光伏組件PID效應(yīng)及解決方案論析

孫仲剛，于 波，劉克銘，李亞斌，劉 妍，容丹丹，將京娜

（英利能源（中國）有限公司光伏材料與技術(shù)國家重點實驗室，河北保定 071051）

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光伏組件PID效應(yīng)及解決方案論析

孫仲剛，于 波，劉克銘，李亞斌，劉 妍，容丹丹，將京娜

（英利能源（中國）有限公司光伏材料與技術(shù)國家重點實驗室，河北保定 071051）

摘 要：描述了光伏組件發(fā)生PID的效應(yīng)及現(xiàn)象，從電池角度闡述了其主要可能形成的機理，并通過實驗觀察到PID問題在實際測試及使用過程中的現(xiàn)象和影響，通過實驗比對不同擴散方阻及擴散PN結(jié)深、不同折射率的鍍膜工藝、不同類型組件封裝材料以及正負極不同系統(tǒng)接地方式等解決方案，重點論述了解決PID問題的方法以及幾種方案在目前實際生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，為解決PID問題提供參考。

關(guān)鍵詞：太陽能；PID效應(yīng)；光伏組件；解決方案；鍍膜；接地方式

E－mail：zhonggan．sun＠yinglisolar．com

孫仲剛，于 波，劉克銘，等．光伏組件PID效應(yīng)及解決方案論析［J］．河北工業(yè)科技，2016，33（2）：151－157．

SUN Zhonggang，YU Bo，LIU Keming，et al．Research of PV modules PID effect and its solution［J］．Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（2）：151－157．

太陽能已經(jīng)被大規(guī)模應(yīng)用于各個行業(yè)，近幾年大型光伏并網(wǎng)電站也在整個能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中占據(jù)了很大比例。隨著技術(shù)的進步，電池效率得到了很大提高。研究表明，由于高效電池技術(shù)的應(yīng)用，硅片擴散深度、硅片擴散后方塊電阻較之前都有明顯提升［1－3］，加之晶體硅光伏組件中的電路與其接地金屬邊框之間存在較高的電勢差，從而造成了光伏組件高達70％的輸出功率衰減［4－6］，業(yè)內(nèi)稱之為電勢誘導(dǎo)衰減（PID）。本文主要揭示PID形成機理，并描述其表觀現(xiàn)象，通過研究電池結(jié)構(gòu)、鍍膜工藝、組件封裝材料以及系統(tǒng)接地等方面，找到解決PID問題的方法，為解決PID問題提供必要的參考。

1 PID形成機理及問題描述

2005年，Sunpower公司率先提出了因組件封裝材料和電池而導(dǎo)致的組件功率衰減問題，這是關(guān)于PID現(xiàn)象較早的論述。由于Sunpower公司較早采用了高效電池生產(chǎn)技術(shù)，因此，其生產(chǎn)電池的硅片擴散方阻較常規(guī)工藝生產(chǎn)的電池要高很多。近幾年，常規(guī)電池生產(chǎn)廠家為了提高效率也采用了提高硅片擴散方阻的方法，PID問題逐漸被發(fā)現(xiàn)、認識和研究［7－8］。

PID發(fā)生的根源在電池，而現(xiàn)象一般通過組件表現(xiàn)，因此，發(fā)生PID問題跟組件使用環(huán)境有很重要的關(guān)系，其活躍程度與溫度、濕度有關(guān)，同時組件表面的導(dǎo)電性、酸性、堿性以及帶有離子的物體污染程度也與組件功率衰減相關(guān)聯(lián)。在實際發(fā)電現(xiàn)場，PID現(xiàn)象已經(jīng)被觀察到，并有大量的實際案例發(fā)生，已經(jīng)給當前電站的穩(wěn)定可靠運行帶來較大的損失或風險［9－10］。

到目前為止，行業(yè)內(nèi)比較認可的PID衰減機理是：組件電極與邊框之間由于存在較高的偏置電壓，導(dǎo)致其在合適的條件下，玻璃表面會形成一層導(dǎo)電的正離子膜，該導(dǎo)電的離子膜即形成了模擬電場，在該電場的作用下，玻璃表面的鈉離子會通過EVA遷移至電池表面或到達電池發(fā)射極的位置，PN結(jié)因此被破壞，串聯(lián)電阻增大，并聯(lián)電阻減小，組件EL照射時電池變黑變暗［11－13］。

