光伏組件PID失效與DH失效的微觀分析研究

孟慶法，田茜茜

(國家太陽能光伏產品質量監督檢驗中心，無錫 214028)

0 引言

近年來，行業內針對光伏組件電勢誘導衰減 (potential induced degradation，PID)測試和濕熱(damp heat，DH)測試的研究很多。何寶華等[1]、申織華等[2]、曾雪華等[3]分別從封裝材料和太陽電池等方面研究了PID效應產生的機理，并指出了組件工作電壓、工作溫度、相對濕度及系統接地方式是影響光伏組件PID效應產生的重要因素。梁吉連等[4]從太陽電池的SiNx層入手，研究了SiNx層的不同折射率對太陽電池抗PID的影響。NAUMANN等[5-6]對出現PID效應的小型光伏組件中太陽電池表面的微結構進行了分析，發現引起PID效應的漏電流與金屬Na+在太陽電池減反射膜表面的富集有關。PEIKE等[7]認為DH測試不會影響光伏組件正、背面的電荷收集，太陽電池及減反射膜的物理、化學性質均未發生改變。OH等[8]對光伏組件DH測試后的性能進行了研究，研究發現，太陽電池的柵線被氧化，導致電池的串聯電阻增大。陸俊杰等[9]研究發現，長期的濕熱環境條件容易引起光伏組件內部各種離子的遷移。

上述研究中，無論是PID測試還是DH測試，大部分都是針對光伏組件樣品進行的研究，而針對光伏組件破拆后內部太陽電池的微觀研究較少，針對光伏組件PID失效與DH失效之間的對比的微觀研究更少。因此，本文對DH失效和PID失效的光伏組件進行了破拆，從中分別選取電致發光(electroluminescence，EL)圖像中不同明、暗區域(正常區域、異常區域)的太陽電池作為測試樣品，并進行了微觀研究，通過對比正常區域和異常區域太陽電池樣品的掃描電鏡-能譜(SEM-EDS)測試結果，分析得出光伏組件DH失效與PID失效的內在聯系。

1 實驗介紹

1.1 實驗樣品

本實驗中共2塊光伏組件樣品，均為客戶測試失效后送至國家太陽能光伏產品質量監督檢驗中心進行分析的樣品。其中1塊光伏組件為DH 2000測試后失效的光伏組件(下文簡稱“DH失效光伏組件”)，另1塊光伏組件為PID測試(85 ℃、85%相對濕度、192 h)后失效的光伏組件(下文簡稱“PID失效光伏組件”)。

1.2 實驗儀器

使用蘇州高潤新能源科技有限公司生產的型號為GR-2400的光伏組件EL測試儀對光伏組件進行EL測試，使用德國卡爾蔡司集團生產的SIGMA場發射式掃描電鏡對太陽電池表面進行SEM-EDS測試。

1.3 實驗方法

1)對DH失效光伏組件和PID失效光伏組件進行EL測試，結果分別如圖1、圖2所示。

圖1 DH失效光伏組件的EL圖像Fig. 1 EL image of failed PV module after DH test

圖2 PID失效光伏組件的EL圖像Fig. 2 EL image of failed PV module after PID test

2)根據EL測試圖像對2塊失效的光伏組件進行破拆，然后分別選取DH失效光伏組件和PID失效光伏組件的EL圖像中正常區域和異常區域的太陽電池作為正常太陽電池樣品和異常太陽電池樣品。

3)用場發射式掃描電鏡對正常太陽電池樣品和異常太陽電池樣品的表面進行SEM-EDS測試，并對測試結果進行對比分析。

2 實驗結果

2.1 DH失效光伏組件的SEM-EDS測試結果

2.1.1 DH失效光伏組件中正常太陽電池樣品的SEM-EDS測試結果

對破拆DH失效光伏組件后選取的正常太陽電池樣品的柵線區域和表面區域分別進行SEMEDS測試，測試結果如圖3、圖4所示。

圖3 DH失效光伏組件中正常太陽電池樣品柵線區域的SEM-EDS圖Fig. 3 SEM-EDS images of gate line region of normal solar cell sample in failed PV module after DH test

從圖3中可以看出，DH失效光伏組件中正常太陽電池樣品的柵線區域含有C、O、Si、Ag元素。

從圖4中可以看出，DH失效光伏組件中正常太陽電池樣品的表面區域含有C、N、O、Si、Ag元素。

圖4 DH失效光伏組件中正常太陽電池樣品表面區域的SEM-EDS圖Fig. 4 SEM-EDS images of surface region of normal solar cell sample in failed PV module after DH test

