PID效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)電池漏電流及發(fā)熱的影響

■ 潘文峰 王加鴻 陸晨 謝英豪 周盛永 裘幼梓

(1.海寧正泰新能源科技有限公司；2.浙江正泰太陽(yáng)能科技有限公司)

0 引言

近年來(lái)，光伏市場(chǎng)發(fā)展迅速，光伏發(fā)電所占的份額越來(lái)越大。光伏發(fā)電的體量大了，隨之而來(lái)的問(wèn)題也相繼出現(xiàn)，電勢(shì)誘導(dǎo)衰減(Potential Induced Degradation，PID)效應(yīng)就是其中的重要問(wèn)題之一。晶體硅光伏組件的內(nèi)部電路與金屬邊框之間存在高壓，會(huì)造成組件功率持續(xù)性的衰減，業(yè)內(nèi)將這種現(xiàn)象稱(chēng)之為“PID效應(yīng)”。

目前，光伏電站多采用金屬邊框接地的方式，這就使靠近逆變器負(fù)極的組件與邊框之間存在著負(fù)偏壓，靠近逆變器正極的組件與邊框之間存在著正偏壓。大量的實(shí)例表明，越靠近逆變器負(fù)極的組件，受PID效應(yīng)的影響越嚴(yán)重。此外，還有研究表明，組件PID效應(yīng)還受溫度、濕度的影響。關(guān)于PID效應(yīng)的部分成因及解決方案，在其他論文有過(guò)相關(guān)解釋?zhuān)疚牟辉儋樖觥?/p>

PID效應(yīng)會(huì)使組件功率大幅下降，在對(duì)存在PID效應(yīng)影響的組件功率進(jìn)行測(cè)試時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，完全遮擋電致發(fā)光(Electroluminescent，EL)圖像發(fā)黑的太陽(yáng)電池，EL圖像發(fā)黑程度越嚴(yán)重，被遮擋電池對(duì)組件功率的影響越小。這可以理解為，EL發(fā)黑程度越嚴(yán)重的太陽(yáng)電池，其在無(wú)光照情況下的反向?qū)芰υ酱螅绰╇娏鞲?。PID效應(yīng)與漏電流之間有何關(guān)系？在熱斑試驗(yàn)方法中，需要尋找漏電流最大的太陽(yáng)電池進(jìn)行熱斑試驗(yàn)，這說(shuō)明漏電流對(duì)電池發(fā)熱會(huì)產(chǎn)生影響，那么會(huì)是何種影響？本文將針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，尋找其中的關(guān)系，并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 EL與漏電流

太陽(yáng)電池EL原理為：p-n結(jié)在平衡時(shí)，存在一定的勢(shì)壘區(qū)，當(dāng)外加一正向偏壓時(shí)，此勢(shì)壘便降低，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)也相應(yīng)減弱；這樣就促進(jìn)了多子的擴(kuò)散，阻礙了少子的漂移運(yùn)動(dòng)，即電子由n區(qū)注入到p區(qū)，同時(shí)空穴由p區(qū)注入到n區(qū)，這些進(jìn)入n區(qū)的空穴和進(jìn)入p區(qū)的電子都是非平衡少數(shù)載流子。在p-n結(jié)中，擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度，于是在電子和空穴通過(guò)勢(shì)壘區(qū)時(shí)，因復(fù)合而消失的概率很小，它們會(huì)繼續(xù)向擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散。因而在正偏壓下，p-n結(jié)勢(shì)壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)注入了少數(shù)載流子，這些非平衡少數(shù)載流子會(huì)不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光[1]。太陽(yáng)電池EL的波長(zhǎng)在800～1300 nm之間，屬于近紅外光；太陽(yáng)電池EL的亮度跟少子壽命及電流密度有關(guān)。拍攝EL用的CCD相機(jī)，僅對(duì)這些近紅外光有響應(yīng)。

太陽(yáng)電池本質(zhì)上就是一個(gè)p-n結(jié)，在無(wú)光照的條件下，具有正向?qū)щ姟⒎聪蚪刂沟男阅?，p-n結(jié)在處于反向偏置時(shí)會(huì)有微小的電流，這個(gè)電流稱(chēng)之為漏電流。工藝上造成晶體硅太陽(yáng)電池的漏電流過(guò)大的主要原因有刻蝕不完全或未刻蝕、點(diǎn)狀燒穿、印刷擦片、漏漿等。

