Влияние вызванного светом деградации в солнечных лучах и методы смягчения

Влияние вызванного светом деградации в солнечных лучах и методы смягчения

Солнечная энергия стала краеугольным камнем глобального перехода на возобновляемую энергию, предлагая чистую, масштабируемую альтернативу ископаемому топливу. Фотоэлектрические (PV) массивы, развернутые на жилых, коммерческих и коммунальных установках, в настоящее время генерируют сотни гигаватт электроэнергии ежегодно. Однако долгосрочные показатели и экономическая жизнеспособность этих систем в значительной степени зависят от того, насколько хорошо они выдерживают экологические стрессоры в течение их срока службы. Среди наиболее коварных и хорошо документированных механизмов отказа, влияющих на солнечные панели из кристаллического кремния, является световая деградация (LID). Эта статья обеспечивает техническое исследование LID, его основных причин, его измеримого воздействия на мощность и наиболее эффективные стратегии смягчения, доступные производителям, проектировщикам систем и владельцам активов.

Понимание светоиндуцированной деградации (LID)

LID относится к снижению выходной мощности солнечного элемента или модуля, которое происходит, когда он впервые подвергается воздействию солнечного света. В отличие от постепенного износа от долгосрочного воздействия окружающей среды, LID проявляется быстро, как правило, в течение первых нескольких часов до дней освещения. Деградация не обратима в нормальных условиях работы и приводит к постоянному снижению эффективности. Явление широко изучалось с 1970-х годов, оставаясь постоянной проблемой для индустрии кремниевых фотоэлектрических систем.

Типичная потеря мощности, приписываемая LID, колеблется от 1% до 3% от первоначальной номинальной мощности для стандартных монокристаллических кремниевых модулей, хотя некоторые типы ячеек и производственные процессы могут испытывать потери, превышающие 5%. Для крупной солнечной фермы, производящей 100 мегаватт, потеря эффективности в 3% приводит к значительному снижению годовой доходности и выручки за 25-30-летний срок службы актива. Понимание и контроль LID, следовательно, не просто техническое любопытство, но критическая экономическая проблема для финансистов проекта и операторов.

Физический механизм, стоящий за LID

На полупроводниковом уровне LID вызывается образованием рекомбинационно-активных дефектов в кристаллической решётке кремния. Когда солнечный элемент подвергается воздействию света, энергия фотонов генерирует пары электрон-дырка. В высокочистой, хорошо пассивированной кремниевой пластине эти носители заряда эффективно собираются на электродах клетки. Однако определённые дефектные комплексы при активации светом действуют как центры рекомбинации. Эти центры захватывают электроны или дырки, позволяя им рекомбинировать нерадиативно, прежде чем их можно извлечь, тем самым уменьшая выход тока и напряжения клетки.

Наиболее хорошо характеризуемый дефект, ответственный за LID, включает взаимодействие бора и кислорода. Бор обычно используется в качестве допанта p-типа в монокристаллических кремниевых пластинах, а кислород встраивается в процессе роста кристаллов, особенно в выращенных слитках Чохральского (Cz). При освещении пары бор-кислород (B-O) образуют метастабильный дефект, который очень эффективен при захвате носителей меньшинств. Этот бор-кислородный световой дефект (BO-LID) является доминирующим механизмом деградации в обычных кремниевых солнечных элементах p-типа Cz. Другие допанты и примеси, такие как галлий или железо, также могут участвовать в LID через различные химические пути, хотя и с различной степенью тяжести.

Виды светоиндуцированной деградации

Хотя BO-LID является наиболее распространенным, термин LID охватывает несколько различных путей деградации. Определение конкретного типа, затрагивающего данный модуль, важно для выбора соответствующей стратегии смягчения последствий.

Boron-Oxygen LID (BO-LID)

BO-LID — наиболее широко изученная форма LID. Она встречается в кремниевых пластинах p-типа, легированных бором и выращенных методом Чохральского. Деградация протекает в два этапа: сначала быстрый компонент, стабилизирующийся в течение часов, и медленный компонент, который может занять дни для насыщения. Общая потеря мощности обычно составляет 2-3% от номинальной величины модуля. Дефект метастабилен при освещении, но может быть частично или полностью регенерирован при тепловом отжиге при температурах выше 100°C, который используется в некоторых промышленных процессах.