2.1.2 DH失效光伏組件中異常太陽電池樣品的SEM-EDS測試結果

對破拆DH失效光伏組件后選取的異常太陽電池樣品的表面區域和柵線區域分別進行SEMEDS測試，并選取SEM圖的不同區域進行EDS分析，以對比分析不同區域EDS結果的差異。具體測試結果如圖5～圖8所示。

圖5 DH失效光伏組件中異常太陽電池樣品表面區域 (區域1)的SEM-EDS圖Fig. 5 SEM-EDS images of surface region (region 1) of abnormal solar cell sample in failed PV module after DH test

圖5的測試結果表明，DH失效光伏組件中異常太陽電池樣品的表面區域(區域1)含有C、O、Na、Si元素。

圖6 DH失效光伏組件中異常太陽電池樣品表面區域 (區域2)的SEM-EDS圖Fig. 6 SEM-EDS images of surface region (region 2) of abnormal solar cell sample in failed PV module after DH test

圖6的測試結果表明，DH失效光伏組件中異常太陽電池樣品的表面區域(區域2)含有C、N、O、Si元素。

圖7的測試結果表明，DH失效光伏組件中異常太陽電池樣品的柵線區域(區域1)含有C、O、Na、Si、Ag、Te、Pb元素。

圖7 DH失效光伏組件中異常太陽電池樣品柵線區域(區域1)的SEM-EDS圖Fig. 7 SEM-EDS images of gate line region (region 1) of abnormal solar cell sample in failed PV module after DH test

圖8 DH失效光伏組件中異常太陽電池樣品柵線區域(區域2)的SEM-EDS圖Fig. 8 SEM-EDS images of gate line region (region 2) of abnormal solar cell sample in failed PV module after DH test

2.1.3 測試結果的對比分析

對上述DH失效光伏組件中正常太陽電池樣品和異常太陽電池樣品的SEM-EDS測試結果進行對比分析。結果發現：

1)在正常太陽電池樣品的柵線區域中，未發現Na等金屬元素；在異常太陽電池樣品的多處柵線區域中，出現了Na等金屬元素。這一結果表明，玻璃中的Na+等金屬離子在高溫、高濕環境中向太陽電池遷移，腐蝕柵線，形成了凹坑。

2)正常太陽電池樣品和異常太陽電池樣品的多處表面區域基本都含有N元素，這表明太陽電池表面的SiNx層未被破壞。

2.2 PID失效光伏組件的SEM-EDS測試結果

2.2.1 PID失效光伏組件中正常太陽電池樣品的SEM-EDS測試結果

對破拆PID失效光伏組件后選取的正常太陽電池樣品的柵線區域和表面區域分別進行SEMEDS測試，并選取SEM圖的不同區域進行EDS分析，以對比分析不同區域EDS結果的差異。具體測試結果如圖9～圖14所示。

圖9 PID失效光伏組件中正常太陽電池樣品柵線區域(區域1)的SEM-EDS圖Fig. 9 SEM-EDS images of gate line region (region 1) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖9中可以看出，PID失效光伏組件中正常太陽電池樣品的柵線區域(區域1)出現了腐蝕凹坑，此區域含有C、O、Na、Al、Si、Ag元素。

從圖10中可以看出，PID失效光伏組件中正常太陽電池樣品的柵線區域(區域2)含有C、O、Si、Ag元素。

掘進機空間位姿監測主要監測掘進機截割頭和機身空間位姿，構建的多傳感器信息的煤礦懸臂式掘進機空間位姿監測系統方案如圖1所示，系統主要由傳感器檢測系統、機載信號處理器和掘進機空間位姿監測上位軟件3大部分組成，系統各個部分組成及功能如下：

圖10 PID失效光伏組件中正常太陽電池樣品柵線區域(區域2)的SEM-EDS圖Fig.10 SEM-EDS images of gate line region (region 2) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

圖11 PID失效光伏組件中正常太陽電池樣品表面區域(區域1)的SEM-EDS圖Fig. 11 SEM-EDS images of surface region (region 1) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

圖11的測試結果表明，PID失效光伏組件中正常太陽電池樣品的表面區域含有C、N、O、Si、Ag元素。

圖12 PID失效光伏組件中正常太陽電池樣品柵線區域(區域3)的SEM-EDS圖Fig. 12 SEM-EDS images of gate line region (region 3) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖12中可以看出，PID失效光伏組件中正常太陽電池樣品的柵線區域(區域3)有腐蝕凹坑，此區域含有C、O、Al、Si、Ag元素。

從圖13中可以看出，PID失效光伏組件中正常太陽電池樣品的表面區域(區域2)含有C、N、O、Si元素。

圖13 PID失效光伏組件中正常太陽電池樣品表面區域(區域2)的SEM-EDS圖Fig. 13 SEM-EDS images of surface region (region 2) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

