光伏組件PID效應問題研究

申織華，張新生，江新峰，王以笑，趙萌萌

(國家電網許繼集團微電網系統(tǒng)公司，河南許昌461000)

光伏組件PID效應問題研究

申織華，張新生，江新峰，王以笑，趙萌萌

(國家電網許繼集團微電網系統(tǒng)公司，河南許昌461000)

隨著光伏電站建設的飛速發(fā)展，系統(tǒng)電壓不斷增高，光伏組件的性能會產生持續(xù)的衰減，電勢誘導衰減(Potential Induced Degradation，PID)效應作為引起組件功率下降的主要原因而引起廣泛的關注。介紹了PID效應的概念和國內外研究現狀；深入研究了PID效應產生的機理并指出了電壓、溫度、濕度以及系統(tǒng)接地方式是影響組件PID效應的重要因素；介紹了組件PID效應的測試標準及其測試方法；從組件的生產工藝、材料選擇和系統(tǒng)三個方面提出預防組件PID效應的方法。

光伏組件；PID效應；功率衰減

隨著全球能源需求的迅速增長，煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭以及人類環(huán)保意識的不斷增強，太陽能光伏發(fā)電憑借其清潔、可再生、安全等優(yōu)勢得到了迅速發(fā)展。隨著光伏電站的規(guī)模不斷擴大，組件的串聯(lián)數也不斷增大，組件中的電路和接地的組件邊框之間承受的電壓也隨之增大，長期處于高電壓作用下，光伏組件的性能會產生持續(xù)的衰減，即電勢誘導衰減(Potential Induced Degradation，PID)[1-2]，嚴重時會降低光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率，直接影響電站的實際發(fā)電量和投資者的收益。相關數據表明，已經建成的大型光伏電站在運行幾年后會發(fā)生效率的突然衰減，但組件從外觀上卻看不出任何缺陷，這引起了行業(yè)內對組件PID效應的關注。越來越多的國家和地區(qū)將防組件PID效應作為組件的關鍵指標之一寫入合同，并進行隨機抽檢。投資者要求逆變器具有防組件PID效應功能，檢測機構推出了組件PID測試標準。這促使光伏組件生產企業(yè)、逆變器生產企業(yè)、光伏電站投資者、檢測機構等更加深入地研究組件PID效應。

1 PID效應研究現狀

早在2005年，美國光伏制造商SUNPOWER公司發(fā)現如果組件長期處于高電壓狀態(tài)下，玻璃、封裝材料之間會產生漏電流，大量電荷聚集在電池片表面，使得組件產生表面極化現象，導致組件性能降低。同年，美國國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)，研究了泄漏電流對組件的可靠性影響。在此之后，一些知名組件廠商和科研機構對PID效應也進行了相關研究。NREL、荷蘭能源研究中心(Energy Research Centre of the Netherlands)、德國的Solon公司也證實了采用p型晶硅電池片的組件在負偏壓下都可能產生PID效應。柏林光伏研究所(Photovoltaik-Institut Berlin)在實驗室條件下模擬了單塊常規(guī)組件和薄膜組件的PID效應，奠定了PID效應的標準測試的基礎。德國Qcell公司也在實驗室里對光伏組件的PID效應進行了模擬，證明了PID效應的可逆性。

國內一些組件廠商和科研機構針對PID效應也進行了相關的實驗研究，并提出了改善PID效應的措施。陽光電源、華為等公司推出了具有防組件PID效應的逆變器，海潤光伏、晶科等組件生產廠商生產的組件也通過了TUV的192 h的PID測試。

2 PID效應的產生機理及影響因素

在并網光伏系統(tǒng)中，光伏陣列輸出端對地電壓的大小和正負取決于光伏陣列的最大功率點跟蹤(MPPT)電壓、逆變器的拓撲結構和電網電壓。靠近逆變器的組件承受著最大的系統(tǒng)電壓，如圖1所示。

圖1 光伏陣列輸出端對地電壓示意圖

在組件內部，水汽通過封邊的硅膠或背板進入組件內部，使得EVA的酯鍵遇水分解，產生自由移動的醋酸。自由移動的醋酸與玻璃表面析出的堿反應，產生Na+及少量的Ca+、Fe+。

自由移動的Na+在系統(tǒng)電壓的作用下移動，經過玻璃、EVA與玻璃的界面、EVA、背板材料和邊框密封材料等到達金屬邊框，即產生了漏電流，如圖2所示。Na+大量聚集在電池片的表面特別是減反射膜層處，產生表面鈍化效應，使得組件的短路電流、開路電壓和填充因子等性能降低，最終導致組件的輸出功率下降。

圖2 組件截面漏電流路徑

PID效應的產生是可逆的，當水汽從組件中減少或消失，自由移動的醋酸根與EVA上的乙烯醇反應重新生成酯鍵而無法移動，Na+由于缺少羧酸根也無法移動。組件中的導電離子減少或消失，導致組件中由于PID效應產生衰減的部分恢復。

影響組件PID效應的因素可以分為組件、系統(tǒng)和環(huán)境三方面[3-4]。

組件方面，由于摻雜不均勻導致電池片的方塊電阻不均勻，使得電阻率小的硅片PID影響增強。減反射層的厚度也會影響PID現象的發(fā)生，有數據表明，減反射層薄，Si/N比率高的減反射層發(fā)生PID效應的比例少，另外減反射層的制備方法不同也會影響組件的PID效應。

