电晕法制备抗PID多晶硅太阳电池

江西瑞晶太阳能科技有限公司

新余市光伏产品及应用工程技术研究中心

■ 熊大明 孙杰* Thangaraj Baskara Pandian 万小强 龚海波

0 引言

晶体硅太阳电池拥有无污染、模块化、安装维护简单、工作寿命长达20～25年、运行可靠等优点，是一种十分理想的可再生清洁能源。在长期的湿热环境中，组件持续接通-1000 V的电压，会引起组件性能持续衰减，这样造成衰减的机理被称为电位诱发衰减，即PID效应[1]。严重时组件的功率衰减超过50%，严重影响电站的功率输出，因此PID现象越来越受到光伏行业的重视[2]。可以预见，组件具有抗PID能力是未来行业标准的必然要求。在我们内部实验室同样观察到了由于PID效应引起的非抗PID组件功率衰减，但从组件外观上无法观察到任何缺陷，只有通过EL测试和I-V测试才可以发现此问题的存在。

在电站实际运营中发现，高温高湿的外部环境是造成组件出现PID现象的最大原因。但外部环境是客观存在的自然条件，我们无法改变，只能通过系统、组件、电池3方面来解决PID问题。从系统端来看，主要有边框接地、逆变器直流端负极接地等，但这样只能缓解PID现象而不能彻底解决；组件端需使用高阻抗的EVA和特殊玻璃，但提高了生产成本；从电池端看，制备更为致密的减反射膜是一种非常有效的抗PID方法。主要有两种方法，一种是直接提高氮化硅膜的折射率，但会引起电池转换效率下降；另一种是在镀氮化硅膜前，使用笑气或臭氧对硅片表面进行氧化，生长一层致密的二氧化硅膜，以阻挡Na+迁移到p-n结。本文主要介绍使用电晕放电激发氧气，生成的臭氧直接以气流的方式对硅片表面进行氧化处理的研究，达到抗PID的目的。

1 实验方法

1.1 电晕放电产生臭氧的原理

人工生产臭氧的方法主要有电解法、紫外光照法和电晕放电法[3]。电晕放电法生产臭氧是大功率臭氧发生器的主要工作方法[4]且较为经济。此类臭氧发生器主要由臭氧管、高频电源、风机和控制系统组成。臭氧管原理示意图如图1所示。臭氧管中的氧气在高压电场的强电离作用下被高速运动的电子撞击分解成氧原子，高速电子具有足够的动能，通过氧原子、氧分子及高速电子3体碰撞反应形成臭氧，氧离子同氧分子之间的反应式[5]为：

式中，M为除臭氧以外的其他气体组分；Q为热量。

图1 臭氧管原理示意图

1.2 电池和组件制作

笔者公司的多晶硅电池片正常生产流程如图2所示，使用电晕放电臭氧氧化的生产流程如图3所示。选择相同厂家同一批号的硅片，用正常流程生产的电池片标记为G1，使用电晕放电臭氧氧化工艺生产的电池片标记为G2；使用G1组电池片生产的组件编号为M1，使用G2组生产2块组件编号分别为M2和M3，组件生产使用相同的材料和工艺。

图2 电池生产流程

图3 臭氧氧化的电池生产流程

2 结果与讨论

2.1 臭氧对电池转换效率的影响

臭氧对电池转换效率的影响见表1。由表1可知，G2组开路电压上升但是短路电流下降，平均转换效率无明显变化，说明臭氧不影响电池转换效率。

表1 臭氧对电池转换效率的影响

2.2 组件抗PID性能研究

将组件M1、M2、M3进行抗PID测试，引用第三方测试机构TÜV Rhineland测试标准，测试环境为：温度85 ℃、相对湿度85%、电压-1000 V、时间96 h。对经过抗PID测试的组件进行I-V测试，测试结果见表2。

表2 经过96 h 85℃/85% RH/-1000 V电压测试后的组件功率输出

由表2可知，未使用臭氧氧化电池片制作的组件M1功率下降达到了32.2%，而使用臭氧氧化电池片制作的2块组件M2和M3功率下降分别只有3.35%和0.36%，达到了抗PID要求。

对组件进行EL测试，组件经过抗PID测试前后的EL图像变化如图4所示。可以看出，组件M1在经过抗PID测试后大部分区域变成暗区，意味着已失去发电能力，这将严重影响组件的发电效率。而组件M2、M3经过测试后并未出现暗区，组件性能未发生太大变化。

图4 经过96 h 85 ℃/85% RH/-1000 V电压测试后的组件EL图像

3 结论

本文研究了使用电晕放电制备抗PID多晶硅电池的一种方法。使用电晕放电的方式产生臭氧，在多晶硅片镀氮化硅膜前对硅片进行氧化处理，表面生长一层致密的二氧化硅膜，经过这样处理的电池片转换效率不受影响，使用这种电池片制作的组件能通过双85环境测试且抗PID性能良好。

[1] Berghold J， Frank O， Hoehne H， et al. Potential induced degradation of solar cells and panels[A]. 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition/5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion[C]， Spain，Valencla， 2010.

[2] Del Cueto J A， McMahon T J. Analysis of leakage currents in photovoltaic modules under high voltage bias in the field[J].Progress in Photovoltaics： Research and Applications， 2002， 10(1)：15－28.

[3] 罗强强， 解光勇， 全汝岱， 等. 电晕放电法制备臭氧技术研究 [J]. 信息技术 ， 2009， (4)： 18 － 20.

[4] 张家宁. 高效臭氧发生器的研究与改进[J]. 电力电子技术，1997， (2)： 76 － 79.

[5] 姚河清， 朱天宇， 卞新高， 等. 电晕放电式臭氧发生器工作原理的探讨 [J]. 高压电器 ， 2002， 38(6)： 28 － 30.