此外，德國弗朗霍夫及TUV等研究機構(gòu)還提出了形成PID的原因是由于玻璃表面鈉離子遷移至電池內(nèi)部，鈉離子在電場的作用下遷移至擴散結(jié)的位置，由于鈉離子的存在使得電池內(nèi)部載流子與之形成一個內(nèi)建電場，從而限制了載流子的輸出，最終引起組件功率衰減［14－15］，其機理如圖1所示。

圖1　PID內(nèi)建電場示意圖Fig．1 Build－in internal electric field diagram

典型的PID組件測試前后EL變化圖如圖2和圖3所示。

圖2　PID測試前組件EL圖Fig．2 Module EL diagram before PID test

圖3　PID測試后組件EL圖（85℃，85％相對濕度，96h）Fig．3 Module EL diagram after PID test （85℃，85％RH，96h）

但是在實際測試以及戶外電站現(xiàn)場，也發(fā)現(xiàn)了很多類似PID問題并不一定是在高偏壓的狀態(tài)下發(fā)生的，比如組件在做HF10（濕凍循環(huán)）測試時，通入0．5～1A的正向監(jiān)控電流，組件也會發(fā)生比較嚴重的PID。組件經(jīng)過HF10測試后的衰減情況（監(jiān)控電流0．5A）如表1所示。HF10測試前后組件EL圖如圖4和圖5所示。目前此類問題形成的機理尚不清楚，但是該問題反映到電站現(xiàn)場就是組件在很短的時間（一般不超過半年）就出現(xiàn)了嚴重的PID問題。

圖4　HF10測試前組件EL圖Fig．4 Module EL diagram before HF10test

圖5　HF10測試后組件EL圖Fig．5 Module EL diagram after HF10test

表1　組件經(jīng)過HF10測試后衰減情況（監(jiān)控電流0．5A）Tab．1 Module attenuation after HF10test （monitoring current is 0．5A）

對比圖3和圖5發(fā)現(xiàn)組件在正常高偏壓下發(fā)生的PID問題，其電池發(fā)生的位置并不全是在靠近負極端，在一塊組件中位置是隨機的，而在HF10發(fā)生的類似PID的問題一般是靠近負極端，分析原因可能有以下2種：

1）測試的過程中有通入低電流現(xiàn)象，在電池片內(nèi)部形成電場，產(chǎn)生電位誘導(dǎo)效應(yīng)，導(dǎo)致功率衰減嚴重；

2）硅片基材中可能會存在電阻率或者雜質(zhì)含量，導(dǎo)致功率衰減問題的產(chǎn)生。

2 PID影響因素

考慮到當前電池所使用的工藝，本文所涉及的PID影響因素主要從電池鍍膜工藝、組件封裝材料、系統(tǒng)接地3個方面進行論述，而對于擴散后的硅片方阻大小只做了一次對比測試。

根據(jù)實驗室測試以及在生產(chǎn)線上解決PID電池工藝可實現(xiàn)的改進問題有3方面：一是優(yōu)化現(xiàn)有鍍膜工藝，改進電池表面減反射膜的厚度和折射率；二是使用抗PID的材料封裝組件，通過使用低鈉玻璃也可以減緩PID問題發(fā)生的速度；三是系統(tǒng)采用負極接地的形式，將正向偏置電場改為負向偏置電場，從而避免玻璃里面的鈉離子遷移至電池。

2．1 電池表面鍍膜工藝對PID的影響

本文所說的電池全部指P型單晶或多晶電池，N型電池由于其特殊的電池工藝和結(jié)構(gòu)，其PID的衰減機理與P型電池有一定的差異。

不同電池的折射率反映到微觀結(jié)構(gòu)，主要區(qū)別是低折射率的鍍膜在電池表面形成的空隙結(jié)構(gòu)較為疏松，這些空隙不能夠有效阻止玻璃里面的鈉離子向電池的PN結(jié)遷移，最終導(dǎo)致較大的功率衰減，而折射率越高的鍍膜在電池表面形成的結(jié)構(gòu)越致密，當膜層折射率達到2．2以上時，電池片自己就具有非常好的抗PID效果，但是折射率高，電池對光的吸收效率也會降低，因此目前還不能單靠提高電池鍍膜的折射率來改善其抗PID的效果。針對不同折射率的電池做的PID測試如下所述。

