导致填充因子、短路电 流、开路电压降低，使组件性能 低于设计标准。 PID测试目的：验证组件经受高 强度电压性能变化的能力 。 标准 IEC TS 62804-1： 2015 Method ： (a): 环境箱测试，模拟边框接地 (b): 导电薄膜覆盖模拟测试 备注：负偏压 连接：组件两 端子短接后接电源负极， 边框接电源正极 双面组件 PID失效分析  PID测试 双面组件 PID失效分析 太阳能电池内 p-n结分流 ， 如果通过电池片的电压为负压 , 边框正偏压 , 既光伏组件在受到负偏压时 ， 则漏 电阳极离子流入电池片 , 半导体内出现了杂质 ， 这些杂质会形成电池内部的导电通道 ， 降低电池的并联电阻 。 FIRST 组件的边缘部分容易有水气进入 ， EVA发生水解后会生成醋酸 ， 醋酸和玻璃中的 Na+， 可以生成大量的自由 移动的 Na+， 玻璃表面的钠离子会通过封装材料迁移至电池表面 ， 会与电池片表面的银栅线发生电腐蚀反应 ， 从而腐蚀电池栅线 ， 导致填充低 、 串联电阻高 ， 组件性能衰减 ， 此类衰减不可恢复 。 POE属于非极性分子为 饱和键不易水解且水汽透过率低 ， 体积电阻率大 ， 很大程度上可以阻隔正电荷离子 （ 比如 Na+） 向电池片表 面迁移速率 ， 在一定程度上降低 PID现象 。 SECOND 指组件长期在高电压工作 ， 在盖板玻璃 、 封装材料 、 边框之间存在漏电流 ， 大量电荷聚集在电池片形成了 与钝化场相反的电场 ， 使得电池片表面的钝化效果恶化 ， 此类极化效应导致填充因子 、 短路电流 、 开路电 压降低 ， 使组件性能低于设计标准 ， 但此衰减是可逆的 。 THIRD  PID衰减三种模式 双面组件（ N-PERT） PID测试前照片 双面组件（ N-PERT） PID测试后照片 PID测试后 外 圈与 测试前 对比 明显 发黑 ， 原因在于电压加在边框上 ， 越靠近边框电 池受到的电势越大 ， PID会越严重 。 双面组件 PID失效分析  PID失效 EL特征  在偏压下金属边框对电池片形成的强电场的分布和大小 双面组件 PID失效分析 越靠近边框，电场强度越高，电势越大。 N-PERT负偏压 PID测试数据 N-PERT正偏压 PID测试数据 双面组件 PID失效分析  N-PERT测试数据对比 从 N-PERT双面组件测试数据来看，负偏压衰减大于正偏压 ,正偏压下衰减＜ 0.5%，负偏 压下背面衰减＜ 5% ，正面有＞ 5%的情况 。 Company Logo www.themegallery.com N-PERT组件在正偏压的 条件下，衰减明显低于负 偏压的情况。 原因：此时电池片的电压 为正偏压，边框负偏压， 在电势差的影响下，阳极 离子流出电池片 , 在 p-n结 附近没有形成漏电通道， 同时玻璃中析出的 Na+离 子向低电势端移动，阻隔 了向电池片表面富集。 测试结果讨论 N-PERT组件在负偏压的 条件下，正面的衰减大于 5%且明显高于背面的衰 减，对比 96h和 192h， 96h明显小于 192h的衰 减。说明组件在高温高湿、 负偏压下随着时间的累积 封装材料对电池片的保护 作用会减弱。 双面组件 PID失效分析  N-PERT测试结果讨论 P-PERC负偏压 PID测试数据 P-PERC正偏压 PID测试数据 从 P-PERC双面组件测试数据来看，负偏压衰减大于正偏压，这点和 N-PERT表现相同。 同时也证实 PID的失效主要发生在负偏压的情况下， PID的失效风险主要在背 面。 