屋内PID試験による信頼性評価： n型単結晶Si太陽電 …...屋内PID試験→...
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結果 原 浩二郎 a ・小川 錦一 a ・岡林 裕介 b ・松崎 弘幸 b ・増田 淳 a 産業技術総合研究所 a 太陽光発電研究センター モジュール信頼性チーム b 分析計測標準研究部門 ナノ分光計測研究グループ 実験 研究の目的 結論・まとめ 参考文献 考察 屋内PID試験による信頼性評価： n型単結晶Si太陽電池モジュール 謝辞 ・R. Swanson el al., PVSEC-15, Shanghai (2005). ・K. Hara et al., RSC Adv., 4, 44291 (2014). ・K. Hara, S. Jonai, and A. Masuda, RSC Adv., 5, 15017 (2015). ・K. Hara et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 140, 361 (2015). ・ 信越化学工業 ： 大和田 寛人 氏、降籏 智欣 氏 ・ 日清紡メカトロニクス ： 仲濱 秀斉 氏、飯田 浩貴 氏、高木 靖史 氏 ・ 佐賀県工業技術センター ： 河合 信次 氏、福元 豊 氏、玉井 富士夫 氏 ・ 産総研 ： 城内 紗千子 氏、白澤 勝彦 氏、古部 昭広 氏（現徳島大学）、 石井 徹之 氏（現電力中央研究所）、佐藤 梨都子 氏、山本 千津子 氏 ・セル表面での電荷蓄積 (Surface polarization)が劣化の主原因 → 表面再結合が促進 (Na + 等は原因ではない) p型セルよりも低電圧・低温で起こりやすい Si 3 N 4 層のパッシベーション効果の消失か？ ・劣化の有無や電圧の極性はセル表面構造に依存 両面受光FJ型、RJ型、バックコンタクト型、ヘテロ型など ・高体積抵抗部材やヘテロ構造 (最表面TCO)等で対策、低減可能 単セルモジュール ＋ – c-Si バックシート Al板 EVA アルミ板から電圧印加 （±1000 V, 85℃） ガラス 導電性ゴムシート c-Si 白板ガラス EVA バックシート 屋内PID試験 → 短期間でのPID再現を目的 両面受光・n型Siセル (国内メーカー) チャンバー法 アルミ法 市販モジュール: フレーム から電圧印加（85℃+85%） → 簡便に短時間でPIDを再現可能 さらなる高信頼性（高効率・低コスト）太陽電池モジュールの実現 本研究の内容 n-type AR AR Ag n + p ++ p + Ag 両面受光 Front Junction (FJ)型 n-type Ag p ++ p + AR AR n + Ag n-type n + p + n-type Ag p + (a-Si) Ag TCO TCO n + (a-Si) ヘテロ型 バックコンタクト型 各種の高効率・n型単結晶Si太陽電池モジュールにおけるPIDの評価と対策 AR n + 背景 : SunPowerがバックコンタクト型ではじめてPIDを報告 : R. Swanson et al., PVSEC-15 (2005). Voltage / V Current / A PID試験 : (1) –1000 V, 85℃, 10 min and (2) +1000 V, 85℃, 10 min Before –1000 V Voltage / V Before +1000 V –1000 V +1000 V 両面受光RJ型：劣化なし 両面受光FJ型 両面受光RJ型 n-type AR AR Ag n + p ++ p + Ag n-type Ag p ++ p + AR AR n + Ag EL PL セル全面均一に暗所化 Before 60 min Voltage / V Current / A Si 3 N 4 層なし : 劣化わずか ・両面受光FJ型-Si 3 N 4 層なし PID試験 : –100 V, 60℃, 60 min External quantum efficiency Wavelength / nm 標準型 Si 3 N 4 層なし 実線：試験前 点線：PID後 表面再結合の促進が劣化原因の可能性 両面受光FJ型 両面受光FJ型 : 負電圧で劣化 （正電圧で回復） キャリアによる吸収を赤外光 (>1500 nm)でプローブ 未試験 励起強度 : 47 J/cm 2 PID後 PID後、短波長 側でキャリアの 減衰が高速化 ・過渡吸収測定によるキャリア再結合過程の評価 ・PIDによる分光感度特性の変化 ・両面受光セル・表面構造の影響 ・両面受光FJ型のEL, PL画像の変化 Before –1000V 10 min +1000V 10 min Before 60 min ・市販モジュールのPID試験結果 Voltage / V Current / A Before +1000 V –1000 V PID試験 : (1) +1000 V, 85℃+85%, 96 h and (2) –1000 V, 85℃+85%, 96 h Before +1000 V –1000 V 正電圧で劣化 （負電圧で一部回復） Voltage / V Before +1000 V –600 V Voltage / V 劣化なし ヘテロ型 バックコンタクト型 (A) 劣化の有無や劣化電圧の極性はセル構造に大きく依存 400 nm励起 1064 nm励起 532 nm励起 ・n型SiモジュールにおけるPIDメカニズムの考察 セルへのマイナス高電圧 電子濃度の増加 → 表面再結合の増加 n-Si EVA Si 3 N 4 Glass Al + – ––– +++ 電子がAR膜中にトラップ –– + + n-Si EVA Glass +++ ––– Al + – ホールがAR膜中にトラップ p-Si + – Si 3 N 4 + – SiO 2 SiO 2 ホール濃度の増加 → 表面再結合の増加 セルへのプラス高電圧 バックコンタクト型 両面受光FJ型 n型単結晶Si太陽電池モジュールにおけるPID バックコンタクト型 (B) 吸収係数が大きい短波長の分光感度が Si 3 N 4 層なしと同レベルまで低下 負電圧で劣化 （正電圧で劣化なし） Nor. %Abs Nor. %Abs Time / s Time / s 両面受光 Rear Junction (RJ)型
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結果
原 浩二郎a・小川 錦一a・岡林 裕介b・松崎 弘幸b・増田 淳a
産業技術総合研究所 a太陽光発電研究センター モジュール信頼性チームb分析計測標準研究部門 ナノ分光計測研究グループ
実験研究の目的
結論・まとめ 参考文献
考察
屋内PID試験による信頼性評価：n型単結晶Si太陽電池モジュール
謝辞
・R. Swanson el al., PVSEC-15, Shanghai (2005).・K. Hara et al., RSC Adv., 4, 44291 (2014).・K. Hara, S. Jonai, and A. Masuda, RSC Adv., 5, 15017 (2015).・K. Hara et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 140, 361 (2015).
・ 信越化学工業 ： 大和田 寛人 氏、降籏 智欣 氏
・ 日清紡メカトロニクス ： 仲濱 秀斉 氏、飯田 浩貴 氏、高木 靖史 氏
・ 佐賀県工業技術センター ： 河合 信次 氏、福元 豊 氏、玉井 富士夫 氏
・ 産総研 ： 城内 紗千子 氏、白澤 勝彦 氏、古部 昭広 氏（現徳島大学）、
石井 徹之 氏（現電力中央研究所）、佐藤 梨都子 氏、山本 千津子 氏
・セル表面での電荷蓄積 (Surface polarization)が劣化の主原因
→ 表面再結合が促進 (Na+等は原因ではない)
p型セルよりも低電圧・低温で起こりやすい
Si3N4層のパッシベーション効果の消失か？
・劣化の有無や電圧の極性はセル表面構造に依存
両面受光FJ型、RJ型、バックコンタクト型、ヘテロ型など
・高体積抵抗部材やヘテロ構造 (最表面TCO)等で対策、低減可能
単セルモジュール
＋
–c-Si
バックシート
Al板
EVA
アルミ板から電圧印加（±1000 V, 85℃）
ガラス 導電性ゴムシート
c-Si
白板ガラス
EVA
バックシート
屋内PID試験→ 短期間でのPID再現を目的
両面受光・n型Siセル(国内メーカー)
チャンバー法
アルミ法
市販モジュール: フレームから電圧印加（85℃+85%）
→ 簡便に短時間でPIDを再現可能
さらなる高信頼性（高効率・低コスト）太陽電池モジュールの実現
本研究の内容
n-type
AR
AR
Ag
n+
p++ p+
Ag
両面受光Front Junction (FJ)型
n-type
Ag
p++
p+
AR
AR
n+
Ag
n-type
n+ p+
n-type
Ag
p+ (a-Si)
Ag
TCO
TCOn+ (a-Si)
ヘテロ型バックコンタクト型
各種の高効率・n型単結晶Si太陽電池モジュールにおけるPIDの評価と対策
ARn+
背景 : SunPowerがバックコンタクト型ではじめてPIDを報告 : R. Swanson et al., PVSEC-15 (2005).
