PID现象：N型电池VSP型晶硅电池

光伏组件的电位退化(PID)是其中最严重的一类系统级的功率损耗甚至可能超过30%。PID过程取决于电场强度、温度、相对湿度、导电污垢、时间和PV模块的材料。对于p型电池，已经证实分流电阻的降低是由于钠离子在n/p结上的迁移是钠离子降解的根本原因。另一方面最近已经证实，对于n型电池，PID的发生是由于重组的增加由于电荷被驱动到抗反射(AR)涂层/发射器界面。在本文中，我们介绍了p型和n型晶硅(c-Si)太阳能电池的PID及其性能比较进程的PID。通过对明暗I-V曲线的测量，研究了PID的时间演化规律，电致发光图像和一、二二极管等效模型参数的演化，光电流，第一和第二二极管反向饱和电流，第一和第二二极管理想因数，分流电阻和串联电阻。

（来源：微信公众号“Solar cells 技术”）

1.介绍

在光伏电站中，光伏组件是串联的因此，系统电压可达±600 ~±1500 V。常见的无变压器光伏逆变器不允许接地的电子活动部分，因此是模块字符串的一部分有正极和负极电压比较吗到接地的框架。PID是由一个应用程序引起的功率损失有源太阳能电池与框架之间的高压差光伏组件的。许多研究[1e4]都报道了这一点p型电池在负电压下会受到PID的影响，而n型电池可同时受阳性和阴性的影响电压，取决于topology[5,6]。除了系统电压，PID对温度和相对温度有很强的依赖性湿度。在p-type上对PID建模有各种各样的建议光伏模块，主要是对多项式或指数函数[7 e9]。但是，这些参数模型必须适应每一个不同的光伏模块，他们并非普遍适用。

主要怀疑p型太阳能电池的PID机理钠离子(Na+)漂移由于负电场(电场方向从光伏组件接地框架向光伏电池的电连接与负电位符合由富钠玻璃经反反射而成(AR)涂层和穿透晶体缺陷的交叉pn结。这将导致并联电阻Rsh的降低在二极管模型中，太阳能电池的增加与反向饱和电流与二极管理想因数的重新组合在空间电荷区(非导电层之间)p掺杂和n掺杂半导体)。在I-V特性中，填充系数显著下降。

在n型电池,参考过去解释。[5]的漂移Na+离子并不是造成高系统电压下功率损耗的原因。的假定n型太阳能电池的PID机制为表面极化，那里有负电荷或正电荷(取决于topology结构)在该函数的SiNx堆栈中累积作为钝化和抗反射(AR)涂层。中描述的参考文献[6]，在n-PERT(钝化发射器，后部完全扩散)c-Si中太阳能电池，由于负电场，带正电荷通过强制发射器表面离开来提高复合速率损耗。这使得小孔更难达到金属化网格和当他们花费更多的时间/距离，重组的可能性增加。其结果是在短路电流和开路电压，同时有填充系数仅略有降低。

黑暗I-V特征被报道是一个合适的方法在应力试验过程中对PID进行现场监测[10e12]。的暗I-V特性的主要缺点是串行电阻Rsh比轻I-V特性略低很明显，这是不可能确定光电流的出来。

另一种可能性是测量光I-V特性。这是否有停止应力试验，降低温度的缺点的模块到25c进行测量并启动应力再次测试在60℃或85℃时温度的调节PID-to - iv条件是有或没有应力电压。这将导致在测试温度，当应力发生降解过程当没有应力电压时，施加电压并进行再生。更重要的是，达到测试后的温度和相对湿度在85%的情况下，建议等待12e24小时(稳定阶段)在打开应力电压前，否则PID为由于玻璃表面凝结的形成，速度要快得多[4]。在试验温度稳定阶段，一个光伏组件已经受到PID影响的可能会重新生成几个百分比。

这种太阳能电池的特性可以很好地描述单或双二极管等效电流模型。的singlediode模型对于第一次近似是好的，但是对于详细的研究时，需要两个或多个二极管的模型。的双二极管模型是第一次被描述在1963年，第一个二极管代表扩散电流而第二二极管的复合电流和一直很好成立于过去数年[8,9,11,14]。两个模型都是非线性的因此用数值方法来确定参数(光电流、1、2二极管反向饱和)电流，第一和第二二极管理想因素，并联电阻和串联电阻)是必要的。在过去，拟合方法与最小二乘方法是最常用的方法。然而,今天，一些新的方法以显式方程的形式存在双二极管模型的[15,16]。这些新方法包括一些简化或引入其他参数。