選擇3組相同批次、相同封裝材料的組件，電池折射率分別為2．06，2．08和2．10，每組6塊組件，測試條件均為60℃，85％相對濕度。組件測試功率衰減比例如圖6—圖8所示。

圖6　電池折射率為2．06的衰減圖Fig．6 Sim dietrich under cell refractive index of 2．06

由圖6可以看出，當電池的折射率為2．06時，組件48h功率衰減就遠遠超過了5％，甚至超過40％，已經(jīng)嚴重影響了組件性能，在電站中會影響整個方陣系統(tǒng)的發(fā)電量。對于發(fā)生問題較輕的PID組件，通過給組件施加較高的負電壓，組件功率可以恢復(fù)至原始功率的95％以上，而對于衰減嚴重的組件，即使施加負電壓，也不能完全恢復(fù)，也就是說PID衰減導(dǎo)致組件功率永久降低，因此，如何保證組件不發(fā)生嚴重的PID成為當前行業(yè)共同研究的問題。

圖7　電池折射率為2．08的衰減圖Fig．7 Sim dietrich under cell refractive index of 2．08

由圖7可以看出，折射率提高到2．08以后，組件在PID測試中衰減值要明顯小于折射率為2．06時，但是還不能避免PID問題的發(fā)生，組件功率96 h后也超過了一般客戶要求小于5％的標準。

圖8顯示使用折射率為2．10的電池，組件PID測試衰減明顯降低。盡管測試條件（60℃，85％相對濕度）比較溫和，該種方法也不能保證組件100％ 抗PID的性能。

圖8　電池折射率為2．10的衰減圖Fig．8 Sim dietrich under cell refractive index of 2．10

綜上所述，隨著折射率的提高，組件的抗PID性能明顯提高，如果繼續(xù)提高電池折射率，組件抗PID的效果會更好，如果折射率達到2．2以上，組件即使用普通EVA封裝材料，其抗PID性能也能夠達到較好的效果，但是如果折射率太高，電池效率會下降，所以單純提高電池折射率解決PID問題的方法沒有被大范圍應(yīng)用。

此外，從電池結(jié)構(gòu)考慮，在進行電池減反射膜處理前，在硅片表面增加1層二氧化硅的膜或疊層氮化硅的薄膜，使電池具有良好的抗PID性能，這2種技術(shù)工藝實現(xiàn)較為簡單且?guī)缀醪辉黾与姵氐某杀?，因此被廣泛應(yīng)用。氧化硅膜層實現(xiàn)的方式主要有以下2種：一是采用臭氧工藝，即通過臭氧發(fā)生器在硅片表面形成幾個納米的二氧化硅膜層；二是通過一氧化氮工藝在電池表面形成二氧化硅膜層。一般廠家會根據(jù)設(shè)備情況及生產(chǎn)線布局進行改造，如圖9所示是電池鈍化工藝類型。

圖9　電池鈍化工藝類型Fig．9 Technology type of cell passivation

SiO2在電池表面形成致密的抗PID氧化硅薄膜；SiNX∶H通過PECVD沉積多疊層的SiNX∶H形成多減反射鈍化薄膜，實驗證明采用疊層氮化硅工藝是為了既保證電池良好的抗PID效果，又保證電池較好的減反射效果。底層膜的折射率比較高，一般在2．2以上，而頂層要求折射率較低，一般在2．05以下。

此外，近期也有研究人員在研究新型的PECVD氫化硅氧氮（SiON）和氫化氮化硅（SiN）的疊層結(jié)構(gòu)，代替當前的多層氮化硅薄膜（各層折射系數(shù)不一樣，從內(nèi)層開始折射系數(shù)逐漸從高向低變化），讓其作為晶體硅太陽電池的鈍化層和減反射層。此種膜層的優(yōu)勢是表面復(fù)合速度較常規(guī)工藝下降很多，說明疊層結(jié)構(gòu)具有較好的熱穩(wěn)定性，適應(yīng)晶體硅太陽電池的制備條件。