Лидирование железа и бора (Fe-LID)

Загрязнение железом является ещё одним распространённым источником ЛВД, особенно в клетках, изготовленных с менее строгим контролем чистоты. Атомы железа, которые могут быть введены при распиловке пластин или обработке клеток, могут соединяться с атомами бора в кремнии р-типа. При освещении пары железа-борона диссоциируют, а интерстициальное железо становится высокоэффективным центром рекомбинации. Fe-LID обычно менее тяжел, чем BO-LID в хорошо контролируемых производственных средах, но может стать значительным в клетках с высоким содержанием железа. В отличие от BO-LID, Fe-LID обратим при хранении модулей в темноте при комнатной температуре в течение длительных периодов, так как пары железа-борона вновь формируются.

Световая и повышенная температура, вызванная деградацией (LeTID)

Более недавно идентифицированный механизм деградации, LeTID, происходит при повышенных температурах (обычно выше 50°C) и при освещении. Впервые наблюдаемый в пассивированных излучателях и заднем контакте (PERC) ячейках, LeTID может вызвать потери мощности на 5-10% и более. Точная первопричина LeTID остается под следствием, но считается, что она связана с водородом, металлическими примесями и структурными дефектами в кремниевой массе. LeTID представляет собой особую проблему, потому что его начало может быть отложено на месяцы или годы, и деградация не легко обратить вспять. Стратегии смягчения для LeTID отличаются от тех, которые для традиционного LID, требуя тщательного контроля условий обжига, содержания водорода и процессов металлизации во время изготовления ячейки.

Поверхностная LID

LID не ограничивается кремниевой массой. Деградация может также происходить на силикон-кремниевой границе нитрида, особенно в клетках с субоптимальной поверхностной пассивацией. Свет может вызывать изменения в состоянии заряда диэлектрических пленок, изменяя пассивацию полевого эффекта и увеличивая скорость рекомбинации поверхности. Эта связанная с поверхностью LID более выражена в клетках с более тонкими или менее эффективными пассивирующими слоями и может усугублять эффекты массовой деградации.

Факторы, влияющие на тяжелую психику

Величина LID в данном модуле зависит от нескольких взаимосвязанных факторов, охватывающих качество материала, конструкцию ячеек и условия производства.

• Кислородная концентрация: Ваферы, выращенные методом Чохральского, имеют концентрации кислорода в диапазоне от 5×10¹⁷ до 2×10¹⁸ атомов/см3. Более высокие уровни кислорода непосредственно увеличивают плотность дефектов В-О и ухудшают BO-LID. Кремний с плавающей зоной (FZ), который имеет незначительное содержание кислорода, практически невосприимчив к BO-LID, но более дорог и редко используется в коммерческих солнечных элементах.
• Тип и концентрация допинга: Кремний P-типа, легированный галлием вместо бора, не образует дефектов B-O и поэтому практически не проявляет BO-LID. Это привело к росту интереса к легированным галлием пластинам, хотя доступность и стоимость остаются соображениями. Высоколегированные пластины (более высокое сопротивление) имеют тенденцию показывать более низкий относительный LID, но могут страдать от других компромиссов производительности.
• Архитектура клеток:] Клетки PERC были особенно восприимчивы к LeTID из-за их более высоких тепловых бюджетов и включения водорода во время обработки. И наоборот, передовые архитектуры, такие как гетеропереходные (HJT) или межцифровые клетки обратного контакта (IBC), которые используют пластины n-типа, в значительной степени невосприимчивы к LID, связанному с бором.
• Производственная чистота: Загрязнение переходными металлами, такими как железо, медь или никель, во время роста слитка, вафельной обработки или обработки клеток увеличивает плотность центров рекомбинации, связанных с металлами, усугубляя Fe-LID и другие пути деградации, вызванные примесями.
• Тепловая история: Температурный профиль при обжигании, отжиге и ламинировании клеток влияет на энергию активации образования дефектов. Клетки, которые испытывают быстрое охлаждение, могут замерзать в более высокой концентрации метастабильных дефектов, увеличивая начальную LID.

Измерение и количественная оценка LID

Точные измерения LID необходимы для квалификационных модулей и проверки методов смягчения последствий. Для характеристики деградации фотоэлектрическая промышленность опирается на стандартизированные протоколы испытаний. Наиболее широко используемый стандарт - IEC 61215, который включает в себя последовательность испытаний на деградацию, вызванную светом (MQT 19). Этот тест подвергает модули определенному профилю излучения и температуры и измеряет выходную мощность до и после воздействия.

