陳娥 雷鳴宇 馬曉龍 李天龍

摘要：PID現(xiàn)象是光伏電站輸出功率衰減的重要因素之一，該效應(yīng)會(huì)造成組件中填充因子、開路電壓、短路電流減小，進(jìn)而影響晶體硅光伏組件功率輸出，造成光伏電站發(fā)電系統(tǒng)故障。因此研究組件PID效應(yīng)和抑制該效應(yīng)的措施對于電站的運(yùn)營和維護(hù)具有重要的意義。本文從PID效應(yīng)的研究歷程出發(fā)，分析了晶體硅光伏組件PID效應(yīng)產(chǎn)生的微觀機(jī)理，通過論述對比得出被廣泛認(rèn)可的兩種微觀機(jī)理其共性，得出從晶體硅光伏組件端抑制PID效應(yīng)產(chǎn)生的措施。

關(guān)鍵詞：PID;晶體硅光伏組件;微觀機(jī)理;抑制措施

Abstract：PID phenomenon is one of the important factors for the output power attenuation of photovoltaic power station.This effect will reduce the filling factor，open-circuit voltage and short-circuit current in the module，thus affecting the power output of crystalline silicon photovoltaic modules and causing the failure of the power generation system of photovoltaic power station.Therefore，it is of great significance for the operation and maintenance of power station to study the PID effect of components and the measures to restrain it.Based on the research history of PID effect，this paper analyzes the micro mechanism of the PID effect of crystalline silicon photovoltaic modules.Through discussion and comparison，the commonality of the two widely recognized micro mechanisms is obtained，and the measures to restrain the PID effect from the end of crystalline silicon photovoltaic modules are obtained.

Key words：PID;Crystalline silicon photovoltaic modules;Microscopic mechanism;Inhibition of measures.

一.引言

世界能源轉(zhuǎn)型革命的加速推進(jìn)促使綠色清潔可再生能源的開發(fā)利用成為了能源行業(yè)發(fā)展的基本方向，隨著“碳中和”、“碳達(dá)峰”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，發(fā)展環(huán)保低碳經(jīng)濟(jì)已成為能源行業(yè)發(fā)展的主流。作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的主體，晶體硅光伏組件占據(jù)光伏組件90%以上的應(yīng)用市場[12]，它具有清潔低碳、運(yùn)行可靠、建設(shè)周期短、安裝建設(shè)可模塊化等不可替代的優(yōu)勢[1]。晶體硅光伏組件穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)電量輸出有助于光伏電站安全穩(wěn)定運(yùn)營、提升電站運(yùn)營效益，也有利于光伏行業(yè)降低度電成本。而PID效應(yīng)是指在光伏組件在其壽命周期內(nèi)長期高電壓作用導(dǎo)致鋼化玻璃、封裝材料與電池片之間產(chǎn)生漏電流，影響電池片表面電荷分布，導(dǎo)致組件本身輸出功率大幅度衰減的不利作用。有電站長期運(yùn)營檢測結(jié)果表明，PID效應(yīng)在嚴(yán)重時(shí)能引起光伏陣列40%-50%以上的功率衰減，這種現(xiàn)象在空氣濕度大、存在高濃度鹽霧氣候特征的沿海地區(qū)光伏電站尤為常見。因此，本文從PID效應(yīng)的研究進(jìn)程出發(fā)，重點(diǎn)討論晶體硅光伏組件PID效應(yīng)產(chǎn)生的微觀機(jī)理，通過論述對比被廣泛認(rèn)可的兩種微觀機(jī)理，得出抑制PID效應(yīng)產(chǎn)生的措施。

二.PID效應(yīng)主要研究進(jìn)展

相關(guān)記錄表示，2005年P(guān)ID現(xiàn)象在美國 Sunpower [11]公司制造并投入使用的一批晶體硅光伏組件中被發(fā)現(xiàn)，并于同年在上海光伏會(huì)議上被該公司正式報(bào)道[12]，全稱為電勢誘導(dǎo)衰減（Potential Induced Degradation）效應(yīng);NREL和Solon于2010年提出了可以通過封裝材料的優(yōu)化來抑制PID效應(yīng)[11，12];此后越來越多光伏制造商和學(xué)者投入了這方面的研究[13]。

據(jù)報(bào)道，國內(nèi)光伏企業(yè)的大規(guī)?？焖侔l(fā)展始于本世紀(jì)初[11]，2000年以后越來越多的光伏電站開發(fā)建設(shè)并投入運(yùn)營，在這種蓬勃快速發(fā)展的趨勢下，電站建設(shè)中晶體硅光伏組件發(fā)電量變化的某些問題逐漸暴露，其中許多電站輸出功率出現(xiàn)大幅度異常衰減的現(xiàn)象逐漸被報(bào)道，PID效應(yīng)正是在這樣的大背景下開始被國內(nèi)光伏領(lǐng)域關(guān)注，逐步成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。2016年，國家新能源開發(fā)集團(tuán)通過測試提出了抑制PID效應(yīng)的設(shè)備及原材料改進(jìn)方案[13]，該研究未國內(nèi)后續(xù)PID抑制方面的研究指出了基本方向;同年，國家電網(wǎng)系統(tǒng)公司提出影響光伏組件PID效應(yīng)發(fā)生的因素[11]，其中包括最大系統(tǒng)電壓、組件溫度等組件本身因素，也包括測試環(huán)境濕度、組件連接方式等外部因素。此前，在PID發(fā)生的微觀機(jī)理方面，2012年吉林大學(xué)有研究提出，漏電流是晶體硅光伏組件PID效應(yīng)發(fā)生的主要因素[11]。這些偉大研究極大促進(jìn)了光伏行業(yè)的發(fā)展。