作为已经发表的研究的替代品，其中只有前后单、双二极管模型参数的变化在给出了[2]的PID应力测试结果后，本文提出了一种用于第一次在应力测试过程中PID效果的进展对不同类型的c-Si太阳能电池的参数进行了描述单、双二极管模型。的参数定义了等效电路模型，并对其进行了拟合实测暗曲线数据，采用非线性最小二乘拟合方法。参考文献[9]中的作者给出了参数的变化的双二极管模型，但只适用于一种类型并具有较短的测量时间间隔。具有较高的时间分辨率和较长的测量周期已清楚显示参数趋势。还提供了参考[4]在应力试验过程中PID效应的发展，但只有一个并联电阻的双二极管模型在明显缩短总测试时间。此外，本文还首次展示了该模型的一面并对p型和n型模块的PID进行了比较由光的I-V曲线和特性，电致发光提出图像的进展和参数的单一和双二极管等效模型。

2. 方法

2.1。测试样品制作

在本研究中，我们使用了四种不同类型的电池来比较PID的进展和电池的特性。前两种类型的电池是商用的p型电池多晶硅太阳能电池，第一类电池的所在地从硅块的边缘或角上切下的第二种是从木块的中心切下来的。电池减少从边或角上切下的电池与从边或角上切下的电池相比中心有较高的杂质率，因此他们被怀疑呈现更高的降解速率。第三和第四种电池为n型前缘结单晶硅太阳能电池- n-PERT。第四种类型另外修改了a硼发射极和介电层，见参考文献[6]。所有的测试利用a商用玻璃，EVA密封剂和背衬板。铝型材被压在玻璃的两侧，以模拟真实框架(图1)。

图1所示。测试样例前视图(左)和后视图(右)。

2.2。PID应力测试及测量装置

模块之间的高压应力测试为1000v触点和框架(图2)是在气候条件下加工的在85%相对湿度下，在两个不同的温度下(60 C和85 C)。60 C是由IEC 62804标准作为a许多研究机构使用的最低应力温度同样是85摄氏度，降解速度加快。每次之前和之后试验中，用Pasan闪光灯测量了I-V特性测试仪器，AAA级(与AM1.5的光谱匹配范围在0.75至1.25之间，辐照度不均匀性低于2%，短期不稳定的辐照度低于0.5%，长期不稳定在标准测试条件(STC)和at下，辐照度低于2%低辐照度。低辐照度下的PID退化一般为2到5倍高，由于相同的影响分流电阻在较低的光电流。在低辐照度下的测量值为适当的方法检测PID已处于早期阶段。此外，电致发光图像已被捕获在9a (~Isc)和1a (~0.1 Isc)。此外，在原位暗I-V特征测量频率为10分钟对降解过程进行监测。图3为现场测量装置和气候室与4个测试样本。样品已连接到分开高电压通道。

2.3。分析

在后处理阶段，对进程进行分析I-V特性已经确定。此外,single-diode(图4)和具有集中参数的双二极管(图5)模型已符合所测得的暗I-V特性。太阳能电池的单二极管和双二极管模型用(1)和(2)[13]描述，其中Iph为光电流由光电效应产生的电流——理想电流源);流过二极管D、d1和D2的电流;Io、Io1、Io2二极管的反向饱和电流D、D1和D2;n、n1、n2为二极管D、D1、D2的理想因子;Rs的串联电阻;并联电阻Rsh;I输出电流;V输出电压;T的温度单位是开尔文;问的电子

图2所示。光伏组件与高压电源的连接。

图3所示。气候室和测量装置。

图4所示。太阳能电池的单二极管模型。

图5所示。双二极管太阳能电池模型。

对于非线性模型参数的确定，Matlab的函数lsqnonlin，这是优化的一部分工具箱™已被使用。这个函数能解非线性问题求和的最小值的最小二乘问题的平方残差的非线性拟合问题，定义为(3)，其中r为残差，为xk自变量，为xk的yk函数和a0…一个合适的参数。因此，它返回参数的向量值和残差的平方模(信噪比)，我们用它来比较拟合的质量。

