Более глубокое понимание УФ-деградации
Потери производительности из-за ультрафиолетового (УФ) излучения стали проблемой для новых фотоэлектрических элементов, хотя более ранние лабораторные исследования могли преувеличить масштаб проблемы. Пол Гебхардт, специалист по надёжности фотоэлектрических модулей в Институте систем солнечной энергии им. Фраунгофера (ISE), описывает механизм, который мог исказить более ранние результаты.
Не могли бы вы рассказать о недавних проблемах в отрасли, связанных с разрушением фотоэлектрических модулей под воздействием ультрафиолета?
В течение примерно двух с половиной лет мы участвовали в нескольких проектах, в рамках которых крупные покупатели модулей сравнивали различные типы модулей с точки зрения надёжности. В ходе этих проектов мы обнаружили, что в лабораторных испытаниях некоторые модули сильно деградировали под воздействием ультрафиолета. Это происходило наряду с другими проблемами, такими как механическая нагрузка или деградация из-за влажного тепла, но деградация под воздействием ультрафиолета стала для нас и других представителей отрасли, включая некоторых производителей модулей, самым большим сюрпризом.
Проще говоря, доза УФ-излучения, применённая в ходе испытания, обычно соответствует примерно одному году воздействия в Европе. Если бы такая деградация в лабораторных условиях наблюдалась в реальных условиях, это означало бы, что экономическая целесообразность многих крупных фотоэлектрических проектов может быть существенно снижена из-за снижения производительности, вызванного УФ-излучением.
А видели ли вы, что эти уровни УФ-деградации начинают проявляться в модулях, которые уже используются в полевых условиях?
Вот тут-то и появляется ещё одно недавнее открытие. Мы быстро поняли, что эти модули не демонстрируют стабильного поведения после тестирования на устойчивость к ультрафиолетовому излучению в лаборатории. В зависимости от условий хранения и освещения мы иногда наблюдали очень сильную деградацию, но также и что-то вроде восстановления. Сообщество пришло к выводу, что здесь задействованы два разных механизма.
У нас есть деградация, вызванная ультрафиолетовым излучением, которая, насколько нам известно, приводит к необратимому повреждению пассивирующего слоя ячеек. Кроме того, после УФ-теста происходит дополнительный процесс. Если модуль хранится в темноте, он теряет мощность. Это может привести к деградации на несколько процентов в течение одного-двух дней. Но этот процесс можно обратить вспять, если в течение нескольких минут подержать модуль на свету.
Это можно расценивать как артефакт, который мы наблюдаем только в лабораторных условиях. Чтобы избавиться от этого артефакта и оценить соответствующую часть УФ-деградации, нам нужна надлежащая стабилизация. В этом, по сути, и заключается основная идея.
Значит ли это, что проблема в том, как ускоряется лабораторный тест, — возможно, он слишком интенсивен, чтобы точно отразить то, что происходит в полевых условиях?
Не совсем, хотя мы всё ещё изучаем этот вопрос. Пока нет качественных исследований, в которых сравнивалась бы деградация в помещении и на улице, поэтому на данный момент мы можем предположить, что ускорение и более высокая интенсивность света приведут к такой же деградации, как и более длительное воздействие с меньшей интенсивностью.
С одной стороны, мы наблюдали случаи деградации под воздействием ультрафиолета в полевых условиях. С другой стороны, учитывая количество типов модулей, которые демонстрируют деградацию под воздействием ультрафиолета в лабораторных условиях, можно предположить, что на открытом воздухе таких случаев будет больше. При сравнении результатов, полученных в помещении и на открытом воздухе, возникает неопределённость. Но независимо от этого мы знаем, что на результаты, полученные в помещении, влияет дополнительный эффект хранения в темноте.
Указывает ли это на необходимость обновления стандартных процедур тестирования?
После УФ-теста необходимо добавить вымачивание в светлом растворе или другую процедуру стабилизации. Сейчас обсуждается вопрос о том, можем ли мы использовать ту же процедуру вымачивания в светлом растворе, которая описана в стандарте, или нам нужно разработать специальную процедуру вымачивания в светлом растворе, которая будет применяться после УФ-теста. Также могут потребоваться изменения в самом УФ-тесте. Например, рабочая точка, если модули находятся в режиме короткого замыкания или разомкнуты, или отслеживание точки максимальной мощности в УФ-камере. По этим вопросам всё ещё собираются данные.
Связана ли эта проблема с ухудшением характеристик модулей с туннельными оксидными пассивированными контактами (TOPCon) или вы сталкивались с ней и в других технологиях?
В принципе, это может повлиять и на модули с пассивированным эмиттером (PERC), хотя сложно сказать наверняка, поскольку сейчас на рынке не так много новых коммерческих моделей PERC. Мы также видим сообщения о том, что модули с гетеропереходом имеют как минимум аналогичный эффект. Что касается обратного контакта, то данных не так много. Однако, если посмотреть на архитектуру элемента, можно заметить сильное сходство с передней частью, а поскольку ультрафиолетовое излучение в полевых условиях обычно освещает переднюю часть, мы ожидаем аналогичного поведения.
Производители предлагают различные решения для борьбы с разрушением под воздействием ультрафиолета — как правило, это тщательный контроль процесса или добавление компонентов в инкапсулирующий материал. Можете ли вы прокомментировать их эффективность?
Мы сталкивались со случаями, когда производители модулей после нашего обращения к ним заявляли, что что-то изменили. Мы не знаем подробностей, но после внесения этих изменений модули гораздо меньше подвергались деградации под воздействием ультрафиолета.
Поэтому мы считаем, что эту проблему можно решить на уровне клетки, изменив, например, свойства антибликового слоя, концентрацию водорода в некоторых слоях или какой-то другой фактор.
Другая стратегия, используемая в коммерческих модулях с гетеропереходом, заключается в добавлении в инкапсулирующий материал УФ-блокатора или дауншифтера. Однако в долгосрочной перспективе это может привести к дополнительным проблемам, если эти полимерные добавки со временем разрушатся.
Как вы считаете, стоит ли производителям по-прежнему беспокоиться о деградации под воздействием ультрафиолета в TOPCon или любой другой технологии производства элементов питания?
Нам не стоит беспокоиться из-за TOPCon или любой другой технологии в целом. Но тщательное тестирование на устойчивость к ультрафиолетовому излучению должно быть частью обычного контроля качества для производителей и покупателей. Возможно, проблема не так серьёзна, как мы думали или как показали некоторые предыдущие тесты. Но она всё ещё существует.
Пока мы не знаем наверняка, как УФ-излучение влияет на материалы и можно ли в лабораторных условиях точно определить, что будет происходить с ними в долгосрочной перспективе, можно снизить риск, проведя испытания на воздействие УФ-излучения и купив те типы модулей, которые не подвержены деградации в лабораторных условиях. Такие модули, безусловно, существуют.