湯澤坤　唐培和　徐奕奕

摘要：光伏組件在電位誘發(fā)衰減（PID）效應的影響下，太陽能電池組件功率出現(xiàn)大幅衰減，致使光伏陣列效率低下。為了提高光伏陣列的輸出效率，針對光太陽能電池組件的特性，通過PSIM平臺對光伏電池進行建模，并分析出理想特性輸出曲線。提出運用具有更高折射率的多晶硅太陽能電池組件能夠更好地阻止 PID現(xiàn)象的發(fā)生，通過位于海南瓊海光伏電站的實際觀測數(shù)據(jù)，進行分析比較。經(jīng)過分析可知，擁有較高折射率的光伏組件能有效減小PID效應并且提高光伏陣列的輸出功率。

關鍵詞：光伏組件；電位誘發(fā)衰減效應（PID）；折射率

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）05-0226-03

Abstract： Photovoltaic modules in the Potential Induced Degradation （PID） effect， under the influence of solar battery components power showed a sharp decline， the photovoltaic array is inefficient. In order to improve the efficiency of photovoltaic array output， this paper aim at the characteristic of light solar battery components， through the PSIM platform on the photovoltaic battery model， and analyzes the ideal output characteristic curve. With higher refractive index of the polycrystalline silicon solar cell components can better prevent PID， the phenomena of by actual observation data in hainan qionghai photovoltaic power station， carries on the analysis comparison. Through the analysis， to have high refractive index of the pv modules can effectively reduce the effect of PID and the output power of pv array.

Key words： photovoltaic modules； Potential induced Degradation effect （PID）； refractive index

近年來，隨著各個國家對光伏產(chǎn)業(yè)的大力扶持，越來越多的學者與科研人員投入到與光伏發(fā)電相關的產(chǎn)業(yè)之中，越來越多的光伏電站被投入實際運行。然而，隨著光伏系統(tǒng)的投入運行，人們發(fā)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率往往達不到人們所期望的數(shù)值。隨著研究的深入，有人提出了因為光伏組件的電位誘發(fā)衰減效應（PID）而導致了光伏系統(tǒng)不能達到所期望的的輸出功率[[1-4]]；也有學者認為光伏系統(tǒng)在受到局部遮擋環(huán)境下的輸出特性曲線呈現(xiàn)出多峰形，傳統(tǒng)MPPT算法在尋優(yōu)的過程中容易遇到局部極值，使得光伏系統(tǒng)輸出功率低下[[5-8]]。

文獻[9]分析了了光伏組件的PID效應的失效機制，并提出了從系統(tǒng)、組件、電池三個方面來抑制這種不利效應的方法；文獻[10]提出一種基于分布式架構的最大功率點跟蹤（CPSO-DMPPT）算法，可以在多峰曲線中尋找到最優(yōu)點，有效地提高光伏陣列的輸出效率；文獻[11]提出了弱光、局部遮擋以及電纜失配對光伏發(fā)電效率的影響，并通過發(fā)電效率評估算法對各種情況進行分析。

本文通過對光伏系統(tǒng)電位誘發(fā)衰減效應（PID）成因及其機理的分析，針對由PID效應引發(fā)的太陽能電池組件功率大規(guī)模衰減現(xiàn)象，建立理想狀態(tài)下光伏電池的數(shù)學模型并分析出輸出功率特性曲線，提出一點預防光伏電池PID效應的方案，并通過實驗分析改進前后實際光伏組件的輸出功率，來驗證方案的可行性。

1 電位誘發(fā)衰減效應的機理及其主要特征

1.1 PID效應的定義及其機理介紹

由許多研究機構或業(yè)內專家的研究結果可以知道，在光伏系統(tǒng)中的晶硅太陽能電池組件中的電路與其用于接地的金屬鋁邊框之間存在高電壓，該高電壓使得光伏組件上表面層及下表面層的材料中、電池的封裝材料EVA中出現(xiàn)了離子遷移現(xiàn)象，從而形成了漏電流的現(xiàn)象；同時光伏電池中也出現(xiàn)了熱載流子現(xiàn)象，大量載流子集聚在電池片的表面，使得電荷進行再分配，從而削減和抑制了電池的活性層，破壞了電池片表面原有的鈍化效果，最終表現(xiàn)為 Voc、Isc、FF等關鍵參數(shù)的降低，使得組件的輸出功率及其他性能指數(shù)低于設計標準，這些引起功率衰減的現(xiàn)象被稱之為電位誘發(fā)衰減現(xiàn)象，國際上稱為 Potential Induced Degradation，簡稱 PID.