圖14 PID失效光伏組件中正常太陽電池樣品柵線區域(區域4)的SEM-EDS圖Fig. 14 SEM-EDS images of gate line region (region 4) of normal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖14中可以看出，PID失效光伏組件中正常太陽電池樣品的柵線區域(區域4)有腐蝕凹坑，此區域含有C、O、Mg、Si、Ag元素。

2.2.2 PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品的SEM-EDS測試結果

對破拆PID失效光伏組件后選取的異常太陽電池樣品的柵線區域和表面區域分別進行SEMEDS測試，并選取SEM圖的不同區域進行EDS分析，以對比分析不同區域EDS結果的差異。具體測試結果如圖15～圖21所示。

圖15 PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品柵線區域(區域1)的SEM-EDS圖Fig. 15 SEM-EDS images of gate line region (region 1) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖15中可以看出，PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品的柵線區域(區域1)含有C、O、Mg、Si、Ag元素。

圖16 PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品表面區域(區域1)的SEM-EDS圖Fig. 16 SEM-EDS images of surface region (region 1) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖16中可以看出，PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品的表面區域(區域1)含有C、Si、Ag元素，缺少SiNx層中的N元素。

圖17 PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品柵線區域(區域2)的SEM-EDS圖Fig. 17 SEM-EDS images of gate line region (region 2) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖17中可以看出，PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品的柵線區域(區域2)有腐蝕凹坑，此區域含有C、O、Na、Si、Ca、Fe、Ag元素。

從圖18中可以看出，PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品的表面區域(區域2)含有C、Si、Ag元素，缺少SiNx層中的N元素。

圖18 PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品表面區域 (區域2)的SEM-EDS圖Fig. 18 SEM-EDS images of surface region (region 2) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

圖19 PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品柵線區域 (區域3)的SEM-EDS圖Fig. 19 SEM-EDS images of gate line region (region 3) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖19中可以看出，PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品的柵線區域(區域3)有腐蝕凹坑，此區域含有C、O、Si、Ca、Ag元素。

圖20 PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品柵線邊緣區域的SEM-EDS圖Fig. 20 SEM-EDS images of gate line edge region of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖20中可以看出，PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品的柵線邊緣區域含有C、O、Na、Mg、Si、Ca、Br、Ag元素。

圖21 PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品柵線區域(區域4)的SEM-EDS圖Fig. 21 SEM-EDS images of gate line region (region 4) of abnormal solar cell sample in failed PV module after PID test

從圖21中可以看出，PID失效光伏組件中異常太陽電池樣品的柵線區域(區域4)含有C、O、Na、Mg、Si、Ag元素。

2.2.3 測試結果的對比分析

對上述PID失效光伏組件中正常太陽電池樣品和異常太陽電池樣品的SEM-EDS測試結果進行對比分析。分析結果顯示：

1)在正常太陽電池樣品和異常太陽電池樣品的多處柵線區域均出現了腐蝕凹坑，異常太陽電池樣品更嚴重，且2種樣品的凹坑中均發現了金屬元素。

2)在正常太陽電池樣品的表面區域含有N元素，但異常太陽電池樣品的多處表面區域未出現N元素。

2.3 光伏組件DH失效和PID失效的微觀分析

綜合上文所有SEM-EDS測試結果，對光伏組件DH失效和PID失效進行微觀對比分析。經過分析可知，在高溫、高濕環境中，玻璃中的Na+等金屬離子會向太陽電池的表面聚集，形成由邊框向太陽電池表面移動的漏電流通道；且外加電場(PID測試的外加電場)會加速玻璃中Na+等金屬離子的遷移與富集，腐蝕柵線，從而破壞太陽電池表面致密的SiNx層，影響 p-n 結的正常工作，最終導致光伏組件失效。

3 結論

本文根據EL測試結果對DH失效光伏組件和PID失效光伏組件進行了破拆，分別選取了EL圖像正常區域和異常區域的太陽電池作為樣品，對樣品進行了SEM-EDS測試，并進行了微觀分析對比研究。結果表明，DH測試與PID測試后光伏組件的失效機理均與高溫、高濕環境使玻璃中的金屬離子向太陽電池遷移有關。高溫、高濕環境會導致玻璃中Na+等金屬離子向太陽電池表面聚集，形成漏電流通道，PID測試的外加電場會加速Na+等金屬離子的遷移與富集，腐蝕柵線，破壞太陽電池表面致密的SiNx層，影響p-n 結的正常工作，最終導致了太陽電池的EL圖像發暗及光伏組件失效。