光伏組件PID效應(yīng)問(wèn)題研究

申織華，張新生，江新峰，王以笑，趙萌萌

(國(guó)家電網(wǎng)許繼集團(tuán)微電網(wǎng)系統(tǒng)公司，河南許昌461000)

光伏組件PID效應(yīng)問(wèn)題研究

申織華，張新生，江新峰，王以笑，趙萌萌

(國(guó)家電網(wǎng)許繼集團(tuán)微電網(wǎng)系統(tǒng)公司，河南許昌461000)

隨著光伏電站建設(shè)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)電壓不斷增高，光伏組件的性能會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的衰減，電勢(shì)誘導(dǎo)衰減(Potential Induced Degradation，PID)效應(yīng)作為引起組件功率下降的主要原因而引起廣泛的關(guān)注。介紹了PID效應(yīng)的概念和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀；深入研究了PID效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)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(yīng)的重要因素；介紹了組件PID效應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及其測(cè)試方法；從組件的生產(chǎn)工藝、材料選擇和系統(tǒng)三個(gè)方面提出預(yù)防組件PID效應(yīng)的方法。

光伏組件；PID效應(yīng)；功率衰減

隨著全球能源需求的迅速增長(zhǎng)，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(shí)的不斷增強(qiáng)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電憑借其清潔、可再生、安全等優(yōu)勢(shì)得到了迅速發(fā)展。隨著光伏電站的規(guī)模不斷擴(kuò)大，組件的串聯(lián)數(shù)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(zhǎng)期處于高電壓作用下，光伏組件的性能會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的衰減，即電勢(shì)誘導(dǎo)衰減(Potential Induced Degradation，PID)[1-2]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)降低光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率，直接影響電站的實(shí)際發(fā)電量和投資者的收益。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，已經(jīng)建成的大型光伏電站在運(yùn)行幾年后會(huì)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(nèi)對(duì)組件PID效應(yīng)的關(guān)注。越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)將防組件PID效應(yīng)作為組件的關(guān)鍵指標(biāo)之一寫(xiě)入合同，并進(jìn)行隨機(jī)抽檢。投資者要求逆變器具有防組件PID效應(yīng)功能，檢測(cè)機(jī)構(gòu)推出了組件PID測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。這促使光伏組件生產(chǎn)企業(yè)、逆變器生產(chǎn)企業(yè)、光伏電站投資者、檢測(cè)機(jī)構(gòu)等更加深入地研究組件PID效應(yīng)。

1 PID效應(yīng)研究現(xiàn)狀

早在2005年，美國(guó)光伏制造商SUNPOWER公司發(fā)現(xiàn)如果組件長(zhǎng)期處于高電壓狀態(tài)下，玻璃、封裝材料之間會(huì)產(chǎn)生漏電流，大量電荷聚集在電池片表面，使得組件產(chǎn)生表面極化現(xiàn)象，導(dǎo)致組件性能降低。同年，美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)，研究了泄漏電流對(duì)組件的可靠性影響。在此之后，一些知名組件廠商和科研機(jī)構(gòu)對(duì)PID效應(yīng)也進(jìn)行了相關(guān)研究。NREL、荷蘭能源研究中心(Energy Research Centre of the Netherlands)、德國(guó)的Solon公司也證實(shí)了采用p型晶硅電池片的組件在負(fù)偏壓下都可能產(chǎn)生PID效應(yīng)。柏林光伏研究所(Photovoltaik-Institut Berlin)在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬了單塊常規(guī)組件和薄膜組件的PID效應(yīng)，奠定了PID效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的基礎(chǔ)。德國(guó)Qcell公司也在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)光伏組件的PID效應(yīng)進(jìn)行了模擬，證明了PID效應(yīng)的可逆性。

國(guó)內(nèi)一些組件廠商和科研機(jī)構(gòu)針對(duì)PID效應(yīng)也進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，并提出了改善PID效應(yīng)的措施。陽(yáng)光電源、華為等公司推出了具有防組件PID效應(yīng)的逆變器，海潤(rùn)光伏、晶科等組件生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的組件也通過(guò)了TUV的192 h的PID測(cè)試。

2 PID效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素

在并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，光伏陣列輸出端對(duì)地電壓的大小和正負(fù)取決于光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)電壓、逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電網(wǎng)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(duì)地電壓示意圖

在組件內(nèi)部，水汽通過(guò)封邊的硅膠或背板進(jìn)入組件內(nèi)部，使得EVA的酯鍵遇水分解，產(chǎn)生自由移動(dòng)的醋酸。自由移動(dòng)的醋酸與玻璃表面析出的堿反應(yīng)，產(chǎn)生Na+及少量的Ca+、Fe+。