三.PID微觀機(jī)理

PID效應(yīng)會(huì)使組件中填充因子、開路電壓、短路電流減小，功率降低，減少發(fā)電量，影響晶體硅光伏組件功率輸出，造成光伏電站輸出功率衰減，減少光伏發(fā)電站的收益，因此在光伏領(lǐng)域被廣泛研究，用于評價(jià)晶體硅光伏組件功率輸出、分析光伏電站輸出功率衰減[6]。

從晶體硅太陽能電池的組成出發(fā)討論P(yáng)ID現(xiàn)象的機(jī)理，太陽能電池組件由玻璃+EVA（POE）+電池片+EVA（POE）+TPT+邊框構(gòu)成。相關(guān)研究證明，潮濕、高溫的環(huán)境下，PID試驗(yàn)箱內(nèi)部水蒸氣通過封邊硅膠或背板進(jìn)入組件內(nèi)部，易促進(jìn)組件原材料老化，加劇PID效應(yīng)[11]。其原理與EVA脫乙酰反應(yīng)有關(guān)：EVA的主要成分為乙烯—乙酸乙烯酯共聚物，酯鍵在水汽作用下分解斷裂后生成可自由移動(dòng)的不飽和乙酸基，這個(gè)過程被稱為EVA脫乙酰反應(yīng)[14]，該反應(yīng)產(chǎn)生的乙酸會(huì)腐蝕太陽電池背板、電極和焊帶等含金屬離子或金屬的部分，嚴(yán)重時(shí)造成電池片斷路失效。研究表明[4]，PID效應(yīng)的形成與組件所處環(huán)境的溫濕度[4]、酸堿度[4]、雜質(zhì)離子、偏置電壓特性等外界因素[5]有關(guān)，也與不同偏置電壓下組件本身電池結(jié)構(gòu)、接地金屬邊框等封裝材料的類型、封裝設(shè)計(jì)方式等有關(guān)。這些內(nèi)外部因素綜合作用導(dǎo)致上述EVA材料脫乙酰反應(yīng)、封裝、粘合材料水解反應(yīng)等不良反應(yīng)發(fā)生，何登虎團(tuán)隊(duì)的研究表明上述反應(yīng)產(chǎn)物中的酸性物質(zhì)或金屬離子等易使電池片表面發(fā)生極化現(xiàn)象，改變電池片表面態(tài)電荷分布并造成電池片表面高電勢。電池片表面態(tài)極化現(xiàn)象的發(fā)生正是PID效應(yīng)的根本誘因[6]。因此探究PID效應(yīng)的微觀機(jī)理，要從電池片表面態(tài)極化現(xiàn)象的成因出發(fā)，目前有以下兩種解釋從這一角度論述PID效應(yīng)的微觀機(jī)理：

本文主要從造成電池片表面電荷異常分布的因素出發(fā)研究PID效應(yīng)的微觀形成機(jī)理，主要有以下兩點(diǎn)：

（1）鈉離子遷移導(dǎo)致：

相關(guān)研究表明電池片表面Na+雜質(zhì)的存在和遷移是PID效應(yīng)主要誘因。2017年，馬遜博士[5]及其團(tuán)隊(duì)的研究表明高溫高濕環(huán)境更易激發(fā)晶體硅光伏組件的PID效應(yīng)，他們利用泊松方程和載流子連續(xù)性方程建立數(shù)學(xué)模型研究PID現(xiàn)象與載流子在界面處復(fù)合的關(guān)系，以及發(fā)生PID效應(yīng)前后組件電流-電壓特性變化[6]，經(jīng)過數(shù)學(xué)模型剖析及對比試驗(yàn)研究推論，認(rèn)為氮化硅與晶硅界面處大量Na+的存在使界面態(tài)密度增加，這是由于PID效應(yīng)的發(fā)生改變了界面態(tài)的電荷分布，在界面上形成電勢差，促進(jìn)界面態(tài)正負(fù)電荷重新排布，使此時(shí)界面處的表面復(fù)合速度遠(yuǎn)大于沒有發(fā)生PID效應(yīng)時(shí)的復(fù)合速度。該研究證明Na+在界面處的遷移是PID效應(yīng)發(fā)生的根本原因之一。追究Na+的來源，第一，晶體硅光伏組件封裝用鋼化玻璃的主要成分除了起著網(wǎng)絡(luò)形成體的作用二氧化硅，還有大量純堿（NaCO3），用于提供氧化鈉來降低玻璃的熔制溫度，這是在界面態(tài)引入Na+的原因之一;第二，制造流程中，硅片清洗制絨工藝在為硅片進(jìn)行初步拋光時(shí)會(huì)引入濃度0.8%—1.2%的KOH溶液，若后期處理不到位導(dǎo)致K+的殘留[7]，也會(huì)導(dǎo)致界面態(tài)電荷分布異常，加劇PID效應(yīng)的發(fā)生。