2．2 封裝材料對PID的影響

組件封裝材料主要包括背板、EVA、玻璃，目前玻璃里面的鈉離子被認為是PID問題產(chǎn)生的誘因，背板透水率也被認為對PID有一定的影響，但是在行業(yè)內(nèi)普遍應(yīng)用的玻璃、背板材料都難以解決PID問題，所以本文所描述的封裝材料主要是指EVA以及與EVA類似的高分子材料比如聚烯烴、離子膜等。

近幾年，隨著PID問題的出現(xiàn)，封裝材料廠家也在改進生產(chǎn)工藝和材料配方，提高EVA的抗PID能力。同時研究開發(fā)新型封裝材料替換EVA，聚烯烴材料被認為是很好的解決PID問題的材料之一，表2及圖10是不同廠家EVA、不同封裝材料的PID測試數(shù)據(jù)及衰減曲線變化關(guān)系。

由表2及圖10可以看出，使用不同封裝材料組件的抗PID性能差異很大，對于常規(guī)折射率（2．06）電池而言，普通EVA封裝的組件衰減很大，96h時超過了50％，而對于抗PID的EVA，使用普通電池折射率也很難保證96h衰減小于5％，考慮測試溫度的影響，單靠EVA封裝材料不能解決組件PID衰減的問題。

表2　不同封裝材料PID測試數(shù)據(jù)（以功率衰減比例表示）Tab．2 PID test data of different encapsulation materials （expressed by apercentage of power degradation）％

圖10　不同封裝材料PID衰減趨勢圖Fig．10 PID attenuation trend chart of different encapsulation materials

針對上述實驗結(jié)果，再次進行了電池折射率（2．10）加抗PID的EVA比對測試。從測試結(jié)果看，組件具有較好的抗PID效果，圖11是測試數(shù)據(jù)曲線。

圖11　電池折射率2．10加抗PID的EVA衰減數(shù)據(jù)Fig．11 Module degradation data：cell refractive index is 2．10，PID－free EVA

由圖11可以看出，如果將電池折射率控制在2．10以上，再配合抗PID的EVA組件，衰減得到了很好的控制，測試的4塊組件經(jīng)過96h測試后的衰減小于5％。

在不同的封裝材料中，由于聚烯烴具有獨特的分子結(jié)構(gòu)及材料體系，使得其具有良好的抗PID性能。

聚烯烴材料目前主要有兩類：一是不具有交聯(lián)體系的熱塑性聚烯烴材料；二是具有交聯(lián)體系的熱固性聚烯烴材料。實驗表明，這2種材料除了有交聯(lián)體系的區(qū)別之外，其抗PID性能在匹配電池后效果都非常好，能夠穩(wěn)定控制PID，極限條件（85℃溫度、85％的相對濕度，1 000V電壓、1 000h）的測試功率衰減在5％以內(nèi)。極限PID測試如表3所示。

表3　聚烯烴封裝材料極限PID測試Tab．3 Limit PID test of polyolefin encapsulation materials

表3數(shù)據(jù)表明聚烯烴在抗PID性能方面非常優(yōu)異，與EVA相比聚烯烴材料具有很多優(yōu)勢，比如良好的抗老化性能和抗紫外性能。但是其在戶外長期可靠運行是否會有其他問題發(fā)生則需要時間驗證，尤其是熱塑性聚烯烴，由于沒有交聯(lián)體系，組件在戶外綜合老化的使用條件下存在脫層的風險。

對于生產(chǎn)工藝而言，由于聚烯烴熔融指數(shù)較EVA低，EVA為80℃，聚烯烴為60℃，因此其在層壓過程中容易產(chǎn)生氣泡。近幾年雖然研究人員加大了對聚烯烴的研發(fā)力度，很多物理參數(shù)也已經(jīng)非常接近EVA，相信聚烯烴的使用量將會越來越大。

2．3 接地系統(tǒng)對PID的影響

盡管PID問題產(chǎn)生的根源在電池，但是解決的途徑既可以通過電池、組件封裝材料的改進來解決，也可以從組件方陣系統(tǒng)加以避免。常規(guī)電站目前有3種接地方式（直流側(cè)）：一是正極接地；二是懸浮接地，即正、負極不接地；三是負極接地。

