Accelerated Life Testing and Endurance Properties of Transparent Conducting Thin Films for Photovoltaic Applications

Generally the outdoor photovoltaic (PV) module is usually exposed in the environment of high temperature, humidity, and system bias for a long time. The long-term climatic conditions and Potential Induced Degradation (PID) effect is not only to damage the external parts of silicon thin film PV module, but also to impact the internal parts such as transparent conductive oxide (TCO) thin film and resulted TCO corrosion and delamination. It will cause thin film PV module degrade efficiency and reduce its service life. In order to evaluate the endurance properties of module and TCO thin film for such system voltage with outdoor environment, Potential Induced Degradation (PID) test is the typical method. However PID test is based on the module as a test sample, modules manufacturing coupled with test time, whole evaluation process of new TCO material need to spend nearly three months. In this study, a new accelerated life testing method and setups are presented for simulation of the PID in the lab, and the influence of TCO properties on PID is demonstrated in order to reveal the TCO being the precondition for the module PID. The new testing can verify the PID endurance of TCO thin film directly thus significantly reduce the test time and cost, and also improve the evaluation efficiency and accuracy. The new TCO accelerated life testing method requires only 16 hours, it can rapid aging TCO film sample and obtained the durability data and information equivalent to 1027 hours conventional PID test. Furthermore, the mechanisms for the conductivity failure of TCO thin film, and the influence factors of testing result are discussed in this study.本研究在於探討矽基薄膜太陽光電模組（Silicon Thin Film Photovoltaic Modules）長期在戶外太陽光電系統之環境下，受到高溫、濕度以及系統電壓差所導致之模組外部與內部的損害現象，例如作為模組前電極的透明導電氧化物（Transparent Conductive Oxide；TCO）薄膜，容易產生劣化脫膜之情況，因而也間接影響到模組本身發電功率及轉換效率等特性值的衰退。 為了評估模組以及TCO薄膜材料對於此種戶外系統電壓環境的耐久能力，一般是利用電致衰減（Potential Induced Degradation；PID）測試來進行驗證，然而此項測試是以模組作為測試樣品，若要驗證TCO薄膜材料之耐久性質，則需將待測材料製作成模組後方能進行測試，模組製程加上測試時間，整個新材料的評估時程長達近三個月，既費工又曠日費時。 有鑒於此，本研究依據模組PID測試原理，並結合過去文獻對於TCO電化學腐蝕特性之研究，開發出一種可直接檢測TCO薄膜耐久性質的新型加速壽命試驗方法，新法能大幅降低測試的時間和成本，並簡化測試步驟以提昇檢測效率與準確性。 本研究之試驗藉由一導電治具的設計以及檢測規格的制定，來實現高速劣化TCO薄膜，並定量評估其特性變化。 根據實驗結果，本試驗方法僅需16小時即可迅速老化TCO薄膜樣品，獲得等同1027小時傳統PID測試所得之耐久性數據及資訊，檢測速度增快約64倍。 此高加速壽命試驗對於薄膜太陽光電產業，不論在開發期間的TCO材料評估與驗證，或是量產期間的物料品管方面，具有相當高的應用性以及助益。 另一方面，本研究也針對經過此加速壽命試驗前後之市售三款FTO（氟摻雜氧化鍚；SnO2:F）型TCO玻璃基板樣品，進行材料元素、結構的逆向工程分析與比較，以探討影響其耐久性質優劣之因素，並進一步瞭解TCO薄膜電致劣化的失效機制。 分析結果顯示，鍍在TCO膜與玻璃基板之間的中介膜層之結構及組成，對於TCO薄膜抵抗電致衰減效應之能力具有關鍵性影響，此研究結果可作為未來TCO玻璃開發之重要參考。謝誌 i 摘要 ii Abstract iv 目次 v 表目次 viii 圖目次 ix 符號說明 xi 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機與目的 2 1.3 論文架構 4 第二章 基礎理論與文獻回顧 5 2.1 矽薄膜太陽電池 5 2.1.1 原?與結構 5 2.1.2 太陽光譜 7 2.1.3 太陽電池等效電路及轉換效率 9 2.2 太陽光電模組可靠度檢測與認證 12 2.2.1 可靠度 12 2.2.2 太陽光電模組認證及加速壽命試驗 12 2.2.3 電致衰減（PID）效應 13 2.2.4 電致衰減測試標準 14 2.2.5 影響太陽光電模組PID效應之因素 17 2.3 透明導電氧化物（TCO）薄膜 22 第三章 TCO加速壽命試驗方法與儀器 24 3.1 設計概念 24 3.2 實驗規劃與流程 25 3.3 實驗設備與量測儀器 29 3.3.1 恆溫恆濕試驗機（Temperature & Humidity Chamber） 29 3.3.2 直流電源供應器（DC Power Supplies） 29 3.3.3 TCO導電治具（TCO Conductive Jig） 30 3.3.4 四點探針電阻儀（Four Point Sheet Resistance Meter） 31 3.3.5 太陽光模擬器與電性量測平台 (Solar Simulator) 31 3.3.6 耐壓/絕緣測試儀（Withstand Voltage and Insulation Tester） 32 3.4 材料特性分析儀器 33 3.4.1 場發射掃描式電子顯微鏡（FE-SEM） 33 3.4.2 場發射穿透式電子顯微鏡（FE-TEM） 33 3.4.3 飛行時間二次離子質譜儀（TOF-SIMS） 33 第四章 結果與討論 34 4.1 TCO加速壽命試驗 34 4.1.1 濕熱（Damp Heat）試驗 34 4.1.2 濕熱電壓（Damp Heat Voltage）試驗 38 4.1.2.1 試驗時間之影響 38 4.1.2.2 電極面積之影響 42 4.2 薄膜太陽光電模組PID測試 46 4.3 TCO玻璃材料特性分析 51 4.3.1 薄膜表面型態分析 51 4.3.2 膜層結構與成份分析 56 4.3.2.1 未經試驗之TCO樣品比較 56 4.3.2.2 加速壽命試驗後之TCO失效分析 65 第五章 結論 71 第六章 未來展望 73 參考文獻 7