（2）PN結(jié)漏電流影響機(jī)制

光伏組件運(yùn)行時(shí)，電池片內(nèi)部PN結(jié)因光熱輻射或加電被激發(fā)后會(huì)產(chǎn)生的漏電流，在曾雪華團(tuán)隊(duì)的研究[4]中，PID效應(yīng)與漏電流有關(guān)[4，8]。在漏電流的作用下，電池片表面載流子重新排布，帶正電的載流子受電池片表面高電勢影響獲得而被激發(fā)獲能穿過玻璃層形成定向移動(dòng)，這些正電荷載流子通過邊框流向地面，使得負(fù)電荷在電池片表面堆積，吸引光電載流子（空穴）流向硅的表面聚集起來，而不是像正常狀態(tài)下一樣流向正極（P極），這種表面極化現(xiàn)象引起的輸出功率衰減，就是PID效應(yīng)的機(jī)理。電子為多數(shù)載流子的N型硅表面更易吸引空穴的聚集，因此從這一機(jī)理分析可知N型硅更易發(fā)生PID效應(yīng)[11，12]。

因此從本質(zhì)上說，PID效應(yīng)的微觀形成機(jī)理都與EVA脫乙酰反應(yīng)產(chǎn)生乙酸、金屬離子等遷移等引起的電池片表面電荷異常分布有關(guān)。

四.抑制PID效應(yīng)的措施

研究表明，PID現(xiàn)象是可逆的[2]，中國科學(xué)院大學(xué)的研究[9]指出發(fā)生PID現(xiàn)象的組件在承受高溫烘干時(shí)功率會(huì)出現(xiàn)不同程度的回升，證明該效應(yīng)的損害不是損毀性的，是可以通過一定方式抑制或減弱的。結(jié)合近幾年相關(guān)研究資料，發(fā)現(xiàn)可從以下幾個(gè)方面抑制PID效應(yīng)。

1.原材料選取

從晶體硅光伏組件封裝材料的選取出發(fā)，可以采用不含Na、Ca離子的鋼化玻璃、提高玻璃的體電阻，或采用非乙烯—醋酸乙烯共聚物的封裝材料[10]，抑制正電荷穿過鋼化玻璃形成通向邊框的漏電流通路，都可以從根源上抑制PID效應(yīng)形成。選用良好絕緣性能的封裝材料，或選擇無邊框晶體硅光伏組件，以此來增加外部電路與內(nèi)部電池片間的絕緣電阻，減小漏電流，也能有效抑制PID效應(yīng)。

2.電池鍍膜工藝優(yōu)化

2016年，梁吉連等人在研究中[16]優(yōu)化等離子體化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝，用硅烷及氨氣作為反應(yīng)氣體，氫氣稀釋后在等離子體放電下沉積出雙層SiNx：H膜電池片，H離子起到補(bǔ)償SiNx膜中能級缺陷的作用，這種薄膜具有優(yōu)良的減反射特性，通過改變薄膜成分配比[17]可將電池片表面折射率控制在大于2.16的水平，能達(dá)到較高的光電轉(zhuǎn)化效率并實(shí)現(xiàn)抗PID效果。雙層減反射膜是指在硅片表面沉積的兩層折射率大于硅片的SiNx膜，底層為折射率較大的薄膜，而頂層為折射率較小的較厚的膜，這種雙層膜結(jié)構(gòu)可以有效降低硅電池表面反射率，也起到表面鈍化作用，可降低電荷在電池片表面的異常聚集。通過優(yōu)化太陽電池工藝，改變減反射膜的厚度及折射率，在保證光電轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)能時(shí)電池片具備抗PID特性。

3.1500V光伏系統(tǒng)

晶體硅光伏組件在電站使用時(shí)串并聯(lián)方式、逆變器的選擇等也對該效應(yīng)產(chǎn)生影響[5]，目前光伏逆變器 PID 效應(yīng)解決方案大致分為負(fù)極接地、反向偏壓恢復(fù)、負(fù)極電位抬升、交流電壓中性點(diǎn)電位抬升 4 類。

五.結(jié)論

本文從PID效應(yīng)的研究進(jìn)程出發(fā)，重點(diǎn)從Na+等活潑金屬離子遷移及PN結(jié)漏電流方面討論晶體硅光伏組件PID效應(yīng)產(chǎn)生的微觀機(jī)理，通過論述對比得出被廣泛認(rèn)可的兩種微觀機(jī)理其共性，得出從晶體硅光伏組件端抑制PID效應(yīng)產(chǎn)生的措施。

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