封裝膠膜的體積電阻率對光伏組件 抗PID性能的影響研究

李 達(dá)，肖 文，鄭海興，吳潮輝，翁軍華，姜 鶴

(南方電網(wǎng)綜合能源股份有限公司，廣州 510000)

0 引言

電勢誘導(dǎo)衰減(PID)最早于2005年由美國Sunpower公司發(fā)現(xiàn)并提出[1]。PID是指光伏組件在電勢差的作用下使邊框、玻璃與太陽電池之間存在漏電流，導(dǎo)致光伏組件實際輸出功率低于其標(biāo)稱功率[2-3]。目前，國內(nèi)外光伏電站針對光伏組件PID現(xiàn)象采用的方案主要有3種，分別是：1)提高光伏組件內(nèi)太陽電池串的電壓(即將太陽電池串負(fù)極接地，光伏組件與其邊框之間形成正向偏壓)；2)夜間向光伏組件施加反向電壓；3)優(yōu)化光伏組件抗PID性能。其中，提高光伏組件內(nèi)太陽電池串電壓的方案為事前預(yù)防方案，雖然可以起到一定的防PID效果，但對于安裝在工商業(yè)屋頂?shù)奈蓓敺植际焦夥l(fā)電項目來說，存在安全隱患；夜間向光伏組件施加反向電壓為發(fā)生PID后進(jìn)行修復(fù)的方案，需增加修復(fù)設(shè)備，且修復(fù)效果存在不確定性[4]，因此，以上3種方案中，優(yōu)化光伏組件抗PID性能，提高其自身抗PID能力是最直接且經(jīng)濟(jì)的方案。

為優(yōu)化光伏組件抗PID性能，業(yè)內(nèi)研究人員先后嘗試了在太陽電池表面改變基極電阻率，改變減反射膜SiN的比例、厚度及致密性，但均無法在太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率與光伏組件的抗PID性能之間取得較好的平衡[3,5]。最后有研究發(fā)現(xiàn)，在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)前，通過熱氧化形成一層納米級厚的SiO2膜，可使光伏組件的抗PID性能有一定提升；但該工藝較復(fù)雜，且抗PID效果存在不穩(wěn)定性，因此，提升封裝膠膜內(nèi)帶電離子阻隔能力成為另一種優(yōu)化光伏組件抗PID性能的選擇。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文基于不同分子結(jié)構(gòu)的封裝膠膜，按照GB/T 29848—2018《光伏組件封裝用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)膠膜》[6]來測試封裝膠膜的體積電阻率；再分別采用不同類型的封裝膠膜封裝成光伏組件，通過實驗驗證和理論分析的方法，針對不同體積電阻率的封裝膠膜對光伏組件漏電流及抗PID的影響進(jìn)行實證研究，為優(yōu)化光伏組件抗PID性能方案提供技術(shù)選擇。

1 實驗與結(jié)果

1.1 封裝膠膜的選擇與測試

為對比不同類型封裝膠膜的技術(shù)性能，選取同一廠家生產(chǎn)的3類不同分子結(jié)構(gòu)的封裝膠膜進(jìn)行對比測試。第1類為普通乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)封裝膠膜，即“A類封裝膠膜”；第2類為添加了高阻助劑的EVA封裝膠膜，即“B類封裝膠膜”；第3類為共聚烯烴(POE)封裝膠膜，即“C類封裝膠膜”。每類封裝膠膜各取3個批次的樣品，分別測試體積電阻率及水蒸氣透過率。測試方法按照GB/T 29848—2018和T/CPIA 0006—2017《光伏組件封裝用共聚烯烴膠膜》中的規(guī)定；測試設(shè)備采用型號為TOS9213AS的高絕緣電阻測量儀，以及美國MOCON公司的3/61型紅外法水蒸氣透過率測試儀。

不同分子結(jié)構(gòu)封裝膠膜的體積電阻率測試結(jié)果如表1所示，水蒸氣透過率測試結(jié)果如表2所示。

表1 不同分子結(jié)構(gòu)封裝膠膜的體積電阻率測試結(jié)果Table 1 Test results of volume resistivity of encapsulation films with different molecular structures