系統(tǒng)方面，光伏系統(tǒng)接地方式的不同決定了組件承受正偏壓或負偏壓，偏置電壓的升高，加速了載流子的運動，會導致漏電流的增大，促進了PID效應的產生。在負偏壓下，電壓越大PID現象越明顯；在正偏壓下組件的PID現象不明顯。

環(huán)境方面，溫度升高使半導體的反向飽和電流密度迅速增大，導致漏電流的增大。濕度增加會速EVA酯鍵的水分解，加快Na+的產生，從而加速組件的PID效應。

3 組件PID效應的測試

PID測試標準引自IEC 82/685/NP：System voltage durability test for crystalline silicon modules。該標準用來測試和評估晶體硅光伏組件在潮濕環(huán)境中耐受系統(tǒng)電壓、濕度、溫度的能力。

測試程序如圖3所示，其中10.1、10.2、10.3、10.15引用自IEC61215，MST01、MST03、MST13引用自IEC61730-2。

圖3 PID測試流程

測試需要3塊組件樣品，其中2塊組件分別在正偏壓和負偏壓下進行實驗，另外1塊作為對照樣本。測試環(huán)境溫度：(60±2)℃；環(huán)境濕度：85%±5%RH；測試時間：96 h；測試電壓：在組件需滿足的正系統(tǒng)電壓下或負系統(tǒng)電壓下。

組件需要先經過一系列的基本驗證，包括最大功率確定電致發(fā)光成像及接地連續(xù)性測試等，然后在不同的環(huán)境中施加不同強度的電壓來驗證組件的抗PID性能。具體步驟如下：

(1)消除早期衰減效應：組件開路進行5～5.5 kWh/m2的照射；

(2)目測檢查是否有不合格現象，并對上表面進行清理；

(3)組件的EL成像，組件的STC最大功率測定；

(4)濕漏電實驗，接地連續(xù)性實驗；

(5)電壓耐久實驗，在(60±2)℃、85%±5%RH環(huán)境中，系統(tǒng)電壓施加在組件的輸出端和鋁邊框之間持續(xù)96 h；

(6)組件的EL成像，觀察組件中電池的變化情況；

(7)濕漏電流實驗，目測檢查是否有不合格現象；

(8)組件的STC最大功率測定；

(9)合格判定。

組件合格判定的條件為：(1)組件的最大輸出功率衰減不超過5%；(2)無任何嚴重外觀缺陷；(3)濕熱實驗滿足要求；(4)每組實驗開始和結束時，絕緣測試滿足要求；(5)滿足單個實驗的特殊要求。

4 電勢誘導衰減效應的解決辦法

可以從組件、系統(tǒng)方面解決組件的PID效應。

在組件方面，可以采用以下措施增強組件的防PID效應能力：通過調整PECVD工序的技術參數，減少對硅片表面氧化層的等離子體轟擊預清洗，增加減反射膜層的電阻；通過調整Si/N的比例，以提高電池片的鈍化效果和折射率；選擇絕緣性能好的封裝材料；優(yōu)化EVA封裝材料中醋酸乙烯脂的含量。

在系統(tǒng)方面，合理選擇電氣的連接方式可以防止組件PID效應的發(fā)生，甚至恢復已經發(fā)生PID效應的組件；可以通過增加防PID效應裝置，抬升光伏陣列的負極電壓，減少或消除組件承受的負偏壓，如圖4所示；還可以在夜間對組件負極和地之間施加正電壓，進行反PID效應，使已經產生PID效應的組件恢復性能。

圖4 防PID效應裝置示意圖

5 結論

PID效應的產生受組件的內部材料結構、外部溫度濕度、系統(tǒng)電壓及接地方式的影響，直接導致組件輸出功率的下降。這種效應是可逆的，在一定條件下可以恢復。組件PID效應問題可以通過組件和系統(tǒng)兩方面解決，使組件輸出功率更加穩(wěn)定，提高整個光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證光伏電站的發(fā)電量。

[1]BAUER J,NAUMANN V,GROβER S,et al.On the mechanism of potential-induced degradation in crystalline silicon solar cells [J].Phys Status Solidi RRL,2012,6(8):331-333.

[2]LIU H C,HUANG C T,LEE W K,et al.High voltage stress impact on P type crystalline silicon PV module[J].Energy and Power Engineering,2013,5(7):455-458.

[3]HOFFMANN S,KOEHL M.Effect of humidity and temperature on the potential-induced degradation[J].Prog Photovolt:Res Appl, 2014,22(2):173-179.

[4]NAUMANN V,HAGENDORF C,GROSSER S,et al.Micro structural root cause analysis of potential induced degradation in C-Si solar cells[J].Energy Procedia,2012,27:1-6.

Research on potential induced degradation of PV modules

With the rapid development of photovoltaic plant construction,the system voltage continues to increase, which causes the performance of PV modules to decay.As the main reason of decline in PV modules,the potential induced degradation(PID)effects have attracted comprehensive attention.The PID effects and research status were introduced.The PID effects mechanism was proposed.The main factors of affecting the PID effects of PV modules were pointed out,which are voltage,temperature,humidity and system grounding method.The PID effects testing standards and test methods of PV modules were described.From production process,material selection and system of the PV modules,the preventive method for PID effects was proposed.

PV modules;PID effects;power attenuation

TM 914

A

1002-087 X(2016)06-1327-03

2015-12-15

申織華(1988—)，男(滿族)，遼寧省人，碩士，工程師，主要研究方向為分布式光伏發(fā)電技術、智能微電網技術。