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双面太阳能电池步入高成长期 可靠度成为发展关键
探索关键的失效模式

【作者: 愛美科】2021年03月08日 星期一

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双面太阳光电技术,过去几年在光伏领域持续获得大量关注,原因是它能确保高能产率。双面太阳能电池因为背面也能捕获光线,吸收的增幅达到5~20%,而且这项技术还能整合到现有的生产线。


近期,双面太阳光电技术已开始攻入市场并触及终端使用者,现在正迅速蚕食市占率。而双面太阳能电池也被整合至光伏模组,安装在基础设施等级的发电厂,或建置於让阳光能在电池背面上反射的屋顶上。


不过,这项技术仍需整体产业更广泛的认可,其中包含了金融机构。一方面,太阳光电计画通常历时30年,而且需要预先投入大量资金。另一方面还要进一步投入研发,利用专门设计的特性分析与可靠度测试,来提升模组的性能与可靠度。若要发挥双面发电技术的最大潜能,进一步了解失效机制(failure mechanism)与减轻其影响的方法,是不可或缺的环节。


PID现象:影响太阳能板平均预期寿命的因素

根据显示,电位诱发衰减(potential-induced degradation;PID)现象会导致双面太阳能电池、模组与装置出现严重的可靠度问题,甚至导致功率衰减。它源自於推动离子迁移(通常是钠离子)至太阳能电池的高系统电压(system voltage)。


这些离子会干扰太阳能电池的正常运作,甚至造成转换效率的损失。为了降低成本来进一步扩大太阳能电厂的规模,系统电压高达15OOV的太阳光电系统正逐渐进入主流市场,PID现象也变得越来越关键。



图一 : 电位诱发衰减(PID)现象示意图:受强大的电场(绿色箭头)影响,离子(大多是钠离子,Na)朝太阳能电池的方向迁移。
图一 : 电位诱发衰减(PID)现象示意图:受强大的电场(绿色箭头)影响,离子(大多是钠离子,Na)朝太阳能电池的方向迁移。

这种失效模式的产生不仅取决於电场的大小,还要看电场的极性(polarity)。这也是为什麽置於太阳光电串列(string)正极阵列的模组并不会受到PID的影响,因为钠离子会朝远离太阳能电池的方向迁移。


衰减现象会先出现在负极周围,然後逐渐朝远离模组边框的方向扩散。虽然PID也会发生在单面太阳能电池,但它对采用双面玻璃(双玻)封装的双面太阳能电池来说损害更甚,因为电池的正反面都有可能触发这套失效机制。此外,那些采用更薄膜层、更复杂精细的元件结构,似??对这套机制更加敏感,这也暗指,研究穿隧型钝化接触电池(tunnel oxide passivated contact;TOPCon)和其它先进电池会是关键。


爱美科太阳光电技术与系统的研发团队主任Ezter Voroshazi指出:「就可靠度而言,PID现象是双面电池技术的主要挑战之一。一块太阳能板或许表面上看来完好无缺,但在内部迁移的微小离子所能带来的影响却很庞大。一旦触发离子快速迁移,就有可能在数月内毁了整个系统。」


他接着说道:「在设有长型串列的大型太阳能电厂,这些失效机制可能会演进地相当缓慢,长年阻碍正确的侦测,导致性能与营收的重大损失。而要侦测失效的过程,先进的电场成像与测试程序就很重要。而且仅仅扩充这个议题的学术知识是不够的,为了提出相关的解决方案,还要顾及产业要求以及各种限制情况。」


杜绝PID现象的根源

关於PID背後的物理原理以及进行深入的测试,爱美科与欧洲绿能研究组织EnergyVille的成员比利时哈瑟尔特大学(UHasselt)合作,已经累积了大量的专业知识,研究成果之一包含了解这些离子的来源。


先前的研究显示,有一种特定的PID现象,即「分流型(shunting type)PID现象」(简称PID-s),源自钠离子扩散至矽堆叠缺陷(stacking fault)内,致使电池产生分流。不过这些钠离子的来源目前仍不得而知,它们有可能来自太阳光电模组的钠钙玻璃(soda-lime glass;SLG)外罩,也可能在进行层压制程前就已经在电池表面上。