從表1可以看出：不同分子結(jié)構(gòu)封裝膠膜的體積電阻率從高到低的排序是C類封裝膠膜>B類封裝膠膜>A類封裝膠膜，即POE>高阻助劑型EVA>普通EVA，且POE的體積電阻率比普通EVA的高約2個數(shù)量級，高阻助劑型EVA的體積電阻率比普通EVA的高約1個數(shù)量級。

表2 不同分子結(jié)構(gòu)封裝膠膜的水蒸氣透過率測試結(jié)果Table 2 Test results of water vapor permeability of encapsulation films with different molecular structures

1.2 光伏組件樣品制作與測試

選取A、B、C這3類封裝膠膜3個批次的產(chǎn)品，然后各封裝1塊光伏組件，共組成9塊光伏組件樣品。需保證這些光伏組件樣品除封裝膠膜外，其他材料及工藝均一致，太陽電池選擇膜折射率為2.03的非抗PID型太陽電池，玻璃選擇厚度為3.2 mm的常規(guī)鍍膜玻璃，背面采用市場主流的KPF結(jié)構(gòu)背板。按照IEC 60904-1-1—2017[7]中的方法進(jìn)行光伏組件的I-V測試，測試設(shè)備采用瑞士PASAN公司生產(chǎn)的3A+級太陽能模擬器。

采用不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件最大輸出功率Pmax的測試結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出：分別采用3類封裝膠膜封裝的光伏組件最大輸出功率差異不大，最大輸出功率平均值的差值小于1 Wp，這說明這3種不同分子結(jié)構(gòu)的封裝膠膜對光伏組件輸出功率差異的影響不大。

表3 采用不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件 最大輸出功率的測試結(jié)果Table 3 Test results of maximum output power of PV modules encapsulated with different types of encapsulation films

1.3 光伏組件PID測試

為加速光伏組件的抗PID性能測試，將上述制備的9塊光伏組件樣品按照IEC TS 62804-1-1—2020[8]中的方法進(jìn)行PID測試。

實驗箱中的實驗條件為環(huán)境溫度85 ℃、相對濕度85%，測試時間96 h，外接-1000 V直流電源(電源型號為ZWPIDY08-2)。光伏組件內(nèi)太陽電池串引出線短接連接至直流電源負(fù)極，電源正極串聯(lián)微安級電流測試儀(該設(shè)備可同時測試電壓及回路電流)，再連接至光伏組件邊框，并在正極接地。光伏組件PID測試原理圖如圖1所示。

圖1 光伏組件PID測試原理圖Fig. 1 Schematic diagram of PV module PID test

記錄PID測試持續(xù)96 h過程中各光伏組件漏電流的變化情況，不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件漏電流的變化曲線如圖2所示(以每類光伏組件3個批次的漏電流的平均值進(jìn)行表征)。圖中，正、負(fù)號代表電流方向，下同。

圖2 PID測試中不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件的 漏電流變化曲線Fig. 2 Change curve of leakage current of PV modules encapsulated with different types of encapsulation films during PID test

從圖2可以看出：PID測試中，采用A類封裝膠膜(普通EVA)封裝的光伏組件的漏電流絕對值明顯高于采用B類封裝膠膜(高阻助劑型EVA)或C類封裝膠膜(POE)封裝的光伏組件的漏電流絕對值，且采用POE封裝的光伏組件的漏電流絕對值最低。

將光伏組件樣品從實驗箱取出，按照IEC 60904-1-1—2017同時測試9塊光伏組件樣品的最大輸出功率，然后根據(jù)式(1)計算PID測試后光伏組件的功率衰減率Pa，計算結(jié)果如表4所示。

二是提高農(nóng)產(chǎn)品流通效率?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+農(nóng)產(chǎn)品”銷售模式將繁縟的銷售流程簡化為“農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)者或供應(yīng)商—網(wǎng)絡(luò)銷售商—消費者”流程，指向性更為明確、流通速率更高、流通成本大大減少，進(jìn)而增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入，同時催生出農(nóng)產(chǎn)品配送、倉儲、物流等新業(yè)態(tài)。

