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雙面太陽能電池步入高成長期 可靠度成為發展關鍵
探索關鍵的失效模式

【作者: 愛美科】   2021年03月08日 星期一

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雙面太陽光電技術,過去幾年在光伏領域持續獲得大量關注,原因是它能確保高能產率。雙面太陽能電池因為背面也能捕獲光線,吸收的增幅達到5~20%,而且這項技術還能整合到現有的生產線。


近期,雙面太陽光電技術已開始攻入市場並觸及終端使用者,現在正迅速蠶食市占率。而雙面太陽能電池也被整合至光伏模組,安裝在基礎設施等級的發電廠,或建置於讓陽光能在電池背面上反射的屋頂上。


不過,這項技術仍需整體產業更廣泛的認可,其中包含了金融機構。一方面,太陽光電計畫通常歷時30年,而且需要預先投入大量資金。另一方面還要進一步投入研發,利用專門設計的特性分析與可靠度測試,來提升模組的性能與可靠度。若要發揮雙面發電技術的最大潛能,進一步了解失效機制(failure mechanism)與減輕其影響的方法,是不可或缺的環節。


PID現象:影響太陽能板平均預期壽命的因素

根據顯示,電位誘發衰減(potential-induced degradation;PID)現象會導致雙面太陽能電池、模組與裝置出現嚴重的可靠度問題,甚至導致功率衰減。它源自於推動離子遷移(通常是鈉離子)至太陽能電池的高系統電壓(system voltage)。


這些離子會干擾太陽能電池的正常運作,甚至造成轉換效率的損失。為了降低成本來進一步擴大太陽能電廠的規模,系統電壓高達15OOV的太陽光電系統正逐漸進入主流市場,PID現象也變得越來越關鍵。



圖一 : 電位誘發衰減(PID)現象示意圖:受強大的電場(綠色箭頭)影響,離子(大多是鈉離子,Na)朝太陽能電池的方向遷移。
圖一 : 電位誘發衰減(PID)現象示意圖:受強大的電場(綠色箭頭)影響,離子(大多是鈉離子,Na)朝太陽能電池的方向遷移。

這種失效模式的產生不僅取決於電場的大小,還要看電場的極性(polarity)。這也是為什麼置於太陽光電串列(string)正極陣列的模組並不會受到PID的影響,因為鈉離子會朝遠離太陽能電池的方向遷移。


衰減現象會先出現在負極周圍,然後逐漸朝遠離模組邊框的方向擴散。雖然PID也會發生在單面太陽能電池,但它對採用雙面玻璃(雙玻)封裝的雙面太陽能電池來說損害更甚,因為電池的正反面都有可能觸發這套失效機制。此外,那些採用更薄膜層、更複雜精細的元件結構,似乎對這套機制更加敏感,這也暗指,研究穿隧型鈍化接觸電池(tunnel oxide passivated contact;TOPCon)和其它先進電池會是關鍵。


愛美科太陽光電技術與系統的研發團隊主任Ezter Voroshazi指出:「就可靠度而言,PID現象是雙面電池技術的主要挑戰之一。一塊太陽能板或許表面上看來完好無缺,但在內部遷移的微小離子所能帶來的影響卻很龐大。一旦觸發離子快速遷移,就有可能在數月內毀了整個系統。」


他接著說道:「在設有長型串列的大型太陽能電廠,這些失效機制可能會演進地相當緩慢,長年阻礙正確的偵測,導致性能與營收的重大損失。而要偵測失效的過程,先進的電場成像與測試程序就很重要。而且僅僅擴充這個議題的學術知識是不夠的,為了提出相關的解決方案,還要顧及產業要求以及各種限制情況。」


杜絕PID現象的根源

關於PID背後的物理原理以及進行深入的測試,愛美科與歐洲綠能研究組織EnergyVille的成員—比利時哈瑟爾特大學(UHasselt)合作,已經累積了大量的專業知識,研究成果之一包含了解這些離子的來源。


先前的研究顯示,有一種特定的PID現象,即「分流型(shunting type)PID現象」(簡稱PID-s),源自鈉離子擴散至矽堆疊缺陷(stacking fault)內,致使電池產生分流。不過這些鈉離子的來源目前仍不得而知,它們有可能來自太陽光電模組的鈉鈣玻璃(soda-lime glass;SLG)外罩,也可能在進行層壓製程前就已經在電池表面上。


