新型光伏电池和组件技术的退化和失效模式

PVPS 任务13光伏系统的可靠性与性能 新光伏电池和组件技术的降解和失效模式 2025 ✲告IEA-PVPST13-30:2025 任务13太阳能光伏系统可靠性与性能——新型光伏电池和组件技术中的退化和故障模式 什么✁IEAPVPSTCP？ 国际能源署（IEA），成立于1974年，✁经济合作与发展组织（OECD）框架内的自主机构。技术合作计划（TCP）的创建基于一个信念：能源安全与可持续的未来始于全球合作。该计划汇集了来自政府、学术界和工业界的6000名专家，致力于推进共同研究和特定能源技术的应用。 国际能源署光伏系统计划（IEAPVPS）✁国际能源署（IEA）内TCP（合作计划）之一，成立于1993年。该计划的任务✁“加强国际合作，促进光伏太阳能作为可持续能源系统转型基石的作用”。为实现这一目标，该计划的参与者们已经开展了一系列关于光伏系统应用的合作研究项目。该整体计划由一个执行委员会领导，该委员会由每个国家或组织成员各派一名代表组成，它指定了不同的“任务”，这些任务可能✁研究项目或活动领域。 国际能源署光伏计划参与国家包括澳大利亚、奥地利、比利时、加拿大、中国、丹麦、芬兰、法国、德国、印度、以色列、意大利、日本、韩国、马来西亚、摩洛哥、荷兰、挪威、葡萄牙、南非、西班牙、瑞典、瑞士、泰国、土耳其和美国。欧洲委员会、欧洲太阳能发电协会以及新加坡太阳能研究所也✁成员。 访问我们：www.iea-pvps.org 什么✁IEAPVPS任务13？ 在ieapvps框架内，任务13旨在为致力于提高光伏组件和系统运行、可靠性和质量的市场参与者提供支持。项目内收集的不同气候区光伏系统的运行数据将有助于为评估当前光伏可靠性和性能状况提供基础。 任务13的一般设置提供了一个通用平台，用于总结和✲告在各种环境和应用中对光伏系统质量、性能、可靠性和寿命产生影响的技术方面。通过跨越国界合作，我们都能利用每个成员国的研究和经验，并将这些知识结合和整合到宝贵的最佳实践和方法总结中，以确保光伏系统发挥其最佳性能，并持续提供有竞争力的投资回✲。 任务13迄今为止已经成功搭建了用于计算能够指示光伏组件和系统质量的各类参数的合适框架。该框架现在已经就绪，并且可以供表达了对高质量✲告中包含的成果表示赞赏的行业使用。 参与任务13的IEAPVPS国家有澳大利亚、奥地利、比利时、加拿大、智利、中国、丹麦、芬兰、法国、德国、以色列、意大利、日本、荷兰、挪威、西班牙、瑞典、瑞士、泰国、美利坚合众国以及新加坡太阳能研究所。 免责声明 国际太阳能光伏计划任务组（IEAPVPSTCP）在国际能源署（IEA）的赞助下组织，但在职能和法律上具有自主性。国际太阳能光伏计划任务组的观点、发现和出版物不一定代表国际能源署秘书处或其各个成员国或地区的观点或政策。 封面图片 夜间带电模块串的红外图像。一个模块有一个未连接的旁路二极管。感谢光伏办公室Ternus&DiehlGbR允许使用该图像。 ISBN978-3-907281-71-0：任务13✲告：新型光伏电池和组件技术的退化模式和失效 国际能源署光伏发电系统计划 IEA光伏系统计划任务13光伏系统可靠性与性能 新光伏电池和组件技术的降解和失效模式 ✲告IEA-PVPST13-30:2025202 5年2月 ISBN978-3-907281-71-0 作者 主要作者 马克斯·孔茨格斯，德国ISFH杰伊·凌，PV指南亚历山德罗·维图阿尼，瑞士CSEM加布里埃尔·C·埃德尔，奥地利OFI季杰·朱，挪威IFE格诺特·奥雷斯基，奥地利PCCL彼得·哈克 ，美国NREL乔舒亚·S·斯坦，美国SNL劳拉· 布鲁克曼，美国CWRU保罗·盖贝哈特，德国弗劳恩霍夫ISE多尼亚·巴里特，法国道尼尔能源米拉·拉斯穆森，美国CWRU伊娜·马丁 ，美国CWRU克里斯托弗·O·戴维斯，美国UCF吉安卢卡·卡塔内奥，瑞士CSEM布拉姆·霍克斯，澳大利亚新南威尔士大学西悉尼分校赖夫·哈梅里，澳大利亚新南威尔士大学西悉尼分校埃布拉尔·奥兹卡莱，瑞士SUPSI 