PERC电池LeTID衰减:会比PID造成更严重的衰减危机么?

  • 2018年11月21日
  • 作者: Selina Shi

    Selina Shi

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  • 翻译: Selina Shi

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在参观展会或拜访业内厂家时,我们常常会发现,那么多有责任心的PERC生产科学工作者竟从未听说过PERC设备可能会出现严重衰减,尤其是热辅助光致衰减(以下简称LeTID,又名电致衰减,简称CID),这令

在参观展会或拜访业内厂家时,我们常常会发现,那么多有责任心的PERC生产科学工作者竟从未听说过PERC设备可能会出现严重衰减,尤其是热辅助光致衰减(以下简称LeTID,又名电致衰减,简称CID),这令人感到惊讶。图片来源:韩华 Q Cells

PI Berlin对一种商用单晶PERC组件进行了为期六周的测试,用于评估组件参数对LeTID的影响。

PI Berlin对一种商用单晶PERC组件进行了为期六周的测试,用于评估组件参数对LeTID的影响。

PERC在LeTID中经历的三种重要衰减机制为1) LID, 2) HID 及3) 背部电介质去钝处理。图片来源:PI Berlin

PERC在LeTID中经历的三种重要衰减机制为1) LID, 2) HID 及3) 背部电介质去钝处理。图片来源:PI Berlin

下图3a和3b为不同部位的测试示例, 顶部是mc-Si PERC组件,底部是Cz-Si组件,如图所示,出现了严重衰减。图片来源:eternal sun

下图3a和3b为不同部位的测试示例, 顶部是mc-Si PERC组件,底部是Cz-Si组件,如图所示,出现了严重衰减。图片来源:eternal sun

Eternal sun的LeTID试验 (左) [12] 和Frauhofer CSP 的 mc-和 Cz-PERC组件LeTID试验 (右) [13]。在Fraunhofer CSP试验中,所有组件

Eternal sun的LeTID试验 (左) [12] 和Frauhofer CSP 的 mc-和 Cz-PERC组件LeTID试验 (右) [13]。在Fraunhofer CSP试验中,所有组件就LID而言都实现了稳定。右图所示的Pmpp下降未包含由于硼氧化合物形成而导致的衰减。图片来源:eternal sun

PERC衰减和可行解决方案小结。图片来源:Fraunhofer CSP

PERC衰减和可行解决方案小结。图片来源:Fraunhofer CSP

在参观展会或拜访业内厂家时,我们常常会发现,那么多有责任心的PERC生产技术人员竟从未听说过PERC组件可能会出现严重衰减,尤其是热辅助光致衰减(以下简称LeTID,又名电致衰减,简称CID),这令人感到惊讶。

太阳能光伏正在迅速成为全球成本最低的电力来源。平准化度电成本已达到约2ct/kWh。EDF/马斯达尔在沙特阿拉伯招标的一处项目的价格首次低于2USct/kWh[1]。

未来几年, 这一数字会降至约1USct/kWh及以下,从而令每个人都能够负担用电。这也是高效率低成本新技术所取得的成就,例如像用在水平单轴跟踪系统这种简单跟踪系统中的PERC、PERT和双面组件。
然而, 如今许多太阳能电池和组件生产商都在过苦日子。

由于产能过剩,亚洲生产商有可能经历第二次大危机。首次产能过剩问题出现在2011年,第二次下行可归因于现有生产线向PERC的升级。

2017年, 太阳能电池和组件产能约为125GW, 其中35GW是PERC技术。预计至2018年年底, 总产能将达到160-170GW, 其中60-70GW 为PERC[2]。

然而, 预计2018年的下游光伏需求将低于100GWp [3]。这意味着许多电池生产线或会处于闲置状态, 多个GW的组件也将堆放在仓库中。

正如前文所述, 需要研发创新型产品以进一步降低平准化度电成本。然而, 向PERC转型的进展是如此迅速,以至于许多PERC生产商都未能把重心放在产品质量上。

PERC是一项成熟的技术, 工艺相对简单, 因而持有成本也较低。2018年三月,隆基公司推出的无栅线金属接触设计PERC技术取得了23.6%的效率,创下纪录。这一纪录于2018年5月被晶科能源以23.95%的效率超越。

效率创下纪录固然可喜,但起决定作用的是批量生产转换效率以及工艺的长期稳定性。“硅基组件超级联盟”大型成员 (如韩华Q cells、晶澳太阳能、隆基、天合光能、晶科能源和阿特斯) 的平均转换效率均达到了21.5%-22%。与Al-BSF标准技术相比, 这是非常出色的记录。Al-BSF标准技术已占据市场数十年,而最佳平均效率几乎未超过20%。