如文献[8]所示，Rs不随PID变化，因此，它被设为常数。此外，在p型电池中，在PID过程中，Io1和n1与Io2和n2的变化比较进展是微不足道的，因此它们也被定为常量。同样，在n型电池中，Rsh和n2被设为常量。

3.结果与讨论

3.1。电流-电压特性

图6-9为之前不同电池类型的I-V曲线(蓝线)60 C (a) PID应力试验后(红线)和85 C (b)，其中表1e4表示I-V的值在标准测试条件(STC)和低辐照度下的特性(185 W/m2, 25C, 15am)

在标准的当前版本中没有通过/失败标准(IEC 62804)对PID进行了测试，但无论如何，很多研究者和制造商使用术语“PID免费”，如果功率损失在STC是不到5%。同时在低辐照度下的功率损耗可能高达4倍。

在本研究中，所有被测样本均能看出PID效应，II型和III型电池的降解率较低(<%5 @)STC))。但即使是这些电池也显示出10%以上的低功率损耗辐照度。对于IV型电池，短路电流显著下降可以检测到，其中只有很小的填充因子的变化出现，与电池I型相比，经PID应力测试后在其中主要的变化是并联电阻的减小以及相应的填充系数显著下降。

a

图6所示。(a) PID应力试验前后STC I型电池I-V曲线(60 C, 85% RH, 1000 V, 148 h)。85% RH, 1000v和60h)。

a

b

图7所示。(a) PID应力试验前后STC II型电池I-V曲线(60 C, 85% RH, 1000 V, 148 h)。85% RH, 1000v和60h)。

a

b

图8所示。(a) PID应力试验前后STC电池III型I-V曲线(60 C, 85% RH, 1000 V, 80 h)。85% RH, 1000v和60h)。

3.2。电致发光

电致发光(EL)可以很好地看出PID损耗。图像通过比较PID应力测试前后的图像在相同的条件下。图10e13为对比图用两种不同的电流对PID前后的EL图像进行处理。首先是9a的电流(大概是Isc @STC的电流)，其次是9a的电流(大概是Isc @STC的电流)较低的电流为1a(约为Isc @ STC的10%)通过模块发送。黑暗部分呈现较低的局部电池效率。

PID应力前后9a EL图像的分析60℃时的试验表明，I、II型细胞的效率几乎没有变化IV型电池效率损失均匀，即也比较了I-V特性的结果。与此同时,从EL图像中取1a前后PID应力为60c时，除电池类型IV外，效率损失均匀已检测到电池类型I和II。此外，EL的分析图9 A为85 C PID应力测试前后图像电池类型I和III的局部效率损失同样是均匀的II型电池的EL图像显示效率。此外，电池类型I的EL图像后采取的在850c、1a时进行PID试验，效率明显下降，其中信号可以在与图像相同的曝光时间内检测到PID应力测试前服用。

a

b

图9所示。(a) PID应力试验前后STC IV型电池I-V曲线(60c, 85% RH, 1000v, 2.5 h)。85% RH, 1000v和90h)。

表1在60 C (148 h)和85 C (60 h) PID应力试验前后，STC下I型电池I- v特性参数及低辐照度(185 W/m2)。

表2在60 C (148 h)和85 C (60 h) PID应力试验前后，STC下II型电池I-V特性参数及低辐照度(185 W/m2)。

表3在60 C (80 h)和85 C (60 h) PID应力试验前后，STC下III型电池I-V特性参数及低辐照度(185 W/m2)。

表4STC下IV型电池I-V特性参数及60 C (2.5 h)、85 C (90 h) PID应力试验前后低辐照度(185 W/m2)。

比较了p型和n型电池的EL图像不同的退化效果，由于PID。在p-type的情况下其中电池降解的主要机制是渗透Na+离子,从而减少分流电阻,高电流下局部缺陷明显。此外，在低电流EL图像中，PID效果可以已在早期被发现。另一方面，在…的情况下n型电池，其中主要降解机制是表面极化，因此Isc和Uoc的还原是均匀的可以看到整个电池的损失。

3.3。Single-diode参数

过程中单二极管模型参数的变化PID应力试验如图14e17所示。对于所有电池类型，串联电阻设为常数，由PID应力测试开始前的darkI-V曲线确定。对于所有电池类型，二极管反向饱和电流和二极管理想系数为随着并联电阻的增大，并联电阻减小电池类型I和II的变化有明显的慢as进展电池类型III和IV的变化。此外，对于电池类型IV几个小时后降解已经到了最后阶段，而电池类型I、II和III在经过更多的时间后没有进入最后阶段十几个小时，还会继续与时间。

