一篇文章让你了解Topcon电池中的的PID效应

“双碳”目标为我国带来能源领域的巨大变革，以光伏为表示的可再生能源逐渐成为实现我国能源结构优化与“双碳”目标的主力军。在此形势下，具有更高效率极限（28.2%~28.7%）的隧穿氧化钝化电池（tunnel oxide passivating contacts，TOPCon）成为了研究重点，其效率极限是较接近晶体硅太阳能电池理论极限效率（29.43%）的晶硅电池。

TOPCon电池是一种新型钝化接触太阳能电池，于2013年在第28届欧洲PVSEC光伏大会上由德国Fraunhofer-ISE研究所提出。该电池在保留了钝化发射极及背面接触电池的正背面钝化减反射膜及银栅线结构的同时基础上，还在电池背表面引入了隧穿氧化层和磷掺杂多晶硅钝化接触结构，其结构如下图所示。                                               

TOPcon电池结构示意图

TOPCon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。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，如下图所示。在这种具有高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,PID现象会导致TOPcon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。

串联太阳能电池示意图

TOPcon电池中常见的PID机制包括以下三种机理：

漏电型PID(shunting-type PID, PID-s)

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。关于Na+的起源是比较明确的，Na+主要来源于钠钙玻璃盖板。根据文献报道，可观测到晶体硅中的堆垛层错被Na+所污染。如下图所示，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。

晶体硅太阳能电池中的堆垛层错图

(a)亮场下的TEM照片，表示单个PID-s的堆垛层错，插图表示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

极化型PID(polarization-type PID,PID-p) 

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。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。

PID-p效应的原理图

腐蚀型PID(corrosion-type PID, PID-c)

PID-c主要是由介电层、透明导电氧化物薄膜或金属接触的电化学反应而造成的腐蚀效应。根据文献报道，PID-c损伤可由扫描电子显微镜观测到。在高电压下材料表面显示出直径约为2 μm的圆形损伤，圆形缺陷穿透后表面，如下所示。高分辨率二次电子（SE）图像（图b）揭示了表面的粗糙度。

(a) 在背面施加高压应力24小时、85℃后观察孔洞。(b) 放大的顶视图图像，展示了钝化层中此类孔的微孔内部结构。

Fraunhofer CSP（弗劳恩霍夫硅光伏CSP中心）和Freiberg公司共同研究开发了一种测试来测量电池和模块化组件对PID敏感性的仪器（PIDcon bifacial）。Fraunhofer CSP的科学家们现在使用这种测试仪器来验证多样化的材料对PID敏感性,并能分别检验出太阳能TOPCon电池中的上述三种PID机制。

◇  符合IEC 62804-TS标准方法

◇  易于使用的台式设备

◇  够测量c-Si太阳能电池和微型模块

◇  无需气候室

◇  不需要电池层压

◇  测量速度：4小时(一般)

◇  可测量参数：分流电阻、功率损失、电导率、泄漏电流、湿度和温度

◇  可用于检测不同类型太阳能电池：TOPCon, HJT, PERC, AL-BSF, PERC+, 双面PERC, PERT, PERL 和IBC

◇  基于IP的系统允许在世界任何地方进行远程操作和技术支持