Voltage / V
Cu
rren
t / A
PID試験 : (1) –1000 V, 85℃, 10 min and (2) +1000 V, 85℃, 10 min
Before–1000 V
Voltage / V
Before+1000 V
–1000 V
+1000 V
両面受光RJ型：劣化なし
両面受光FJ型 両面受光RJ型
n-type
AR
AR
Ag
n+
p++ p+
Ag
n-type
Ag
p++ p+
AR
AR
n+
Ag
EL PL
セル全面均一に暗所化
Before
60 min
Voltage / V
Cu
rren
t / A
Si3N4層なし : 劣化わずか
・両面受光FJ型-Si3N4層なし
PID試験 : –100 V, 60℃, 60 min
Ext
ern
al q
uan
tum
eff
icie
ncy
Wavelength / nm
標準型
Si3N4層なし
実線：試験前点線：PID後
表面再結合の促進が劣化原因の可能性
両面受光FJ型
両面受光FJ型 : 負電圧で劣化（正電圧で回復）
キャリアによる吸収を赤外光 (>1500 nm)でプローブ
未試験
励起強度 : 47 J/cm2
PID後
PID後、短波長側でキャリアの減衰が高速化
・過渡吸収測定によるキャリア再結合過程の評価・PIDによる分光感度特性の変化
・両面受光セル・表面構造の影響 ・両面受光FJ型のEL, PL画像の変化
Before
–1000V 10 min
+1000V 10 min
Before 60 min
・市販モジュールのPID試験結果
Voltage / V
Cu
rren
t / A
Before+1000 V–1000 V
PID試験 : (1) +1000 V, 85℃+85%, 96 h and (2) –1000 V, 85℃+85%, 96 h
Before
+1000 V
–1000 V
正電圧で劣化（負電圧で一部回復）
Voltage / V
Before+1000 V
–600 V
Voltage / V
劣化なし
ヘテロ型 バックコンタクト型 (A)
劣化の有無や劣化電圧の極性はセル構造に大きく依存
400 nm励起 1064 nm励起
532 nm励起
・n型SiモジュールにおけるPIDメカニズムの考察
セルへのマイナス高電圧
電子濃度の増加→ 表面再結合の増加
n-Si
EVA
Si3N4
Glass
Al
+
–
– – –
+ + +
電子がAR膜中にトラップ
– –
++
n-Si
EVA
Glass
+ + +
– – –
Al+
–
ホールがAR膜中にトラップ
p-Si
+
–
Si3N4+
–SiO2 SiO2
ホール濃度の増加→ 表面再結合の増加
セルへのプラス高電圧
バックコンタクト型 両面受光FJ型
n型単結晶Si太陽電池モジュールにおけるPID
バックコンタクト型 (B)
吸収係数が大きい短波長の分光感度がSi3N4層なしと同レベルまで低下
負電圧で劣化（正電圧で劣化なし）
No
r. %
Ab
sN
or.
%A
bs
Time / s
Time / s
両面受光Rear Junction (RJ)型