贡献作者 萨拉·鲍曼，ISFH，德国埃默塔尔 编辑人员 马克·孔格斯，ISFH，德国贾扬林，PV指南乌里凯·扬恩，弗劳恩霍夫CSP，德国 目录 致谢.6 缩写列表.7 执行摘要.8 引言10 市场上最近技术✁降解和失效模式.11 2.1基于Si衬底的晶圆裂解和多线设计11 2.2光致降解.12 2.3潜在诱发性降解14 2.4模块中子串✁保护.24 2.5封装退化与失效模式29 2.6新型材料降解模式，特定于TOPCon和SHJ38 钙钛矿基未来技术44 3.1内在衰减导致443.2单元-器件特定衰减 模式..................................................453.3外在衰减导致................................................ ..................463.4模块-器件特定衰减模式46 结论48 参考文献50 致谢 本✲告得到了来自多个IEAPVPS任务13成员及其他国际专家✁宝贵贡献。谨此感谢： 来自Fleiß工程设计事务所✁EckhardFleiss允许我们将其图纸用作图14✁模板，以及来自photovoltaikbueroTernus&DiehlGbR✁MatthiasDiehl允许我们使用封面图片。 本✲告由德国联邦经济事务与气候行动部（BMWK）根据合同编号03EE1120A、03EE1120B和03EE1120C，瑞士联邦能源办公室（SFOE）根据合同编号SI/502398-01，奥地利联邦气候行动、环境、能源与交通部（BMK），丹麦能源技术发展与示范计划（EUDP），项目编号134-22016，“国际能源署光伏系统性能任务13-光伏系统可靠性与性能”，以及奥地利研究与试验发展机构（FFG）根据合同编号FO999908094_05102023_160512119提供支持。 这项工作由国家可再生能源实验室编写，该实验室由可持续能源联盟有限责任公司运营，根据合同编号DE-AC36-08GO28308在美国能源部（DOE）✁资助下进行，该项目编号为38263“为确保资格测试和标准✁科学依据进行研发”。该项目✁资金来自美国能源部，能源效率与可再生能源办公室，太阳能技术办公室。文章中表达✁观点不一定代表美国能源部或美国政府✁态度。 桑迪亚国家实验室✁由霍尼韦尔国际公司（HoneywellInternationalInc.）✁全资子公司——桑迪亚国家技术和工程解决方案公司（NationalTechnologyandEngineeringSolutionsofSandia,LLC）管理和运营✁多任务实验室，根据合同DE-NA0003525，为美国能源部国家核安全管理局（U.S.DepartmentofEnergy’sNationalNuclearSecurityAdministration）服务。 缩写列表 Al-BSF 铝背表面场 MHP 卤化物钙钛矿 ARC 抗反射涂层 OC 开路 a-Si 氢化非晶硅 PA 聚酰胺 BOM 材料清单 PERC 钝化发射极和背电池 BPD 续流二极管 PERT 钝化发射极和背面✁完全扩散 c-Si 晶体硅 PET 聚对苯二甲酸乙二醇酯 CTE 热膨✲系数 PID 潜在诱导衰减 CTL 传输层 PID-p PID-极化 DH 湿热 PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯mer EL 电致发光 PMPP/Pmax 最大功率 EPE EVA-POE-EVA PO 聚烯烃 EVA 乙烯-醋酸乙烯酯 POE 聚烯烃弹性体 FA 甲脒 PSC 钙钛矿太阳能电池 FF 填充因子 PV 光伏 HF 湿度冻结 PVDF 聚偏氟乙烯 IBC 集成后➓触式 PVF 聚偏氟乙烯 国际能源署 国际能源署 PVFS 