PID效應一般發(fā)生在潮濕的環(huán)境下，活躍程度與潮濕程度呈正相關，同時電池組件表面被酸、堿性以及帶有離子等物體的污染程度，也與衰減現(xiàn)象的發(fā)生有關。一般來說，PID的失效原因可以從系統(tǒng)、組件、電池三個方面來分析，并且針對這三個方面提出抑制方案。本文主要從電池這一角度來分析PID效應與輸出功率之間的關系。

在實際的應用中，基于光伏電池結構和其他組件的材料及設計方式的不同，PID現(xiàn)象可能在其電路與金屬接地邊框成正向電壓偏置的條件下發(fā)生（N型電池板），也可能是成反向電壓偏置的條件下發(fā)生（P型電池板）。 目前市面上的電池組件大部分為P型電池板。

1.2 PID效應的主要特征

電位誘發(fā)衰減（PID）效應能夠導致晶體硅太陽能電池組件輸出功率大幅衰減，使太陽電池組件的運行效率降低。如圖二所示為海南瓊海某電站從第一到二十一個月實際發(fā)電量與理論發(fā)電量的對比圖：

由上圖可知，由于受到電位誘發(fā)衰減效應等因素的影響，實際的發(fā)電功率往往只有理論值的一半，甚至更加嚴重。此外，功率輸出的明顯下降，也會導致EL 圖片呈現(xiàn)不規(guī)則的黑片現(xiàn)象。這些，限制了光伏組件器大規(guī)模的運用。

2 光伏電池的數(shù)學模型及理想輸出特性曲線

為研究由于多晶硅組件組件而產(chǎn)生的PID效應對光伏系統(tǒng)發(fā)電功率的影響。本文利用PSIM仿真平臺提供的光伏電池電路模型作為研究對象，光伏電池內部等效物理模型如下圖所示。

2.1 理想狀態(tài)下光伏電池的輸出特性

光伏電池在均勻受光和恒溫的理想環(huán)境下，其輸出特征曲線呈現(xiàn)非線性狀態(tài)，影響其功率輸出的主要因素有3個：光照強度、環(huán)境溫度和負載。在固定負載的情況下，光照強度的變化會導致系統(tǒng)短路電流的振蕩，兩者呈現(xiàn)正相關關系；而開路電壓則是容易受到環(huán)境溫度的影響，兩者呈現(xiàn)負相關關系[13]。

仿真環(huán)境設置為當光伏電池處于外界環(huán)境為25℃的恒溫條件，通過PSIM仿真得出數(shù)據(jù)，將測得數(shù)據(jù)導入origin繪制出組件的P-V曲線圖。通過分析曲線可知，當環(huán)境溫度或光照強度一定時，光伏電池的輸出功率能隨著輸出電壓呈拋物線上升，到某一點而達到最大值，從而分析出功率輸出的想想狀態(tài)。圖4為系統(tǒng)在不同光強下的電壓與功率曲線。

3 實驗方案及結果分析

3.1 實驗方案

由前文分析可知，光伏組件在PID效應的作用下，輸出功率很難達到理想狀態(tài)，本文采用標準工藝和抗PID工藝的兩組太陽能電池組件在相同環(huán)境下的輸出功率來分析PID效應與輸出功率之間的關系，并驗證有較高折射膜的光伏電池的功率衰減較少。

一般標準工藝制作的多晶硅太陽電池片表面鍍有平均折射率為 2.06的單層 SiNx減反射膜，我們采用表面鍍有平均折射率為 2.16的單層 SiNx減反射膜防作為抗 PID 工藝的多晶硅太陽電池片；在其他工藝基本一致的情況下，我們將兩組光伏組件放入光伏系統(tǒng)，分別在運行之初和運行一個月后，用 EL缺陷儀對標準工藝（折射率為1.06）和防 PID工藝（折射率為2.16）的多晶硅太陽電池制作的組件衰減前后進行缺陷測試，并對比兩組組件在相同環(huán)境中的輸出功率數(shù)據(jù)進行對比。

3.2 實驗結果與分析

圖6（a）與6（b）為處理前后光伏組件EL影像，由影像不難發(fā)現(xiàn)PID效應在組件邊緣最為嚴重，由邊緣逐漸向內擴散，并且對比經(jīng)過抗PID處理過后的EL影像可知，再增加太陽能電池的折射率之后，能有效防止PID效應的產(chǎn)生。

同時，我們可通過分析兩組組件在一天之內產(chǎn)生功率數(shù)據(jù)，得到功率曲線圖如圖7（a）與7（b）所示。我們將兩組組件安裝在同一地點，使兩組組件能在幾乎相同的溫濕度及光照強度下進行數(shù)據(jù)采集，確保PID效應為單一變量。

由功率曲線可知，中午2點左右，日照強度略低于100W/m2率時，兩組組件均達到最大功率點出，其中未處理組件的功率不到0.15kw，而處理組件的功率高達0.41kw。由此可知，在日照強度等因素相同情況下，未經(jīng)過抗PID處理過的組件的輸出功率明顯小于經(jīng)過抗PID處理過的組件的輸出功率。

4 結束語

由實驗結果可知光伏電池的電位誘發(fā)衰減效應將大大降低光伏組件的輸出功率，而具有較高折射率工藝的多晶硅太陽電池組件能夠有效地抑制 PID現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高光伏組件的輸出功率。

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