На практике тестирование LID включает измерение кривой тока (I-V) модуля в стандартных условиях испытаний (STC: 1000 Вт / м2, 25 ° C, спектр AM1.5) до и после кумулятивного воздействия света. Процентное падение максимальной мощности (P_max) определяет величину LID. Для исследовательских целей контролируемые лабораторные эксперименты используют светодиодные или ксеноно-дуговые солнечные симуляторы для обеспечения калиброванного, повторяемого освещения при мониторинге параметров ячейки, таких как напряжение открытой цепи (V_]oc), ток короткой цепи (I_sc) и коэффициент заполнения (FF). Измерения времени жизни несущего меньшинства также используются для непосредственного зондирования плотности дефектов рекомбинации в кремниевой массе.

Важно отметить, что LID отличается от других режимов деградации, таких как потенциально индуцированная деградация (PID), растрескивание клеток или обесцвечивание инкапсулятов. Правильные диагностические процедуры, включая визуализацию электролюминесценции и анализ темного I-V, помогают отличить LID от этих других механизмов отказа.

Методы смягчения для LID

Смягчение LID требует многогранного подхода, который учитывает свойства материала, обработку ячеек, сборку модулей и работу системы.Ни одно решение не устраняет все формы LID, но тщательная интеграция описанных ниже стратегий может снизить общую потерю мощности до менее 1% в современных коммерческих модулях.

Выбор материала и качество пластин

Наиболее прямой способ уменьшить BO-LID - заменить бор-допинговые пластины p-типа Cz альтернативами, в которых отсутствует предшественник дефекта B-O. Вафли с легированным галлием p-типа демонстрируют минимальную LID, потому что галлий не образует светоактивированные рекомбинационные комплексы с кислородом. Аналогично, кремниевые пластины n-типа, которые легированы фосфором или другими донорскими элементами, не содержат бора и практически свободны от BO-LID. Ячейки N-типа также имеют преимущество более высокого срока службы миноритарного носителя и лучшую толерантность к общим примесям. В то время как пластины n-типа и пластины с легированным галлием p-типом несут умеренную премию за стоимость, улучшения в стабилизированной эффективности и долгосрочной надежности могут более чем компенсировать это для высокопроизводительных модулей в прикладных масштабах.

Снижение содержания кислорода в Cz-волнах за счет улучшенных методов роста кристаллов, таких как применение магнитных полей во время тяги или оптимизации вращения тигля, также снижает плотность дефектов B-O. Кремний в плавучей зоне, в то время как дорогой, обеспечивает окончательное решение для чувствительных к кислороду приложений, таких как солнечные элементы космического класса или эталонные элементы, используемые в калибровочных лабораториях.

Предварительное кондиционирование и регенерация

Поскольку LID проявляется в течение первых часов воздействия света, производители могут предварительно обусловливать модули для стабилизации дефектов перед отправкой. Самый простой подход заключается в том, чтобы подвергать готовые модули контролируемому освещению (обычно 1 солнце при 25-50°C) в течение 20-50 часов, что позволяет ухудшению происходить в заводской обстановке, а не в полевых условиях. После этого предварительного кондиционирования модули повторно тестируются и сортируются, а рейтинг мощности листа данных отражает стабилизированную производительность, а не первоначальный пик.

Более продвинутый метод включает в себя отжига регенерации, при котором модуль освещается при повышенных температурах (100-200°C) в течение нескольких минут до нескольких часов. Тепловая энергия обеспечивает активацию, необходимую для преобразования метастабильных дефектов B-O в стабильную, менее рекомбинационно-активную конфигурацию. Это состояние регенерации сохраняется в нормальных условиях работы, предотвращая дальнейшее LID. Регенерация успешно коммерциализирована несколькими ведущими производителями ячеек и может снизить BO-LID до менее чем 0,5%. Однако процесс должен быть тщательно оптимизирован, чтобы избежать повреждения инкапсулирующего или задней панели модуля и предотвратить неблагоприятные эффекты, такие как активация LeTID в ячейках PERC.

Анти-LID покрытия и обработка поверхности

Поверхностные пассивирующие слои играют двойную роль в ЛИИ. Во-первых, они снижают скорость поверхностной рекомбинации, которая может маскировать некоторую разложение навалом. Во-вторых, некоторые диэлектрические пленки, такие как нитрид кремния (SiN_]x), осаждаемые плазменным химическим осаждением пара (PECVD), содержат водород, который может диффундировать в кремниевую массу и пассивировать дефекты рекомбинации, включая комплексы В-О. Эффект пассивации водорода зависит от температуры и может быть оптимизирован путем тщательного контроля параметров осаждения и последующих этапов отжига.