在全面的測試條件下,研究結果顯示,採用SLG材質的前蓋會大大增強PID。而且,不含SLG前蓋的試樣模組在歷經超過300小時的PID應力後,其實並未出現任何衰減。這也證實了鈉離子源於SLG材料。


另一項研究成果,則鎖定雙面P型鈍化射極背面接觸(passivated emitter and rear contact;PERC)電池出現雙面PID現象的物理成因,因為這種衰減特性似乎不只與一種機制匹配。確實,研究結果也顯示,該衰減特性結合了PID-s與「極化型(polarization type)PID現象」(簡稱PID-p)。後者是鈍化層的一種暫時性且可逆的衰減現象,因為表面複合增加而導致性能降低。


此外,研究人員還能在電壓-電流(current-voltage;IV)測量與外部量子效率(external quantum efficiency;EQE)測量中,擷取上述兩種衰減機制的特定特徵。



圖二 : 雙面P型PERC太陽能電池的雙面PID現象,圖中電池採用雙玻模組封裝。
圖二 : 雙面P型PERC太陽能電池的雙面PID現象,圖中電池採用雙玻模組封裝。

挑戰太陽能電池的測試標準

太陽能光電可靠度研究一直不斷在探討測試結果與測試協定。有一種PID測試方法,在IEC TS 62804-1中有明列相關標準。在所謂的金屬薄片測試(foil test)中,太陽能電池模組的玻璃表面與一片導電的金屬薄片接觸,薄片與電池矩陣之間施加了1000V~1500V的電壓,隨後,電池模組置於濕熱的人工氣候室,以在實驗室模擬嚴峻的操作環境。


一種常見的測試做法,是對雙面太陽能光電模組施加單面的PID應力,每次只在模組的其中一面放置金屬薄片。過去成果顯示,背面承受單面PID應力的雙面太陽能電池所展現的衰減特性,與正面承受單面PID應力的電池一樣,所以一般認為兩者的衰減機制相同,而且承受應力的是電池正面或反面的重要性不大。



圖三 : 置於人工氣候且背面承受單面PID應力的太陽能電池試樣模組。(A)人工氣候箱的接地邊框(電壓為0V)與太陽能電池正面(電壓為-1000V)之間出現一個非預期的電場。(B)未受應力面出現短路,電場就會消失。
圖三 : 置於人工氣候且背面承受單面PID應力的太陽能電池試樣模組。(A)人工氣候箱的接地邊框(電壓為0V)與太陽能電池正面(電壓為-1000V)之間出現一個非預期的電場。(B)未受應力面出現短路,電場就會消失。

然而,近期愛美科與哈瑟爾特大學在EnergyVille共同進行的研究顯示,金屬薄片測試法不能在沒有採取一些額外測量的情況下,就只測試雙面電池的其中一面。


來自哈瑟爾特大學並參與EnergyVille研究的博士後研究員Jorne Carolus表示:「在一系列的實驗中我們發現,在雙面太陽光電模組上施加單面PID應力時,電池性能會突然在未受應力的那面陡降。這時的PID測試會在人工氣候室與電池未受應力面之間產生非預期的電場,該電場會驅動正電荷朝向電池遷移,干擾電池的正常運作。」


「接著,我們針對採用IEC標準,對雙面太陽光電模組施加單面PID應力的測試,提出一些經過調整的測試方法以及注意事項。」Carolus進一步說明:「預防措施包含:在雙玻層板的未受應力面與太陽能電池之間設計短路、運用浮動(即非接地)的高壓源極,或以抗PID外罩取代非受應力面的玻璃外罩。」


全面降低PID的解決方案

要解決PID的問題並優化雙面太陽能光電技術,系統級的設計思維不可或缺。首先,整體系統需針對特定應用進行優化。架在屋頂的太陽能板的應用需求會和安裝在發電廠的不同。再來,面對可靠度的問題時,解決方案要從晶片的多個層級著手,才能設計出對抗失效機制的多重屏障。如此一來,當其中之一在現場表現不如預期時,還有其他屏障能提供保護,支援一套真正穩健的系統。


