常熟阿特斯陽光電力科技有限公司 曾雪華 張志根 蔣建平

一 引言

太陽能是未來具有廣泛應用前景的新能源。近幾年的研究表明，存在于晶體硅光伏組件中的電路與其接地金屬邊框之間的高電壓，會造成組件光伏性能的持續(xù)衰減，業(yè)內(nèi)稱之為電位誘導衰減(PID)。本文主要揭示PID的形成機理，并依據(jù)相關測試標準在實驗室再現(xiàn)了PID現(xiàn)象，探討溫度、濕度及電壓等因素對組件PID效應的影響，從而為降低甚至避免組件的PID效應提供支持。

二 PID的形成機理

PID效應現(xiàn)象最容易在潮濕的環(huán)境下發(fā)生，且其活躍程度與潮濕程度相關；同時組件表面被導電性、酸性、堿性以及帶有離子的物體的污染程度，也與上述衰減現(xiàn)象的發(fā)生有關。在實際的應用場合，晶體硅光伏組件的PID現(xiàn)象已經(jīng)被觀察到，基于其電池結構和其他構成組件的材料及設計型式的不同，PID現(xiàn)象可能是在其電路與金屬接地邊框存在電壓偏置的條件下發(fā)生。

到目前為止，人們對漏電流的形成機理還不是十分清楚。總體而言，由于封裝材料對電池進行封裝后所形成的絕緣系統(tǒng)對于上述漏電流而言是不完善的，同時推測來自于鈉鈣玻璃的金屬離子是形成上述具有PID效應的漏電流的主要載流介質(zhì)，如圖1所示。

圖1 漏電流路徑

三 實驗室再現(xiàn)

本中心進行PID的主要方式有兩種:一種是高溫、高濕環(huán)境下給組件內(nèi)部電路和邊框施加負電壓；另一種是將玻璃表面覆蓋銅箔置于高溫環(huán)境中，并給組件內(nèi)部電路和邊框施加負電壓，覆蓋銅箔可提供相對于高濕環(huán)境更良好的導電介質(zhì)，加速PID效應。本文試驗中使用的均是p型晶硅組件，故施加的偏置電壓均為負電壓。試驗設備:電壓源、數(shù)據(jù)采集儀、定值電阻、環(huán)境箱。試驗步驟為:

(1)將組件A表面覆蓋銅箔至邊框，將組件A的正負極引出端短接后接到電壓源的負極，電壓源的正極連接到組件的接地孔，利用環(huán)境箱加熱組件至75℃，并通過電壓源施加負壓1kV至組件內(nèi)部電路和邊框上持續(xù)19h后試驗停止，組件功率變化見表1。

表1 組件PID前后功率變化

由表中數(shù)據(jù)可知，A組件在PID 19h后功率衰減了54.44%，衰減相當嚴重，由此可見PID效應對組件功率的輸出影響很大。試驗過程中通過引入定值電阻監(jiān)控PID漏電流曲線如圖2所示。

圖2 組件PID測試漏電流曲線

(2)將經(jīng)過PID試驗后的組件如步驟(1)連接，此時更改電壓源輸出為正壓1kV，持續(xù)3h后試驗停止，組件功率變化見表2。

由表2可得出PID效應是可以恢復的，組件功率升高了98.8W，實現(xiàn)了功率的部分恢復，恢復過程漏電流曲線如圖3所示。

試驗前后對組件EL圖像進行追蹤，如圖4所示。

圖3 組件功率恢復漏電流曲線

圖4 組件EL變化圖

表2 組件功率恢復數(shù)據(jù)

由圖4可發(fā)現(xiàn)，組件在PID測試后EL圖像出現(xiàn)較大面積的暗片，組件的串聯(lián)電阻增大，并聯(lián)電阻減小，填充因子降低；在恢復試驗后暗片消失，組件的串聯(lián)電阻減小，并聯(lián)電阻增大，填充因子升高。上述現(xiàn)象能反應電池片少子的分布情況，暗片部位少子躍遷機率降低，而電致發(fā)光強度隨少子擴散長度的增加而增加，所以EL圖像變化與外界偏壓的改變導致少子擴散長度的變化有關。

四 偏置電壓對PID效應的影響

選取相同批次、相同材料的3件組件(X、Y、Z)，組件玻璃面無銅箔覆蓋，組件按步驟(1)進行連接，在60℃、 85%RH環(huán)境中分別施加500V、1kV、1.5kV的偏壓1.5h后測試組件功率，組件功率變化見表3。測試過程中漏電流監(jiān)控曲線如圖5所示。

由圖5可得出，漏電流隨著偏置電壓的升高而增大，Z組件功率衰減了14.2%，X、Y組件功率并沒有明顯的變化。

表3 組件功率數(shù)據(jù)

圖5 不同偏置電壓下的漏電流曲線

五 溫度對PID效應的影響

選取相同批次、相同材料的4件組件(B、C、D、E)，B、C、D組件玻璃面均用銅箔覆蓋至邊框，組件按步驟(1)進行連接，分別在35℃、60℃、85℃環(huán)境中施加負壓1kV 1h后，測試組件功率并進行EL圖像檢測，然后再進行2h相同的試驗；E組件玻璃面不覆蓋銅箔，組件按步驟(1)進行連接，在85℃環(huán)境中(無濕度控制)施加負壓1kV 4h，組件功率變化如表4所示。測試過程中漏電流監(jiān)控曲線如圖6所示。