式中：Pmax1為原始的光伏組件最大輸出功率；Pmax2為PID測試后的光伏組件最大輸出功率。

從表4可知：PID測試后，采用A類封裝膠膜(普通EVA)封裝的光伏組件的功率衰減率平均值達(dá)到了31.68%；采用B類封裝膠膜(高阻助劑型EVA)封裝的光伏組件的功率衰減率平均值為6.56%，說明高阻助劑型EVA對抑制光伏組件PID現(xiàn)象有一定效果，但并不能完全抑制PID現(xiàn)象的產(chǎn)生；而采用C類封裝膠膜(POE)封裝的光伏組件的功率衰減率最低，平均值僅為1.71%，說明POE有較明顯的PID抑制效果。

表4 PID測試后不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件的功率衰減率Table 4 Power attenuation rate of PV modules encapsulated with different types of encapsulation films after PID test

1.4 實驗室PID修復(fù)實驗驗證

為驗證光伏組件PID修復(fù)過程的漏電流變化，對9塊光伏組件樣品進(jìn)行實驗室PID加速修復(fù)實驗。

實驗條件為環(huán)境溫度85 ℃、相對濕度85%；將直流電源正、負(fù)極對調(diào)，即電源正極連接光伏組件正負(fù)極引出端，電源負(fù)極串接電流測試儀與光伏組件邊框連接，并在負(fù)極接地。實驗箱與前文PID測試的實驗箱一致，電源電壓為1000 V，測試時間為96 h。光伏組件PID修復(fù)原理圖如圖3所示。記錄PID修復(fù)過程中不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件的漏電流變化情況(以每類光伏組件3個批次的漏電流的平均值進(jìn)行表征)，其變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出：PID修復(fù)過程中，不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件的漏電流從高到低的排序為：采用A類封裝膠膜(普通EVA)封裝的光伏組件>采用B類封裝膠膜(高阻助劑型EVA)封裝的光伏組件>采用C類封裝膠膜(POE)封裝的光伏組件。

圖3 光伏組件PID 修復(fù)原理圖Fig. 3 Schematic diagram of PID repairing for PV modules

圖4 PID修復(fù)過程中不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件的漏電流變化曲線Fig. 4 Change curve of leakage current of PV modules encapsulated with different types of encapsulation films during PID repair

結(jié)合圖2的測試結(jié)果可以說明，無論是PID衰減過程中還是PID修復(fù)過程中，不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件的漏電流絕對值從高到低的排序均為：采用普通EVA封裝的光伏組件>采用高阻助劑型EVA封裝的光伏組件>采用POE封裝的光伏組件。

經(jīng)過96 h的PID修復(fù)后，按照IEC 60904-1-1—2017中的要求再次測試光伏組件的最大輸出功率，然后按照式(2)計算PID修復(fù)后光伏組件的功率變化率Pc，具體計算結(jié)果如表5所示。

式中：Pmax3為PID修復(fù)后的光伏組件最大輸出功率。

從表5可知：PID修復(fù)后，采用A類封裝膠膜(普通EVA)封裝的光伏組件的功率變化率平均值為3.97%，即修復(fù)率為31.68%–3.97%=27.71%；采用B類封裝膠膜(高阻助劑型EVA)封裝的光伏組件的功率修復(fù)率為6.56%–1.95%=4.61%；采用C類封裝膠膜(POE)封裝的光伏組件的功率修復(fù)率為1.71%–0.58%=1.13%。可以看出，采用普通EVA封裝的光伏組件的PID值最大，對應(yīng)的PID修復(fù)效果也較明顯，說明光伏組件在高溫高濕環(huán)境、組件邊框與帶電體之間外加正向電壓的條件下，可實現(xiàn)大部分的功率修復(fù)。

表5 PID修復(fù)后不同類型封裝膠膜封裝的 光伏組件的功率變化率Table 5 Power change rate of PV modules encapsulated with different types of encapsulation films after PID repair

2 機(jī)理分析

根據(jù)前文實驗結(jié)果對抑制光伏組件PID現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行分析。

當(dāng)相對濕度超過40%時，空氣中的水分通過光伏組件背板或硅膠滲透至玻璃表面，并與玻璃中的Na+進(jìn)行離子交換產(chǎn)生Na2O或者Na2CO3