在谈及衰减时, 我们不确定是否所有PERC生产商都了解设备可能会遭遇额外衰减效应的挑战。本篇博文介绍的就是这一方面的相关内容:

了解 PERC太阳电池的主导衰减机制

在参观展会或拜访业内厂家时,我们常常会发现,那么多有责任心的PERC生产科学工作者竟从未听说过PERC设备可能会出现严重衰减,尤其是热辅助光致衰减(以下简称LeTID,又名电致衰减,简称CID),这令人感到惊讶。

在“2018年第四届PERC太阳能电池和双面组件论坛” [4]大会上, LeTID也没有成为一个真正的议题。
在谈及LeTID时,通常听到的回复是这样的。

—“LeTID?没有,我们不存在LID问题,我们一直在稳定产品性能。”

更加了解情况的人会这样回答,“LeTID影响的仅仅是mc-Si PERC,但我们生产的是Cz-Si PERC。”
这些说法都是错的。即使人们是在mc-Si PERC电池上首次观察到LeTID现象,这也是会发生在Cz-Si PERC组件上的有害现象,会造成严重衰减。在LeTID加速衰减之后数周,有时功率衰减仍会超过10%。

因此, PI Berlin测试了许多市面上的PERC组件并进行了持续的测试。在经历了为期六周的加速衰减辐照后,大多数不同被测组件的 (截止目前约有10个) 功率衰减达到5%或更高—而衰减曲线似乎并未饱和。
此外, 在运行2-3年后,虽然许多PERC光伏系统仍然“还在那里”,但是组件衰减了近20%,这简直是一个悲剧。

图 1 (见下文) 为PI Berlin测出的典型衰减曲线。2018年6月[7],慕尼黑国际太阳能展举办的“组件测试”会议介绍了这一曲线。该会议是由PHOTON组织的LeTID和双面专题研讨会。

在75°C 、0.5A注入电流情况下,六周后这一市售Cz-Si PERC组件的功率相对衰减了5%,并且似乎仍在继续衰减。数个团体声称, nPERT设备也可能存在这类问题[8]。

我们目前正在进行BiSoN (nPERT) 、MoSoN (nPERT背结式)和ZEBRA (IBC)电池加速LeTID衰减试验,目前为止没有经历过如此严重的衰减问题。

PERC太阳能电池和组件中可能存在的衰减机制

PERC设备发生了什么?虽然人们认为已经了解了硼氧化合物的形成机制,甚至能控制这种效应,那么为什么PERC太阳能电池仍然会出现衰减?更加先进的设备的衰减机制变得更为复杂, 而简单Al-BSF(背场)电池的衰减机制也是如此。

这种现象不仅限于不同水平下的效率。在更复杂的设备结构中,衰减的可能性更大、更为明显。就PERC而言,背面电介质一方面提高了效率, 但如果无法满足最高启动效率和设备长期稳定性需求,也会带来麻烦。

表2为典型的PERC设备截面,总结了目前已知的三种最严重的衰减机制。

光致衰减(LID):光致衰减广为人知、也是人们了解最多的衰减形式。这种衰减基于硼氧化合物形成的基础之上。可以通过表一列举的几种措施部分消除这种现象。

氢致衰减(以下简称HID):氢致衰减是LeTID测试的原因,首见于mc-Si PERC设备。[5]为相关报道。单晶PERC设备中也发现了这种现象[6]。已知的是这种衰减是由于设备中氢含量太高造成的,已故教授Stuart Wenham [10]提出的木桶理论比喻完美的总结了这一现象。

这是因为在大多数情况下, 背面钝化是由相当厚的 (相对于正面钝化) 富氢电介质实现的。释放的氢进入硅块, 形成弱氢键,钝化了缺陷部位。这些氢键很容易由于温度和光照受到破坏, 以更快的速度释放弱键氢, 从而导致衰减。

随着时间的推移, 恢复进程被激活,然后达到饱和状态。释放的氢又会形成氢键,稳定的氢键会钝化缺陷部位。在LeTiD测试工况下,稳定的氢键不受影响。表一总结了能够将HID效应降至最低的措施。
裸硅片钝化衰减: 很难找出造成衰减的真正主导原因。最近康斯坦茨大学的A. Herguth和他的团队发现, PERC太阳能电池的衰减部分是由于背面电介质去钝效应造成的[11]。IBC太阳能电池正面也发现了这种衰减效应。

就IBC电池而言,至少需要一个浅FSF(正面场; 例如n型Cz-Si电池磷扩散涂层)才能不产生这种效应。
下图3a和3b为不同部位的测试示例, 顶部是mc-Si PERC组件,底部是Cz-Si组件,如图所示,出现了严重衰减。