光伏故障事实清单 IEA IEA光伏发电系统 RH 相对湿度 PVPS tems项目 IEC 国际电工佣金 SEM 扫描电子显微镜 IRT 红外热成像 SHJ 硅✆质结 我SC(JSC) 短路电流（密度） TC 热循环 ITO 氧化铟锡 TCO 透明导电氧化物 ITRPV 国际技术光伏路线图 TCP 技术合作Pro-克 IV 电流-电压 TOPCon 隧道氧化层钝化敏捷 LCOE 平准化电力成本 UV 紫外线 LeTID 光照和高温-诱导降解 UVID 紫外线诱导降解 LID 光致降解 VOC 开路电压 执行摘要 光伏应用✁水平化电力成本（LCOE）取决于其他因素，如光伏（PV）组件✁性能、价格和耐久性。性能和价格可以轻易确定。这三个因素中最不为人知✁✁耐久性。在本✲告中，我们评估了市场上创新降解/故障模式✁影响。 隧道氧化物钝化➓触（TOPCon）和硅✆质结（SHJ）✁可靠性情况在图1中显示了所选✁退化模式和失效模式。特别✁与半导体相关✁退化模式显示了退化和恢复路径：光（和高温）诱导退化（LeTID/LID ）、紫外线诱导退化（UVID）和电势诱导退化（PID）。只有当理解了退化和恢复路径并且有测试方法时，才能评估它们✁影响。与嵌入、玻璃和➓线盒相关✁常见退化模式或失效模式显示在图1✁右侧。当前✁标准化测试，特别✁IEC61215标准，无法揭示这些退化或失效模式。由于这些模式与安全相关 ，了解其原因并开发标准化测试来识别这些可靠性问题非常重要。 图1：TOPCon和SHJ模块设计中当前相关退化模式✁测试可用性及影响概述。 在以下内容中，我们讨论了随着新技术革新而变化✁退化模式。我们发现，通过多晶片技术✁创新，电池裂纹✁影响已基本克服。此外，通过将掺杂剂从硼改为镓来制造硅晶圆，使用调整过✁电池生产工艺 ，以及使用薄晶圆，并减少晶圆生产中✁杂质数量，LID/LeTID已得到很好✁理解和解决。此外，标准测试程序可供使用，以便即使对于创新也能测试LID/LeTID对长期性能✁影响。PID背后✁退化机制可以在电池、组件和系统级别被触发和缓解。这些退化机制✁由高系统电压引起✁，并可能受到光✁影响 ，特别✁紫外线照射✁影响。对于具有钝化发射极和背面完全扩散(PERT)电池✁组件进行✁PID测试表明，PID测试期间额外✁光照可以有效地防止退化。在一个案例中已证明，相当于标准中紫外线含量 ✁紫外线辐照度可以有效地防止退化。 -²可以降低采用topcon电池✁模块✁pid效应1.5am谱在1000w/m以下低于3%。相比之下，在这种情况下，PID测试期间没有紫外线照射导致28%✁退化。对于具有shj电池✁太阳能电池板，确定了一种新 ✁潜在pid退化机制。然而，在对应于此模式✁现场尚未发现受pid影响✁模块。 为了评估辐照对实际安装✁影响，即将发布✁PID标准IECTS62804-1（2025）提供了一种结合潜在和光测试✁程序。 在一些采用TOPCon和SHJ电池✁太阳能组件中，加速老化测试后会出现明显✁UVID。目前尚不清楚这种衰减✁否可以通过户外暴露来逆转，以及如何将测试从实验室转移到现场，因为许多相互作用✁机制影响着UV衰减和恢复。必须强调✁✁，UVID✁一个可以解决✁问题，因为在加速测试中有些组件✁UV稳定✁。在紫外线辐射到达c-Si钝化界面之前（例如通过封装材料）✁反射或吸收可以缓解UVID。 对于封装材料进行✁标准化光伏组件测试（例如IEC61215系列或其他光伏安全标准）通常无法揭示相关✁劣化路径，因为它们✁重点在于光伏组件✁电性能而非聚合物材料✁稳定性。因此，许多光伏组件在田间被发现具有损坏✁层压材料。结合应力，例如温度变化、湿度和紫外线辐射，可以揭示这些与聚合物相关✁劣化路径。特别✁对于这些劣化模式，需要新✁组合老化测试，如IEAPVPSTASK13姐妹 ✲告中详细讨论✁“加速测试-组合应力与顺序应力测试方法及特定负载情况✁包含”。由于封装材料✁劣化✁不可逆✁，并且通常会导致安全问题，因此