目前已有基於不同晶片層級的各式PID解決方案被提出。在電池級,抗反射膜(anti-reflection coating;ARC)對PID的敏感度發揮了重要作用。透過在製程中調整電池的導電性,太陽能電池對PID的敏感度就會降低。


在模組級,則有提供太陽光電模組「抗PID」甚至「零PID」特性的替代材料,這些材料也在持續優化。諸如零PID封裝材料或鋁矽酸鹽玻璃等的材料,就能限制鈉離子朝太陽能電池遷移。在系統級,透過不同的接地設計,電場就能刺激離子遠離太陽能電池。


最後,在模組級,功率優化器和模組級逆變器還能避免在電池矩陣與接地模組邊框之間產生高壓,因而在模組級實現更低的操作電壓。


Jorne Carolus表示:「對實際面臨PID問題的太陽能電廠來說,這些預防措施不算提供一套解決方案。在此情況下,我們還可以研究回復技術。」


「有一種商業化的解決方案,在晚上時調整太陽能電池陣列,使之與模組邊框呈現正偏壓。如此,離子會朝遠離電池的方向擴散,抵銷所帶來的負面影響。」Carolus指出:「不過這種可逆性深受PID的衰減度影響。我們已經證實,當性能損失超過85%,衰減就不可逆了。因此,早期偵測PID非常重要。」



圖四 : PID現象的可逆性分析:PID衰減度高達40%時,回復程度高;PID衰減度超過85%時,損壞就變得不可逆。(PIDs即PID造成的衰減現象;PIDr即回復之後的PID)
圖四 : PID現象的可逆性分析:PID衰減度高達40%時,回復程度高;PID衰減度超過85%時,損壞就變得不可逆。(PIDs即PID造成的衰減現象;PIDr即回復之後的PID)

同樣來自哈瑟爾特大學並參與EnergyVille研究的Michael Daenen副教授則點出:「以物理學為基礎的可靠度模組,優勢在其預測值。PID失效機制的電壓、溫度與濕度相依性,可以整合至愛美科物理學產能預測模組的主要延伸架構。」


「PID現象的進度預測與物理模擬需要考量模組材料、元件特性以及氣候條件。」Daenen繼續說道:「對太陽光電模組製造商、材料開發商以及太陽光電系統設計商、統包與運維廠商而言,預測與模擬會是必要工具,能讓目前仍在運作的太陽能電廠更準確預測出經濟殘值。」


低溫處理電池互連:新興材料與相關的可靠度測試

儘管PID測試是可靠度研究的主要重點,愛美科也在研究全新的互連金屬化技術,準確地說就是低溫焊料合金。


愛美科太陽光電模組與系統的研究團隊主任Eszter Voroshazi表示:「目前電池互連的焊接材料都含鉛,焊接過程需達180℃以上。我們正在開發無鉛、低溫焊料合金的多導線互連技術,同時設計適合新型材料的可靠度測試。」


「全新的合金具備一些優勢:以更低溫進行焊接就能與一系列的新興材料相容,例如異質接面元件、薄膜和層疊式(tandem)太陽能電池;此外,不需使用像是鉛這類的有毒材料,就能推出可以永續發展的解決方案。」Voroshazi指出:「最後,由於在如此低溫下進行焊接,我們就能將焊接與層壓整合在同個製程步驟。」


Voroshazi總結:「愛美科在元件組裝方面累積了無鉛銲料的大量知識,也具備失效模式與效應分析(failure mode and effect analysis;FMEA)的執行能力,我們現在正在利用這些專業來識別關鍵的可靠度缺陷,以及確認為此特別調整的相關測試方法。」


「為了讓這些新興的太陽光電技術能更快獲得認同與信任,我們相信,關鍵在於持續進行可靠度與品質測試的方法界定。」Voroshazi強調:「隨著太陽光電可望成為未來能源系統的主幹之一,可靠度不只是技術問題,也是確保安全供應的關鍵。」


(本文由愛美科授權刊登;作者Eszter Voroshazi1、 Michael Daenen2為1愛美科太陽光電模組與系統的研究團隊主任、2比利時哈瑟爾特大學工程技術學院副教授;編譯/吳雅婷)


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