自由移動(dòng)的Na+在系統(tǒng)電壓的作用下移動(dòng)，經(jīng)過(guò)玻璃、EVA與玻璃的界面、EVA、背板材料和邊框密封材料等到達(dá)金屬邊框，即產(chǎn)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(chǎn)生表面鈍化效應(yīng)，使得組件的短路電流、開(kāi)路電壓和填充因子等性能降低，最終導(dǎo)致組件的輸出功率下降。

圖2 組件截面漏電流路徑

PID效應(yīng)的產(chǎn)生是可逆的，當(dāng)水汽從組件中減少或消失，自由移動(dòng)的醋酸根與EVA上的乙烯醇反應(yīng)重新生成酯鍵而無(wú)法移動(dòng)，Na+由于缺少羧酸根也無(wú)法移動(dòng)。組件中的導(dǎo)電離子減少或消失，導(dǎo)致組件中由于PID效應(yīng)產(chǎn)生衰減的部分恢復(fù)。

影響組件PID效應(yīng)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?qū)е码姵仄姆綁K電阻不均勻，使得電阻率小的硅片PID影響增強(qiáng)。減反射層的厚度也會(huì)影響PID現(xiàn)象的發(fā)生，有數(shù)據(jù)表明，減反射層薄，Si/N比率高的減反射層發(fā)生PID效應(yīng)的比例少，另外減反射層的制備方法不同也會(huì)影響組件的PID效應(yīng)。

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(fù)偏壓，偏置電壓的升高，加速了載流子的運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致漏電流的增大，促進(jìn)了PID效應(yīng)的產(chǎn)生。在負(fù)偏壓下，電壓越大PID現(xiàn)象越明顯；在正偏壓下組件的PID現(xiàn)象不明顯。

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

3 組件PID效應(yīng)的測(cè)試

PID測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)引自IEC 82/685/NP：System voltage durability test for crystalline silicon modules。該標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)測(cè)試和評(píng)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(cè)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(cè)試流程

測(cè)試需要3塊組件樣品，其中2塊組件分別在正偏壓和負(fù)偏壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，另外1塊作為對(duì)照樣本。測(cè)試環(huán)境溫度：(60±2)℃；環(huán)境濕度：85%±5%RH；測(cè)試時(shí)間：96 h；測(cè)試電壓：在組件需滿足的正系統(tǒng)電壓下或負(fù)系統(tǒng)電壓下。

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

(1)消除早期衰減效應(yīng)：組件開(kāi)路進(jìn)行5～5.5 kWh/m2的照射；

(2)目測(cè)檢查是否有不合格現(xiàn)象，并對(duì)上表面進(jìn)行清理；

(3)組件的EL成像，組件的STC最大功率測(cè)定；

(4)濕漏電實(shí)驗(yàn)，接地連續(xù)性實(shí)驗(yàn)；

(5)電壓耐久實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)，目測(cè)檢查是否有不合格現(xiàn)象；

(8)組件的STC最大功率測(cè)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(guò)5%；(2)無(wú)任何嚴(yán)重外觀缺陷；(3)濕熱實(shí)驗(yàn)滿足要求；(4)每組實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，絕緣測(cè)試滿足要求；(5)滿足單個(gè)實(shí)驗(yàn)的特殊要求。

4 電勢(shì)誘導(dǎo)衰減效應(yīng)的解決辦法

可以從組件、系統(tǒng)方面解決組件的PID效應(yīng)。

在組件方面，可以采用以下措施增強(qiáng)組件的防PID效應(yīng)能力：通過(guò)調(diào)整PECVD工序的技術(shù)參數(shù)，減少對(duì)硅片表面氧化層的等離子體轟擊預(yù)清洗，增加減反射膜層的電阻；通過(guò)調(diào)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(yīng)的發(fā)生，甚至恢復(fù)已經(jīng)發(fā)生PID效應(yīng)的組件；可以通過(guò)增加防PID效應(yīng)裝置，抬升光伏陣列的負(fù)極電壓，減少或消除組件承受的負(fù)偏壓，如圖4所示；還可以在夜間對(duì)組件負(fù)極和地之間施加正電壓，進(jìn)行反PID效應(yīng)，使已經(jīng)產(chǎn)生PID效應(yīng)的組件恢復(fù)性能。

圖4 防PID效應(yīng)裝置示意圖

5 結(jié)論

PID效應(yīng)的產(chǎn)生受組件的內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)、外部溫度濕度、系統(tǒng)電壓及接地方式的影響，直接導(dǎo)致組件輸出功率的下降。這種效應(yīng)是可逆的，在一定條件下可以恢復(fù)。組件PID效應(yīng)問(wèn)題可以通過(guò)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(gè)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?yàn)榉植际焦夥l(fā)電技術(shù)、智能微電網(wǎng)技術(shù)。