双面组件 PID失效分析  PERC测试数据对比 N-PERT电池片正面为场钝化 ， Al2O3具有较高负电荷密度 ， 可以通过屏蔽电子提高载流子效率 ， 但由于负 偏压下正面富集的阳离子形成了由 P→N 的电场方向 ， 减弱了原场钝化效果 ， 而背面为 SiO2化学钝化 ， 其中 含有高密度的固定正电荷 ， 对阳离子有一定的排斥作用 ， 会减弱一部分阳离子的富集 ， 对钝化的效果影响 较小 。 双面 PERC电池片正面为化学钝化 ， 其氮化硅中含有高密度的固定正电荷 ， 减弱阳离子的富集；但是背面为 场钝化 ， 其 Al2O3/Si接触面具有较高固定负电荷密度 ， 背面阳离子的富集 ， 形成了 P+→ P场效应 ， 减弱了原 场钝化效果 。 双面组件 PID失效分析  双面组件 PID正背面差异 P型背面衰减大于正面 N型正面衰减大于背面 PID的失效主要发生在负偏压的情况下 ， 与电池片的类型无关 ， 衰减程度与电池 P型和 N型正电极面有关 ， 且从实测数据可以证实电荷聚集破坏主要是在正极面 ， 也就是 N型的正面或 P型的背面 。 破坏途径是漏电阳 极离子流入电池片内部作为杂质形成电池内部的漏电通道 ， 封装材料间存在漏电流 ， 大量正电荷聚集在 N型 电池片正面 P型的背面 ， 使得电池片正面的钝化效果恶化 ， 导致组件性能衰减 。 双面组件 PID失效分析 N/P型 PID失效原因 N/P型 PID原理 差异  PID失效原因总结 N型衰减风险在正面 ， P型衰减风险在背面 ， 由于 P、 N电池的 PN结都在上表面 ， N型因漏电阳离子聚集形成 的削弱场离 PN结更近 ， 载流子受到的影响更大 ， PID问题更突出 。 样品类型 正面衰减 背面衰减 施加电压 正面衰减 背面衰减 施加电压 P-PERC双玻 0.33 0.44 1500 0.9 1.1 -1500 N-PERT双玻 0.12 0.25 1500 8.07 3.1 -1500 P-PERC透明背板 (EVA) 0.3 0.02 1500 1.52 1.84 -1500 P-PERC透明背板 (EVA+POE) 1.07 1.36 1500 0.97 0.76 -1500 不同类型组件 PID测试数据对比 对比双面双玻 N-PERT与 P-PERC双面组件测试数据 ， 双玻封装 N-PERT比 P-PERC明显衰减高 . 证实了 N型正面 P→ N的削弱钝化场离 PN结更近 ， 影响更大 。 作为解决 PID问题的透明背板材料搭配 EVA比常规衰减高 ， 只有搭配 POE衰减水平才相对理想 。 由于 N型主要风险在正面 ， 采用透明背板并不能解决 PID问题 ， 反而透明背板水透高 ， 漏电阳离子进入深度会 更深 ， 表面复合会增多 。 双面组件 PID失效分析  不同类型组件及材料封装数据对比 Company Logo PID问题解决方案 PID影响因素 双面组件 PID失效分析 公司简介 目 录 Company Logo www.themegallery.com 折射率 减反膜折射率大 SiN4致密性强， 对离子的阻隔能 力强，抗 PID性 能上升 电阻率 晶体基材电阻率： N型硅片的电阻率 比 P型范围宽，电 阻率较小的电池 片中存在较强的 PID现象， 电池类型 电池片 P型和 N型 的正负电极方向 差异， N型 PN结 离正电极近，在 负片压的情况下， N型钝化效果影 响更大。 PID影响因素  电池片的差异 对于背板而言 ， 外层的氟膜为 PVF透明薄膜 ， 为氟与碳的共聚物 ， 比任何聚合物具有更大的化学结合力和 结构稳定性 ， 中间层为 PET， 虽然易水解 ， 但是水解的产物为对苯二甲酸与醇类物质 ， 对苯二甲酸难溶于 水 ， 较难电离出带正电荷的离子 。 