在全面的测试条件下,研究结果显示,采用SLG材质的前盖会大大增强PID。而且,不含SLG前盖的试样模组在历经超过300小时的PID应力後,其实并未出现任何衰减。这也证实了钠离子源於SLG材料。


另一项研究成果,则锁定双面P型钝化射极背面接触(passivated emitter and rear contact;PERC)电池出现双面PID现象的物理成因,因为这种衰减特性似??不只与一种机制匹配。确实,研究结果也显示,该衰减特性结合了PID-s与「极化型(polarization type)PID现象」(简称PID-p)。後者是钝化层的一种暂时性且可逆的衰减现象,因为表面复合增加而导致性能降低。


此外,研究人员还能在电压-电流(current-voltage;IV)测量与外部量子效率(external quantum efficiency;EQE)测量中,撷取上述两种衰减机制的特定特徵。



图二 : 双面P型PERC太阳能电池的双面PID现象,图中电池采用双玻模组封装。
图二 : 双面P型PERC太阳能电池的双面PID现象,图中电池采用双玻模组封装。

挑战太阳能电池的测试标准

太阳能光电可靠度研究一直不断在探讨测试结果与测试协定。有一种PID测试方法,在IEC TS 62804-1中有明列相关标准。在所谓的金属薄片测试(foil test)中,太阳能电池模组的玻璃表面与一片导电的金属薄片接触,薄片与电池矩阵之间施加了1000V~1500V的电压,随後,电池模组置於湿热的人工气候室,以在实验室模拟严峻的操作环境。


一种常见的测试做法,是对双面太阳能光电模组施加单面的PID应力,每次只在模组的其中一面放置金属薄片。过去成果显示,背面承受单面PID应力的双面太阳能电池所展现的衰减特性,与正面承受单面PID应力的电池一样,所以一般认为两者的衰减机制相同,而且承受应力的是电池正面或反面的重要性不大。



图三 : 置於人工气候且背面承受单面PID应力的太阳能电池试样模组。(A)人工气候箱的接地边框(电压为0V)与太阳能电池正面(电压为-1000V)之间出现一个非预期的电场。(B)未受应力面出现短路,电场就会消失。
图三 : 置於人工气候且背面承受单面PID应力的太阳能电池试样模组。(A)人工气候箱的接地边框(电压为0V)与太阳能电池正面(电压为-1000V)之间出现一个非预期的电场。(B)未受应力面出现短路,电场就会消失。

然而,近期爱美科与哈瑟尔特大学在EnergyVille共同进行的研究显示,金属薄片测试法不能在没有采取一些额外测量的情况下,就只测试双面电池的其中一面。


来自哈瑟尔特大学并叁与EnergyVille研究的博士後研究员Jorne Carolus表示:「在一系列的实验中我们发现,在双面太阳光电模组上施加单面PID应力时,电池性能会突然在未受应力的那面陡降。这时的PID测试会在人工气候室与电池未受应力面之间产生非预期的电场,该电场会驱动正电荷朝向电池迁移,干扰电池的正常运作。」


「接着,我们针对采用IEC标准,对双面太阳光电模组施加单面PID应力的测试,提出一些经过调整的测试方法以及注意事项。」Carolus进一步说明:「预防措施包含:在双玻层板的未受应力面与太阳能电池之间设计短路、运用浮动(即非接地)的高压源极,或以抗PID外罩取代非受应力面的玻璃外罩。」


全面降低PID的解决方案

要解决PID的问题并优化双面太阳能光电技术,系统级的设计思维不可或缺。首先,整体系统需针对特定应用进行优化。架在屋顶的太阳能板的应用需求会和安装在发电厂的不同。再来,面对可靠度的问题时,解决方案要从晶片的多个层级着手,才能设计出对抗失效机制的多重屏障。如此一来,当其中之一在现场表现不如预期时,还有其他屏障能提供保护,支援一套真正稳健的系统。