10所示。电池I型电致发光图像。

图11所示。电池II型电致发光图像。

图12所示。电池III型电致发光图像。

图13所示。IV型电池的电致发光图像。

图14所示。在PID应力测试过程中，单二极管参数的变化。

图15所示。单二极管参数在PID应力测试中的进展- II型。

图16所示。单二极管参数在PID应力测试中的进展- III型。

图17。单二极管参数的进展在PID应力测试IV型。

3.4。双二极管的参数

对双二极管等效电流电路模型进行了比较单二极管模型，较好地描述了物理[13]的真实情况太阳能电池，其中第一个二极管代表扩散电流和第二二极管的复合电流。在p型电池，进展在各参数中，Io1、n1和Rs均无显著性差异变化，这可能与PID有关。

同样，在n型细胞中，Io2、Rsh和Rs参数的变化也不显著与PID相关的相关变化。这些参数设置为常数，使PID过程中的噪声降至最低相关的参数。这些常数是由PID应力测试开始前的I-V曲线确定的。的进展的变量双二极管模型的参数PID应力试验如图18e21所示。

同样，就像单二极管模型，在双二极管模型中，二极管反向饱和电流和二极管理想系数为I型和I型电池的分流电阻增大，而分流电阻减小二世。在这种情况下，第二二极管的参数是变化的第一二极管的参数设置为常数。此外,与单二极管模型相比，双二极管的质量更优在强PID作用下，p型电池几乎是恒定的和更好的。

对于电池类型III和IV，反向饱和电流的变化所述双二极管模型的第一二极管的理想因子为与单二极管模型比较。此外,并联将双二极管模型的电阻设为常数第二二极管的反向饱和电流与时间有关。与第一二极管的反向饱和电流相比较，第二二极管的反向饱和电流要高得多而且，这个过程要慢得多IV型电池的降解不会在几个小时后停止。

图18所示。双二极管参数的进展在PID应力测试- I型。

图19所示。双二极管参数的进展在PID应力测试II型。

图20。双二极管参数在PID应力测试中的进展- III型。

此外，一个额外的压力测试与四个组件的电池类型IV观察光电流的变化在PID测试期间。各组件连接到不同时延的高压电源，在同一时间。本试验前后，对轻I-V特性进行了分析对双二极管模型进行了测量，确定了模型参数。图22为归一化过程PID应力测试过程中的光电流，用式(4)表示，其中n为归一化光电流，Iph;最小光电流最大最大(初始)光电流。

光电流的发展可以很好地描述对于类阿伦尼乌斯拟合方程(5)，其中t为时间，b为t拟合参数。单元格类型IV的拟合参数值为

进程的形式似乎与反转类似具有相反符号的第一二极管的饱和电流。与IV型电池相比，Isc无明显变化(表1e3)在电池类型I、II和III处，Iph可以设置为a常数。

图22。在60c -的PID应力测试中，光电流的变化(归一化)IV型。

4. 结论

本文对PID机制进行了比较p型和n型c-Si太阳能电池。p-type的PID效果产生的原因细胞是当地的分流,造成Na+离子的渗透电池的p-n连接，由此产生PID效应的原因由n-type决定电池是AR涂层表面的表面极化，正电荷和负电荷在哪里重新结合而不是被电池的p-n连接所收集。退化两种电池类型都能达到几十个百分点吗在n型电池的情况下，降解非常稳定快。在p型电池的情况下，降解进一步进行由于不断增加的数量Nat晶片在模块级可达到>90%的损耗。因为不同的出现在p电池和n电池中的现象，也是第一个指标显示在PID是不同的。由p型电池形成I-V曲线显示分流电阻和填充系数降低，而n型电池的主要指标是明显减少短路电流和开路电压。EL图像的比较在STC接近Isc的电流下，局部效率损失按ptype表示n型电池效率损失均匀。此外，比较了双二极管参数的级数表明主要降解指标为p型电池是并联电阻的减小和电阻的增大反向饱和电流和理想因素的第二二极管。在n型电池的情况下，主要降解指标是否增加了反向饱和电流和理想系数第一二极管，增加反向饱和电流的第二二极管和显着降低光电流。光电流无法在原位测定黑暗I-V的测量，但必须确定出来的光I-V曲线。