相对于钠钙玻璃 PID现象会减弱 。 优势 劣势 由于透明背板中的氟膜没有钛白粉的添加 ， 其阻隔紫外线的能力可能会受到影响 ， 失去氟膜的保护 PET层 容易断裂发黄 ， 水汽透过率将增大 。 使用红外法测试透明背板的水汽透过率为 1.95g/㎡.天 ， 而玻璃的水汽透过率几乎为零 ， 相比之下 ， 通过背板 进入电池片正面的水汽就较难扩散出去其正面的 PID现象会略有升高 ， 根据实验数据来看上下层搭配 EVA的 升高趋势更明显 。 PID影响因素  透明背板影响 对比 样品信息 1） P-PERC 单玻 +透明背板 (TPT)+POE 2） N-PERT 单玻 +透明背板 (TPT)+POE 3） P-PERC 双玻 + POE 不同电池及不同封装材料做 48小时 HAST老化实验，对比前后功率衰减。  透明背板与双玻封装抗湿热差异 PID影响因素 4.24% 1.46% -0.56% -2.94% 0.29% -3.96% -5.00% -4.00% -3.00% -2.00% -1.00% 0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% HAST老化测试后衰减率 从上述数据可以看出： P型透明背板在高温高湿老化测试后比 N型衰减高 ， P型透明背板对比 P双玻衰减较高 , 主要是因为透明背板水汽透过率高 。 PID影响因素分析  透明背板与双玻封装抗湿热差异 Company Logo PID问题解决方案 PID影响因素 双面组件 PID失效分析 公司简介 目 录 制定实 施计划 1 2 3 4 电池减反膜折射率 影响 组件的抗 PID性能，通过优化电池表面的钝 化层， SiN4的致密性 ， 在保证效率 的前提下，制备更致密的保护层。 有利于 PID性能的提升。 电池片的影响 环境方面 的影响 组件封装材 料的影响 逆变器的影响 PID问题解决方案  PID预防和解决 框架图 制定实 施计划 PID问题解决方案  PID预防和解决 框架图 2 3 4 减少漏电流的通道，选用含钠离子少的 玻璃，也可以选择透明背板，阻隔性高 的 POE，密封性优的胶等是防止 PID发生 的途径。透明背板主要是对 P-PERC 组件 PID问题解决， N型 PN结在正面。 N型 的 PN结区域受影响程度大， N型的解决 主要依靠于封装材料的保护，高阻隔能 力的 POE是有效解决方法之一。 电池片的影响 环境方面 的影响 组件封装材 料的影响 逆变器的影响 1 制定实 施计划 PID问题解决方案  PID预防和解决 框架图 3 4 逆变器负极输出端与组件都位于负偏压条件 下 ,组件与逆变器负极输出端的距离越小 , 效 应就越显著 ;若逆变器的正极输出端和组件 都是在正偏压的条件下 ,光伏组件位置不影 响 PID现象 ,且此时的 PID现象不明显。对于 系统原因造成的 PID现象 ,可以通过组件和逆 变器的负极输出端进行接地的方法来降低。 电池片的影响 环境方面 的影响 组件封装材 料的影响 逆变器的影响 1 2 制定实 施计划 PID问题解决方案  PID预防和解决 框架图 4 3 当环境温度增大时 ,会使得电池片中的反向 饱和电流急速升高 ,从而使得漏电流迅速变 大 ,PID现象加剧 ,即环境温度越高 ,PID现象 就更明显。透明背板虽可以作为解决 P- PERC双玻 PID的方法，但透明背板封装在 湿热条件下抗衰减能力比玻璃封装弱，建议 透明背板组件安装在湿热环境下时应加湿的 可靠性考量。 电池片的影响 环境方面 的影响 组件封装材 料的影响 逆变器的影响 1 2 国家电投集团西安太阳能电力有限公司 2018年 11月 8日