光伏組件PID效應(yīng)的機理研究與防護(hù)措施

閔堅

光伏組件在長期使用過程中其輸出功率會逐漸下降，主要是由光照衰減和材料老化導(dǎo)致，已成為共識。在2005年，美國Sunpower公司發(fā)現(xiàn)晶硅組件的電路與其接地金屬邊框之間的高電壓會造成組件的性能明顯衰減，后來在其他光伏組件也發(fā)生類似情況。近幾年一些世界知名研究機構(gòu)和專業(yè)雜志相繼報道了關(guān)于光伏組件在使用過程中組件對地的高電勢導(dǎo)致漏電的現(xiàn)象，這會造成組件性能的衰退，稱之為PID效應(yīng)，即電勢誘導(dǎo)衰減效應(yīng)。本文針對PID效應(yīng)的機理及防護(hù)措施進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析。

1. PID效應(yīng)的機理

所謂電勢誘導(dǎo)衰減就是高壓情況下由于泄漏電流導(dǎo)致光伏組件功率損失，組件長期在高電壓作用下，使得玻璃、封裝之間產(chǎn)生漏電流，大量電荷積聚在電池片表面，使得太陽電池的鈍化效果變差，少數(shù)載流子在硅片表面的復(fù)合嚴(yán)重，導(dǎo)致其開路電壓、短路電流和填充因子都下降，輸出功率明顯下降，衰減最大可超過30%。。

2005年，位于美國科羅拉多州的國家可再生能源實驗室（NREL）就研究了HVS對太陽能組件長期穩(wěn)定性的影響。測量出在一定的相對濕度和高壓下組件有四種主要的漏電電流途徑（如圖1），通過組件玻璃并沿著玻璃表面的漏電流I1，沿著玻璃和EVA界面的漏電流I2，穿過EVA的漏電流I3和透過背板的漏電流I4。

關(guān)于PID效應(yīng)的作用機理提出了很多的衰減模型，有人認(rèn)為半導(dǎo)體活性層中的電荷或帶電離子遷移聚集到表面，影響半導(dǎo)體活性層表面的勢壘，嚴(yán)重情況下，鈉離子在玻璃表面聚集，導(dǎo)致分層現(xiàn)象；同時也有人認(rèn)為半導(dǎo)體活性層中離子遷移會造成PN結(jié)的衰減，導(dǎo)致漏電；另外也有人發(fā)現(xiàn)如果水汽滲入到封裝層中，會造成電化學(xué)腐蝕，大量金屬離子發(fā)生遷移。

PID效應(yīng)最早是在Sunpower的高效N型背接觸電池中發(fā)現(xiàn)，即對地產(chǎn)生正電勢的N型電池的輸出功率會持續(xù)衰退，而很快在實驗室中也發(fā)現(xiàn)對P型光伏組件施加對地負(fù)電壓同樣會造成組件功率輸出衰減，這說明電勢對太陽電池的基體材料的影響導(dǎo)致太陽電池效率衰退。首先我們分析一下N型太陽電池的PID效應(yīng)，太陽電池的基體材料是N型硅片，硅片表面沉積了一層氮化硅薄膜和氧化硅薄膜，起到減反鈍化的效果。減反射效應(yīng)是利用光學(xué)原理，在折射率和厚度匹配的條件下光程疊加形成的一種減反增透效果。薄膜對硅片鈍化機制有兩個：一個是場效應(yīng)鈍化，另一個是氫鈍化。所謂場效應(yīng)鈍化，是由于在氮化硅薄膜和氧化硅薄膜層含有高密度的固定正電荷，從而會排斥空穴，使在硅片表面的空穴密度減小，這種變化引起表面的能帶向下彎曲形成少數(shù)載流子勢壘，排斥流向表面的光生少子，從而減少了少子的復(fù)合損失。

當(dāng)N型太陽電池組件對地產(chǎn)生正電勢時，由于組件金屬邊框接地，這是在太陽電池與金屬邊框之間產(chǎn)生高電壓，會形成從太陽電池通過邊框到地面的漏電流，在氮化硅薄膜中感應(yīng)出負(fù)電荷，當(dāng)負(fù)電荷的密度逐漸增大，最終超過薄膜原有正電荷的密度時，會使能帶向上彎曲，吸引光生少子到表面，加劇了少子的表面復(fù)合，如圖2所示。晶硅太陽電池的表面積與體積的比率大，表面復(fù)合嚴(yán)重，表面復(fù)合會顯著降低少子壽命，降低電池的開路電壓，進(jìn)而影響電池的轉(zhuǎn)換效率。

利用太陽電池模擬軟件pc1d仿真硅太陽電池在不同的前表面復(fù)合速度Sn條件下對應(yīng)的電池性能參數(shù)，結(jié)果如表1所示，其中背面復(fù)合速度設(shè)定為1000cm/s，硅片體壽命設(shè)定為20μs。從表1中我們可以看到當(dāng)表面復(fù)合速度從106cm/s減低到104cm/s時，太陽電池效率有顯著的提高，裸硅片的表面復(fù)合速度一般為106cm/s，對于發(fā)生PID效應(yīng)的太陽電池，光生少子在表面的復(fù)合會加劇，電池的效率會進(jìn)一步降低。

通過上面的分析驗證，PID效應(yīng)會在太陽電池的減反鈍化膜產(chǎn)生負(fù)電荷，導(dǎo)致其場效應(yīng)鈍化失效，而且會加劇光生少子在表面的復(fù)合，最終導(dǎo)致N型太陽電池效率發(fā)生衰減。