Анти-LID покрытия, специально предназначенные для ингибирования образования дефектов B-O, были исследованы в исследовательских условиях. Эти покрытия обычно включают положительно заряженные виды, которые изменяют местное электрическое поле вблизи поверхности кремния, уменьшая поперечное сечение захвата дефекта. Однако этот подход остается экспериментальным и еще не достиг широкого коммерческого внедрения.

Оптимизированная обработка клеток и термоменеджмент

Тепловой профиль, испытываемый клеткой во время обжига и ламинирования, оказывает глубокое влияние на ЛИИ. Быстрое охлаждение после стадии контактного обжига может замораживаться в высокой концентрации метастабильных дефектов. Расширяя рампу охлаждения или добавляя контролируемый отжиг при промежуточных температурах, производители могут снизить начальную плотность активных центров рекомбинации. Аналогично, стадия ламинирования, которая подвергает клетку воздействию температур около 150°С в течение 10-20 минут, может служить частичной регенерацией отжига, если процесс хорошо контролируется.

Для LeTID в клетках PERC необходимо тщательно управлять содержанием водорода в диэлектрических слоях. Избыток водорода может образовывать комплексы с металлическими примесями или границами зерен, которые становятся рекомбинационно-активными при свете и нагреве. Было показано, что снижение концентрации водорода, изменение температуры обжига или переход на альтернативные схемы пассивации, такие как оксид алюминия (Al_]2O₃, снижает восприимчивость LeTID.

Стратегии смягчения системного уровня

На системном уровне у разработчиков и операторов систем меньше возможностей для смягчения воздействия LID, поскольку деградация происходит в течение нескольких дней после установки. Однако следующие методы могут помочь свести к минимуму воздействие:

• Более точные оценки модулей: Спецификация закупок может потребовать предварительного кондиционирования или оценки модулей на основе стабилизированной (после LID) мощности. Это гарантирует, что массив обеспечивает ожидаемую выходную мощность с первого дня, не полагаясь на первоначальный бонус мощности, который исчезает после LID.
• Контролируемый ввод в эксплуатацию: Для больших систем, пошатывающих соединение инверторов или использующих сворачивание в течение первых нескольких дней эксплуатации, можно снизить скорость образования дефектов, ограничив текущую нагрузку.Однако эта стратегия имеет ограниченную практическую пользу, поскольку LID зависит от освещения, а не от нагрузки.
• Селективное размещение модулей: В некоторых случаях модули с высоким потенциалом LID могут размещаться в менее критических положениях на массиве, резервируя наиболее высокопроизводительные позиции для премиальных модулей. Этот подход требует характеристики I-V на модуль и более осуществим в установках малого и среднего размера.
• Мониторинг и обеспечение гарантий: Передовые системы мониторинга, отслеживающие кривые I-V уровня модулей или коэффициенты производительности на уровне струн, могут обнаруживать LID в первые недели эксплуатации. Владельцы активов могут затем требовать гарантийного покрытия, если деградация превышает установленные производителем пределы. Современные гарантии модуля обычно гарантируют выход мощности не менее 97% от номинального рейтинга после первого года, что составляет LID и начальную стабилизацию.

Отраслевые стандарты и протоколы испытаний

Международное фотоэлектрическое сообщество установило строгие стандарты испытаний для количественной оценки LID и обеспечения того, чтобы модули соответствовали гарантиям производительности. Наиболее актуальным стандартом является IEC 61215:2021 , «Наземные фотоэлектрические (PV) модули — квалификация проектирования и утверждение типа», который включает в себя испытание на деградацию, вызванное светом (MQT 19). Тест требует подвергания модуля кумулятивному облучению 5 кВтч / м2 при облучении от 500 Вт / м2 до 1000 Вт / м2 и температуре модуля от 25 ° C до 50° C. Максимальная мощность модуля измеряется до и после воздействия, и изменение регистрируется.

В дополнение к IEC 61215 Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) и другие исследовательские организации разработали специализированные протоколы для измерения LID в клетках и небольших модулях. Эти протоколы часто включают измерения времени жизни миноритарных носителей с использованием таких методов, как квазиустойчивое состояние фотопроводимости (QSSPC) или распад микроволновой фотопроводимости (μPCD). Эти инструменты обеспечивают прямую меру плотности дефекта и позволяют исследователям изолировать объемную LID от поверхностных эффектов.

Для LeTID протокол тестирования является более сложным, поскольку для деградации требуется как свет, так и повышенная температура. В технической статье по LeTID PV Tech описывается модифицированная последовательность испытаний, включающая расширенное воздействие при 75 ° C при освещении 1 солнцем. Стандарт все еще развивается, и производители все чаще требуют предоставлять данные характеристики LeTID в составе таблиц данных модулей.