不同系統(tǒng)接地方式對組件發(fā)生PID的影響很大，主要是不同的接地方式可能會在組件正面形成不同作用方向的電場，從而產(chǎn)生促使或抑制玻璃中的鈉離子向電池PN結(jié)遷移的效果。當鋁邊框正極接地時，若組件的玻璃表面有濕氣，則會在組件表面形成一個帶正電荷的水膜，這個帶電水膜就會形成一個正電場，此時玻璃表面帶正電荷鈉離子在電場作用下通過EVA向電池方向遷移，從而發(fā)生PID現(xiàn)象。如果采取鋁邊框和方陣負極接地的方式，則帶電水膜的電場方向正好相反，從而抑制了鈉離子向電池方向遷移，達到避免PID現(xiàn)象發(fā)生的目的。

通過對客戶反饋問題的整理分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生PID問題的電站都采取了正極接地或懸浮接地的方式，而對于負極接地系統(tǒng)而言，在實際電站中目前還沒有發(fā)生PID問題的案例，因此本文對不同的接地方式進行了模擬實驗。通過實驗發(fā)現(xiàn)，負極接地系統(tǒng)（見圖12）確實能夠避免PID問題的發(fā)生，詳細數(shù)據(jù)見表4及圖13。

圖12　負極接地系統(tǒng)示意圖Fig．12 Negative ground system schematic diagram

由表4及圖13可以看出，系統(tǒng)負極接地能夠有效避免PID問題的發(fā)生，對于負極接地系統(tǒng)而言，在電站設(shè)計或改造時需要注意以下事項。

表4　正、負極分別接地PID衰減Tab．4 PID attenuation trend under positive and negative ground condition ％

圖13　正、負極接地趨勢圖Fig．13 Positive and negative ground trend chart

1）出于電站及電站周圍安全性考慮，建議地面電站逆變器直流側(cè)進行負極接地，并對電站進行相應(yīng)的漏電保護及監(jiān)測措施；

2）光伏電站系統(tǒng)逆變器直流側(cè)負極接地要求逆變器帶有能夠負極接地功能的隔離變壓器；

3）光伏電站系統(tǒng)負極接地需要考慮其他器件的電性能參數(shù)，如防雷器選型、漏電流傳感器選型等器件，具體參數(shù)由系統(tǒng)設(shè)計廠家提供。

3 結(jié) 語

近幾年的研究表明，PID問題出現(xiàn)比較頻繁，嚴重影響了組件產(chǎn)品質(zhì)量以及客戶的收益，各個企業(yè)以及研究機構(gòu)投入了很多精力加以研究和解決。目前主流技術(shù)還停留在電池和組件封裝材料層面，由于涉及到標準及安全、設(shè)計等方面的問題，系統(tǒng)負極接地方式還沒有被廣泛應(yīng)用，只是應(yīng)用在已經(jīng)發(fā)生PID問題的電站。通過實際驗證，電站負極接地改造已取得了良好效果。隨著對此問題的深入認識，相信負極接地會逐漸被業(yè)界認可和采納。

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Research of PV modules PID effect and its solution

SUN Zhonggang，YU Bo，LIU Keming，LI Yabin，LIU Yan，RONG Dandan，JIANG Jingna
（State Key Laboratory of Photovoltaic Materials and Technology，Yingli Energy（China）Company Limited，Baoding，Hebei 071051，China）

Abstract：The effect and phenomenon of potential induced degradation（PID）is described，the possible mechanism is hypothesized from the cell level by comparing research and analysis，and the phenomena and effects of the PID problem is observed in practical tests and applications．Different diffusion volume resistance，diffusion depths of P－N junction，refractive index of passivation process，types of packaging materials and anode／cathode system grounding methods are compared through experiments．The solutions to the PID problem and the situation of application of some schemes in actual production are mainly discussed，which may provide a reference for avoiding the PID issue．

Keywords：solar energy；PID effect；PV module；solution method；coating；the groundingmode

作者簡介：孫仲剛（1977—），男，河北淶水人，工程師，主要從晶體硅產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計方面的研究。

基金項目：國家863計劃項目（2015AA050301）

收稿日期：2015－11－04；修回日期：2016－01－14；責任編輯：陳書欣

文章編號：1008－1534（2016）02－0151－07

中圖分類號：TM914．4

文獻標志碼：A

doi：10．7535／hbgykj．2016yx02010