表4 組件功率數(shù)據(jù)

由圖6可知，單一組件溫度由常溫升高到設定溫度時，漏電流值不斷增大；組件設定溫度由35℃升高到85℃時，對應的漏電流值也不斷增大；漏電流隨著試驗的進行并不會無限制增大，在組件溫度趨于穩(wěn)定時也慢慢平穩(wěn)；對比E組件與D組件可知，銅箔的作用非常明顯，高濕表面或含良好導電介質(zhì)的表面PID效應會比干燥的玻璃表面強很多；另外從E組件和D組件漏電流曲線和功率衰減情況來看，可推測玻璃在形成漏電流回路中起著重要的作用。

試驗前后對B、C、D組件EL圖像進行追蹤，如圖7所示。

圖7 組件EL變化圖

六 濕度對PID效應的影響

選取相同批次、相同材料的3件組件(F、G、H)，組件玻璃面無銅箔覆蓋，組件按步驟(1)進行連接，分別在30℃ 35%RH、30℃ 60%RH、30℃85%RH環(huán)境中施加負壓1kV，1h后測試組件功率，其功率變化如表5所示。測試過程中漏電流監(jiān)控曲線如圖8所示。

由圖8可得，3個件組件在第1h內(nèi)組件的漏電流隨濕度的升高而增大，但由于溫度較低功率幾乎沒變；H組件在30℃ 85%RH下經(jīng)歷了66h的試驗后功率衰減了30.3%，可以推測在相同組件溫度下，較低濕度的情況下功率衰減需要更長的時間。結合溫度對PID的影響可知，高溫、高濕環(huán)境組件的PID效應更劇烈。

表5 組件功率變化數(shù)據(jù)

圖8 不同濕度下的漏電流曲線

七 邊框?qū)ID效應的影響

試驗選取4件相同批次、相同材料的雙波組件(無金屬邊框)進行PID測試，測試分別按以下方式進行:

L組件:組件背面中間貼40cm×20cm的銅箔，組件短接后連到電壓源的負極，正極用夾子接觸銅箔。

M組件:組件背面中間貼40cm×20cm的銅箔，正面全覆蓋銅箔至距離邊緣1cm處，組件短接后連到電壓源的負極，正極用夾子接觸40cm×20cm的銅箔。

N組件:組件背面中間貼40cm×20cm的銅箔，正面全覆蓋銅箔至背面2cm，類似形成銅箔邊框，組件短接后連到電壓源的負極，正極用夾子接觸40cm×20cm的銅箔。

P組件:組件正面全覆蓋銅箔至背面2cm，類似形成銅箔邊框，組件短接后連到電壓源的負極，正極用夾子接觸銅箔邊框。

每一件組件測試時都保持在75℃環(huán)境下，持續(xù)施加4h的偏壓1kV，監(jiān)控漏電流曲線如圖9所示。

試驗后進行功率測試，L、M、N組件測試前后功率波動在1%以內(nèi)，只有P組件衰減了14.54%，P組件前后EL圖片對比如圖10所示。

圖9 不同邊框組件的漏電流曲線

圖10 P組件EL變化圖

由L、M、N組件漏電流不斷增大可認為組件表面貼銅箔、裝金屬邊框都提高了漏電回路的導通性，銅箔和金屬邊框都是良好的電導體，降低了漏電回路的電阻值；P組件正極用夾子接觸銅箔邊框，相比N組件減小了銅箔邊框至40cm×20cm的銅箔的電阻值，從而導致漏電流升高明顯，引起了組件功率的衰減。無金屬邊框的組件很難形成外電路與內(nèi)部電池之間的漏電回路，即使形成漏電回路可能效應也是十分微弱的，因此推斷出無金屬邊框組件具有一定的抗PID特性。

八 結論與展望

本文通過實驗室模擬組件外界使用環(huán)境，重現(xiàn)了組件的PID效應。大自然氣候變化多端，組件的PID效應隨著溫度、濕度、偏壓的升高不斷增強，輸出功率隨之下降，這顯然不是我們所希望見到的，但是PID效應對組件功率輸出并不是毀滅性的，在特定條件下是可以恢復的。通過本文的研究，從組件層面上降低PID效應，需要增加外部電路與內(nèi)部電池片間的絕緣電阻，減小漏電流，或許選用良好絕緣性能的封裝材料是不錯的選擇。另外無邊框的雙波組件在試驗中體現(xiàn)了一定的抗PID特性，因此邊框也是解決PID效應的一個考慮因素。但是從組件層面上解決問題是不完善的，組件很大范圍都是在電站中使用，這就要求組件在電站中使用時如何避免引起PID效應的偏壓的出現(xiàn)。在室外進行組件PID試驗也是以后研究的一個方向，可更真實地體現(xiàn)組件在戶外PID效應的情況。

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