目前已有基於不同晶片层级的各式PID解决方案被提出。在电池级,抗反射膜(anti-reflection coating;ARC)对PID的敏感度发挥了重要作用。透过在制程中调整电池的导电性,太阳能电池对PID的敏感度就会降低。


在模组级,则有提供太阳光电模组「抗PID」甚至「零PID」特性的替代材料,这些材料也在持续优化。诸如零PID封装材料或铝矽酸盐玻璃等的材料,就能限制钠离子朝太阳能电池迁移。在系统级,透过不同的接地设计,电场就能刺激离子远离太阳能电池。


最後,在模组级,功率优化器和模组级逆变器还能避免在电池矩阵与接地模组边框之间产生高压,因而在模组级实现更低的操作电压。


Jorne Carolus表示:「对实际面临PID问题的太阳能电厂来说,这些预防措施不算提供一套解决方案。在此情况下,我们还可以研究回复技术。」


「有一种商业化的解决方案,在晚上时调整太阳能电池阵列,使之与模组边框呈现正偏压。如此,离子会朝远离电池的方向扩散,抵销所带来的负面影响。」Carolus指出:「不过这种可逆性深受PID的衰减度影响。我们已经证实,当性能损失超过85%,衰减就不可逆了。因此,早期侦测PID非常重要。」



图四 : PID现象的可逆性分析:PID衰减度高达40%时,回复程度高;PID衰减度超过85%时,损坏就变得不可逆。(PIDs即PID造成的衰减现象;PIDr即回复之後的PID)
图四 : PID现象的可逆性分析:PID衰减度高达40%时,回复程度高;PID衰减度超过85%时,损坏就变得不可逆。(PIDs即PID造成的衰减现象;PIDr即回复之後的PID)

同样来自哈瑟尔特大学并叁与EnergyVille研究的Michael Daenen??教授则点出:「以物理学为基础的可靠度模组,优势在其预测值。PID失效机制的电压、温度与湿度相依性,可以整合至爱美科物理学产能预测模组的主要延伸架构。」


「PID现象的进度预测与物理模拟需要考量模组材料、元件特性以及气候条件。」Daenen继续说道:「对太阳光电模组制造商、材料开发商以及太阳光电系统设计商、统包与运维厂商而言,预测与模拟会是必要工具,能让目前仍在运作的太阳能电厂更准确预测出经济残值。」


低温处理电池互连:新兴材料与相关的可靠度测试

尽管PID测试是可靠度研究的主要重点,爱美科也在研究全新的互连金属化技术,准确地说就是低温焊料合金。


爱美科太阳光电模组与系统的研究团队主任Eszter Voroshazi表示:「目前电池互连的焊接材料都含铅,焊接过程需达180℃以上。我们正在开发无铅、低温焊料合金的多导线互连技术,同时设计适合新型材料的可靠度测试。」


「全新的合金具备一些优势:以更低温进行焊接就能与一系列的新兴材料相容,例如异质接面元件、薄膜和层叠式(tandem)太阳能电池;此外,不需使用像是铅这类的有毒材料,就能推出可以永续发展的解决方案。」Voroshazi指出:「最後,由於在如此低温下进行焊接,我们就能将焊接与层压整合在同个制程步骤。」


Voroshazi总结:「爱美科在元件组装方面累积了无铅焊料的大量知识,也具备失效模式与效应分析(failure mode and effect analysis;FMEA)的执行能力,我们现在正在利用这些专业来识别关键的可靠度缺陷,以及确认为此特别调整的相关测试方法。」


「为了让这些新兴的太阳光电技术能更快获得认同与信任,我们相信,关键在於持续进行可靠度与品质测试的方法界定。」Voroshazi强调:「随着太阳光电可??成为未来能源系统的主干之一,可靠度不只是技术问题,也是确保安全供应的关键。」


(本文由爱美科授权刊登;作者Eszter Voroshazi1、 Michael Daenen2为1爱美科太阳光电模组与系统的研究团队主任、2比利时哈瑟尔特大学工程技术学院??教授;编译/吴雅婷)


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