在LeTID测试期间, 所有三种 (或两种) 描述的效应都可能会被激活, 必须对所有有问题的组件进行更详细的检查, 以便找到设备中最关键的衰减机制。确定之后就可以测试降低衰减的解决方案。PERC太阳能电池和

组件衰减机制的可行解决方案

如前所述, PERC 太阳能电池和组件的衰减非常复杂, 不能轻易用一种衰减机制来理解。PERC组件似乎在高温下受到的影响更大。在质量测试程序中,TÜV也确定了这种测试。表I (见下文) 总结了最严重的衰减影响以及为了通过TÜV测试而降低衰减影响的可行解决方案。

当然还有必须加以控制的电势诱发衰减(以下简称PID), 但这种衰减与所有组件都相关。此时钠和其他杂质从玻璃向太阳能电池表面迁移,造成分流或去钝[14]。

在电池、组件和系统层面,这种衰减可以降至最低。通过为组件选择高质量的封装剂,例如合适的EVA或切换至聚烯烃薄膜(多见于双玻组件)也可以处理这个问题。

希望我们唤起了对mc-Si以及Cz-Si PERC太阳能电池新衰减机制的充分意识。
通过本篇博文, 我们希望鼓励PERC太阳能电池和组件生产商更好地改造设备、降低衰减, 并同时警示小型屋顶安装商以及大型公用事业EPC公司选择正确的光伏系统(对所选组件进行正确测试)。
为了避免因光伏系统性能不佳而引发的大量索赔,主要参与方,即电池和组件制造商以及系统安装商对于这一问题的意识非常重要, 同时这也会避免对整个光伏行业可信度造成潜在严重负面影响。
祝人人好运, 做出明智的选择, 继续减少二氧化碳排放以拯救我们伟大的蓝色星球。装机总量很快就会达到1TWp,我们希望只会出现极少数的衰减问题。

其他作者包括: ISC-Konstanz的Radovan Kopecek, Joris Libal和Lejo J. Koduvelikulathu
参考文献:

 [1] http://taiyangnews.info/markets/worlds-lowest-solar-bid-disqualified/
 [2] https://www.pv-magazine.com/2018/09/07/perc-market-to-reach-158-gw-by-2022/
 [3] https://www.energymanagertoday.com/report-global-demand-for-solar-to-decrease-drastically-in-q3-2018-prompted-by-tariffs-0177987/
 [4] https://de.enfsolar.com/directory/service/002639/4th-perc-solar-cell-and-bifacial-module-forum-2018
 [5], Ramspeck, Klaus et.al, “Light induced degradation of rear passivated mc-Si solar cells”, Proc. 27th Eur. Photovolt. Sol. Energy Conf. Exhib., pg861-865, 2012
 [6] Fertig, F et.al, “ Mass production of p-type Cz silicon solar cells approaching average stable conversion efficiencies of 22%, Energy Procedia, vol.124, pg.338-345, 2017
 [7] https://www.photon.info/de/workshop-photon-modultests-0
 [8] Chen, Daniel et.al “Hydrogen induced degradation: A possible mechanism for light-and elevated temperature-induced degradation in n-type silicon”, Solar Energy Materials and Solar Cells, vol.185, pg.174-182, 2018
 [9] J. Schmidt et.al  “Investigation of carrier lifetime instabilities in Cz-grown silicon”, Proc. 26th, IEEE Photovoltaic Specialists Conference, , p. 13-18, 1997
 [10] Alison M. Ciesla nee Wenham et.al, “Hydrogen Induced Degradation: Professor Wenham's Perspective”, 7th World conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC-7), Hawaii-2018
 [11] A. Herguth et.al. , "A Detailed Study on Light-Induced Degradation of Cz-Si PERC-Type Solar Cells: Evidence of Rear Surface-Related Degradation," in IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 8, no. 5, pp. 1190-1201, Sept. 2018.; doi: 10.1109/JPHOTOV.2018.2850521
 [12] E. Garcia Goma et al., “Irradiance and temperature test method for Light andElevated Temperature Induced Degradation and Regenerationon commercial PERC modules”, 35th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Brussels, Belgium 2018
 [13] M. Pander et al., “Benchmarking light and elevated temperature induced degradation (LeTiD)”, 35th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Brussels, Belgium 2018[14] J. Berghold, et.al.  Potential Induced Degradation of Solar Cells and Panels, Proceedings of the 25th European PhotovoltaicSolar Energy Conference and Exhibition, Valencia, Spain, 2010, pp. 3753–3759.

(责任编辑:Selina Shi)

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