太陽(yáng)電池串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻對(duì)填充因子的影響很大，即對(duì)光伏組件的最大功率影響很大。理想的太陽(yáng)電池具有無(wú)窮小的串聯(lián)電阻和無(wú)窮大的并聯(lián)電阻，電路模型如圖1所示，其中，Rs為串聯(lián)電阻，Rsh為并聯(lián)電阻，RL為外接負(fù)載。從模型圖可以看出，并聯(lián)電阻越小，漏電流越大。

圖1 電路模型

2 PID效應(yīng)的測(cè)試方法[2]

關(guān)于PID效應(yīng)的測(cè)試方法，在IEC/TS 62804-1：2015中有明確的說(shuō)明。PID效應(yīng)的測(cè)試條件嚴(yán)苛程度不一，本實(shí)驗(yàn)采用的是最嚴(yán)苛的測(cè)試條件，具體測(cè)試方法如下：

待測(cè)組件正、負(fù)極短接與PID專(zhuān)用電源負(fù)極相連，邊框與PID專(zhuān)用電源零電位相連，測(cè)試電壓選擇1500 V，使組件內(nèi)電路與邊框之間產(chǎn)生-1500 V的偏壓。測(cè)試組件放在環(huán)境試驗(yàn)箱中，環(huán)境試驗(yàn)箱溫度設(shè)定為85 ℃，相對(duì)濕度設(shè)定為85%，持續(xù)施加-1500 V偏壓并保持300 h。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，選取了2塊受PID效應(yīng)影響較嚴(yán)重的組件和1塊受PID效應(yīng)影響相對(duì)較小的組件來(lái)進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

3 PID效應(yīng)對(duì)漏電流的影響

由于太陽(yáng)電池本質(zhì)上就是一個(gè)p-n結(jié)，因此理想的電池在無(wú)光照的情況下處于反向截止的狀態(tài)，即完全遮擋單串太陽(yáng)電池中的任何一塊太陽(yáng)電池，該回路將處于斷路狀態(tài)，沒(méi)有電流，該串電池對(duì)組件功率也就沒(méi)有貢獻(xiàn)。但是，電池往往會(huì)有反向漏電流，所以在完全遮擋電池的情況下，也會(huì)有電流流過(guò)，而漏電流越大，遮擋單塊電池后對(duì)組件整體輸出功率的影響也就越小；反之，遮擋整塊電池后對(duì)組件整體輸出功率的影響越小，則該電池的漏電流越大。

選取A、B、C 3塊組件，分別在無(wú)遮擋、完全遮擋組件中受PID效應(yīng)影響程度不同的電池的情況下測(cè)試組件的I-V特性，并對(duì)比分析組件的功率數(shù)據(jù)。

組件A在無(wú)遮擋，以及分別遮擋該組件中的1#、2#、3#、4#太陽(yáng)電池(電池分布見(jiàn)圖2)后的I-V曲線(xiàn)如圖3所示，功率變化如表1所示。其中，3#與4#電池的差別在于：拍攝EL圖片時(shí)，通4 A電流，2塊電池都發(fā)黑不亮；但通9 A電流，3#電池的 EL圖片亮度有所增加，而4#電池?zé)o變化。結(jié)果表明，4#電池比3#電池受到PID效應(yīng)的影響程度更大。

圖3 遮擋不同電池情況下，組件A的I-V曲線(xiàn)

表1 組件A被遮擋后的功率變化

組件B在無(wú)遮擋，以及分別遮擋該組件中的5#、6#、7#太陽(yáng)電池(電池分布見(jiàn)圖4)后的I-V曲線(xiàn)如圖5所示，功率變化如表2所示。

圖4 組件B中被遮擋電池的分布圖

圖5 遮擋不同電池情況下，組件B的I-V曲線(xiàn)

表2 組件B被遮擋后的功率變化

組件C在無(wú)遮擋，以及分別遮擋8#、9#、10#太陽(yáng)電池(電池分布見(jiàn)圖5)后的I-V曲線(xiàn)如圖6所示，功率變化如表3所示。