[9]；另外，EVA中的酯鍵在遇到水后發(fā)生分解，產(chǎn)生可以自由移動的醋酸；可以自由移動的醋酸和玻璃表面析出的堿反應(yīng)后，產(chǎn)生了可以自由移動的Na+。Na+在外加電場的作用下向太陽電池表面移動并富集到減反射層，從而導(dǎo)致光伏組件PID現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此，提高封裝膠膜的體積電阻率，降低封裝膠膜的醋酸析出，可有效抑制光伏組件PID現(xiàn)象的產(chǎn)生。

高阻助劑型EVA封裝膠膜在普通EVA封裝膠膜的基礎(chǔ)上添加了抗PID助劑，該助劑為含乙氧基“”或含丙氧基“”的丙烯酸酯?？筆ID助劑采用以下一種或幾種的混合物：乙氧化季戊四醇三丙烯酸酯、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯、乙氧化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧化季戊四醇四丙烯酸酯、丙氧化甘油三丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚丙二醇二甲基丙烯酸酯等。由于該抗PID助劑主鏈為碳鏈，支鏈含有若干羥基的樹脂結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與EVA樹脂的水解產(chǎn)物結(jié)構(gòu)相似，可以抑制EVA水解反應(yīng)，有效減少EVA樹脂的水解，從而可保證EVA膜的交聯(lián)密度，提高封裝膠膜的體積電阻率，達(dá)到抑制光伏組件PID現(xiàn)象產(chǎn)生的目的。

而POE封裝膠膜與普通EVA封裝膠膜的體積電阻率差異主要體現(xiàn)在粒子本身性能差異方面。POE的分子結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要為乙烯與α-烯烴共聚物，粒子為非極性樹脂；而EVA的分子結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要為乙烯-醋酸乙烯共聚物，由乙烯(E)和醋酸乙烯(VA)共聚而成，粒子為極性樹脂。POE和EVA的離子移動的能力存在較大差異，POE的離子運動較慢，因此POE的極化時間常數(shù)較長。POE封裝膠膜體積電阻率的提高，大幅減少了玻璃中Na+遷移到太陽電池表面的速度，從而達(dá)到了抑制光伏組件PID的效果。

圖5 POE的分子結(jié)構(gòu)Fig. 5 Molecular structure of POE

圖6 EVA的分子結(jié)構(gòu)Fig. 6 Molecular structure of EVA

3 結(jié)論

本文通過實驗驗證和理論分析的方法，對不同分子結(jié)構(gòu)的封裝膠膜對光伏組件漏電流及抗PID的影響進(jìn)行了實證研究，研究結(jié)果表明：

1)在相同實驗條件(實驗箱中環(huán)境溫度85 ℃、相對濕度85%，外接-1000 V直流電源，測試時間96 h)下，采用不同分子結(jié)構(gòu)封裝膠膜封裝的光伏組件表現(xiàn)出不同的抗PID性能。POE封裝膠膜的體積電阻率最高，對應(yīng)的光伏組件抗PID性能最好；而普通EVA封裝膠膜的體積電阻率低，對應(yīng)的光伏組件無明顯抗PID效果。

2) 封裝膠膜的體積電阻率越高，水蒸氣透過率越低，對應(yīng)的光伏組件的漏電流絕對值越低。采用普通EVA封裝膠膜的光伏組件在高溫高濕條件下的功率衰減率平均值為31.68%，衰減速度快于其在常溫條件(環(huán)境溫度25 ℃、相對濕度50%)下的，高溫高濕環(huán)境更易加速光伏組件PID現(xiàn)象，因而光伏組件應(yīng)用于高溫高濕環(huán)境中時，應(yīng)優(yōu)先選擇POE封裝膠膜。

由于光伏組件在電站中需要運行25年甚至更長時間，光伏組件PID現(xiàn)象對光伏電站的收益將造成長期影響。當(dāng)前電站端光伏組件抗PID方案很多，提高光伏組件自身抗PID性能是最直接有效的方式。選擇技術(shù)性能更好的光伏組件封裝膠膜，對優(yōu)化光伏組件抗PID性能有更高的品質(zhì)保障。