對于P型太陽電池組件，其PID效應(yīng)是組件承受對地負(fù)電壓時發(fā)生的，組件對地的負(fù)電壓會在太陽電池前表面的減反鈍化膜產(chǎn)生感應(yīng)正電荷，這會增強薄膜的場效應(yīng)鈍化，不會引起太陽電池性能衰退，但是電池與金屬邊框之間的電勢差可能會引起電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致前電極被腐蝕，電流收集效率降低，串聯(lián)電阻增加，電池效率衰退。而在太陽電池的背表面，當(dāng)產(chǎn)生的感應(yīng)正電荷濃度足夠大時，引起半導(dǎo)體能帶向下彎曲，吸引電子聚集到表面，加劇了光生少子的復(fù)合，使太陽電池的背場鈍化失效，電池的效率發(fā)生衰退。

對于非晶硅薄膜組件，玻璃中的鈉離子在對地負(fù)電勢的驅(qū)使下遷移到玻璃/TCO界面，導(dǎo)致TCO電化學(xué)腐蝕和分層，造成功率衰減。

2. PID效應(yīng)的影響因素

自從人們發(fā)現(xiàn)PID效應(yīng)以來，對其影響因素進(jìn)行了大量的研究分析，研究表明環(huán)境、電池、組件及系統(tǒng)集成都會影響PID效應(yīng)。

溫度和濕度

溫度升高會導(dǎo)致玻璃和封裝材料的電導(dǎo)率提高，組件漏電會增大，濕度增加同樣會使得組件的漏電增加，而且相比于溫度，濕度對漏電的影響起到?jīng)Q定性作用。

太陽電池

PID效應(yīng)造成光伏組件功率衰退的主要機制是感應(yīng)電荷導(dǎo)致半導(dǎo)體材料能帶彎曲，載流子的表面負(fù)荷加劇，電池效率降低。硅片的摻雜濃度決定了能帶中費米能級的位置，硅片的電阻率越高，PID效應(yīng)會減弱。對于N型太陽電池，氮化硅薄膜的鈍化特性會影響PID效應(yīng)，淡化硅薄膜的固有荷電密度越高，薄膜約致密，荷電能力越強，那PID效應(yīng)的影響越小；對于P型太陽電池，背場的制備工藝對PID效應(yīng)有影響，鋁背場的摻雜濃度和深度是關(guān)鍵參數(shù)。

組件封裝材料

根據(jù)前面的分析，組件的封裝材料和不同材料之間的間隙是漏電的主要通道，封裝材料的絕緣性能和不同材料之間的匹配性會影響PID效應(yīng)。

系統(tǒng)集成

組件與大地之間的電壓是造成PID效應(yīng)的根本原因，而光伏系統(tǒng)的接地方式和組件在陣列中的位置決定了對地電壓的大小，如圖3所示。研究表明：如果光伏陣列中間一塊組件和逆變器負(fù)極輸出端之間的所有組件處于負(fù)偏壓下，則越靠近負(fù)輸出端的組件對地負(fù)偏壓越大，漏電越嚴(yán)重，PID效應(yīng)越明顯。實驗結(jié)果表明在1000V偏壓情況下只需四分鐘累積電荷密度即可達(dá)到1×1012cm-2。

3. PID效應(yīng)的防護(hù)措施

針對影響PID效應(yīng)的因素，我們可以在電池片和組件生產(chǎn)的不同階段和層面采取相應(yīng)的措施進(jìn)行控制，例如組件的設(shè)計、材料選型及安裝使用等。

電池層面：選用高電阻率的硅片，采用鈍化工藝可以形成更高的勢壘，可以有效減弱PID效應(yīng)對光生少子復(fù)合的影響。對于N型太陽電池，選擇最佳的氮化硅薄膜的制備方法，優(yōu)化氮化硅薄膜的制備工藝，適當(dāng)提高薄膜中Si/N比，增加薄膜的固有電荷密度，同時保證薄膜的致密度；對于P型太陽電池，可優(yōu)化背場的制備工藝，增加鋁的摻雜濃度和深度。

組件層面：優(yōu)化組件設(shè)計，例如提高電池片到邊框的距離；選用高體電阻率的封裝材料（EVA和硅膠）和非鈉鈣玻璃的特殊玻璃，都可以有效的防止PID效應(yīng)。同時還要提高不同封裝材料之間的匹配性，例如提高EVA與玻璃的粘結(jié)強度。

系統(tǒng)層面：選用合理的接地方式，P型太陽電池組件負(fù)極接地，組件對地一直處于正偏壓，N型太陽電池正極接地，組件對地一直處于負(fù)偏壓，則可避免PID效應(yīng)；對于已經(jīng)安裝的、無法接地的系統(tǒng)可采用1000 V的電壓接地1小時，逆轉(zhuǎn)極化效應(yīng)，也有公司推出“PV抵消盒”的設(shè)備，能夠在夜間積累組件和地面之間的正/負(fù)電壓。

4.結(jié)論

在光伏電站運行過程中，電勢誘導(dǎo)衰減（PID效應(yīng)）是影響光伏組件功率輸出的潛在風(fēng)險，在對PID效應(yīng)的機理進(jìn)行準(zhǔn)確研究分析的前提下，在太陽電池、組件和系統(tǒng)等不同層面提出針對性的防護(hù)措施。在光伏系統(tǒng)設(shè)計中選擇合理的接地方式可以從根本上消除PID效應(yīng)的風(fēng)險，在電池和組件的設(shè)計、工藝及材料選擇也可以消除或減弱PID效應(yīng)的危害。在實際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)PID效應(yīng)的實際危害和風(fēng)險大小，選擇合理經(jīng)濟的防護(hù)措施。endprint