圖6 組件C中被遮擋電池的分布圖

圖7 遮擋不同電池情況下，組件C的I-V曲線(xiàn)

表3 組件C被遮擋后的功率變化

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，圖2～圖5中EL圖像顯示越黑的太陽(yáng)電池，其完全被遮擋后，對(duì)功率衰減的影響越小，對(duì)I-V曲線(xiàn)形變的影響越小。即受PID效應(yīng)影響越大的太陽(yáng)電池，其反向?qū)芰υ綇?qiáng)，漏電流越大。

受PID效應(yīng)影響的太陽(yáng)電池，其EL圖像之所以會(huì)發(fā)暗甚至發(fā)黑，筆者認(rèn)為是因?yàn)镻ID效應(yīng)對(duì)少子壽命及電流密度都有影響。但由于目前PID效應(yīng)具體的機(jī)理尚不明確，因此其如何影響少子壽命，本文不做闡述。PID效應(yīng)對(duì)電流密度的影響，可以理解為對(duì)對(duì)EL有作用的有效電流密度的影響。從上述測(cè)試可以看出，總輸入電流雖然一致，但是電池部分存在分流，一部分經(jīng)電池，另一部分經(jīng)漏電流回路，即圖1中Rsh所在回路。EL的明暗取決于經(jīng)過(guò)電池分路的電流大小，Rsh越小，則通過(guò)該回路的電流越大，通過(guò)電池的電流越小，所以EL的有效電流密度降低，導(dǎo)致電池EL圖像發(fā)暗甚至發(fā)黑。

4 PID效應(yīng)對(duì)電池發(fā)熱的影響

IEC中，熱斑試驗(yàn)在選擇測(cè)試電池時(shí)，會(huì)選擇3片漏電流最大的太陽(yáng)電池和1片漏電流最小的太陽(yáng)電池。如此選擇的目的是因?yàn)槁╇娏鞔蟮碾姵貢?huì)更容易發(fā)熱，在產(chǎn)生熱斑效應(yīng)時(shí)會(huì)具有更高的溫度[3]。針對(duì)PID效應(yīng)所導(dǎo)致的漏電流是否也有同樣的熱斑風(fēng)險(xiǎn)這一問(wèn)題進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。

在晴朗天氣時(shí)，將選取的3塊受PID效應(yīng)影響的光伏組件A、B、C連接微型逆變器，然后在陽(yáng)光下曝曬2 h；2 h后用紅外熱像儀拍攝紅外圖片，結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 組件A的紅外圖片與EL圖片

圖9 組件B的紅外圖片與EL圖片

圖10 組件C的紅外圖片與EL圖片

對(duì)比圖7～圖9可以發(fā)現(xiàn)，紅外圖片中溫度較高的太陽(yáng)電池，都對(duì)應(yīng)著EL圖片中發(fā)暗、發(fā)黑的太陽(yáng)電池，并且發(fā)黑越嚴(yán)重的太陽(yáng)電池，其溫度越高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PID效應(yīng)會(huì)對(duì)組件造成熱斑風(fēng)險(xiǎn)，受PID效應(yīng)影響越大的太陽(yáng)電池越容易產(chǎn)生熱斑效應(yīng)。

5 總結(jié)

本文選取了3塊受PID效應(yīng)影響的光伏組件，通過(guò)完全遮擋組件中受PID效應(yīng)影響程度不同的太陽(yáng)電池，利用I-V曲線(xiàn)及功率的變化，得出PID效應(yīng)影響程度與漏電流的關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論：受PID效應(yīng)影響越大的電池，其漏電流越大，功率衰減也越多。

觀測(cè)這3塊組件在正常發(fā)電情況下各電池的發(fā)熱情況，得出結(jié)論：受PID效應(yīng)影響越大的電池，其發(fā)熱越嚴(yán)重，產(chǎn)生熱斑效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)越大。

綜上所述，PID效應(yīng)不僅對(duì)組件功率存在很大的影響，熱斑帶來(lái)的局部高溫對(duì)封裝材料也存在較大的威脅。對(duì)于如何盡量減少PID效應(yīng)帶來(lái)的危害，本文未作詳細(xì)分析，可參照文獻(xiàn)[4]的研究結(jié)論，采用逆變器負(fù)極(直流側(cè))接地的方式來(lái)應(yīng)對(duì)。