PID效应及影响因素

常熟阿特斯阳光电力科技有限公司 曾雪华 张志根 蒋建平

一 引言

太阳能是未来具有广泛应用前景的新能源。近几年的研究表明，存在于晶体硅光伏组件中的电路与其接地金属边框之间的高电压，会造成组件光伏性能的持续衰减，业内称之为电位诱导衰减(PID)。本文主要揭示PID的形成机理，并依据相关测试标准在实验室再现了PID现象，探讨温度、湿度及电压等因素对组件PID效应的影响，从而为降低甚至避免组件的PID效应提供支持。

二 PID的形成机理

PID效应现象最容易在潮湿的环境下发生，且其活跃程度与潮湿程度相关；同时组件表面被导电性、酸性、碱性以及带有离子的物体的污染程度，也与上述衰减现象的发生有关。在实际的应用场合，晶体硅光伏组件的PID现象已经被观察到，基于其电池结构和其他构成组件的材料及设计型式的不同，PID现象可能是在其电路与金属接地边框存在电压偏置的条件下发生。

到目前为止，人们对漏电流的形成机理还不是十分清楚。总体而言，由于封装材料对电池进行封装后所形成的绝缘系统对于上述漏电流而言是不完善的，同时推测来自于钠钙玻璃的金属离子是形成上述具有PID效应的漏电流的主要载流介质，如图1所示。

图1 漏电流路径

三 实验室再现

本中心进行PID的主要方式有两种:一种是高温、高湿环境下给组件内部电路和边框施加负电压；另一种是将玻璃表面覆盖铜箔置于高温环境中，并给组件内部电路和边框施加负电压，覆盖铜箔可提供相对于高湿环境更良好的导电介质，加速PID效应。本文试验中使用的均是p型晶硅组件，故施加的偏置电压均为负电压。试验设备:电压源、数据采集仪、定值电阻、环境箱。试验步骤为:

(1)将组件A表面覆盖铜箔至边框，将组件A的正负极引出端短接后接到电压源的负极，电压源的正极连接到组件的接地孔，利用环境箱加热组件至75℃，并通过电压源施加负压1kV至组件内部电路和边框上持续19h后试验停止，组件功率变化见表1。

表1 组件PID前后功率变化

由表中数据可知，A组件在PID 19h后功率衰减了54.44%，衰减相当严重，由此可见PID效应对组件功率的输出影响很大。试验过程中通过引入定值电阻监控PID漏电流曲线如图2所示。

图2 组件PID测试漏电流曲线

(2)将经过PID试验后的组件如步骤(1)连接，此时更改电压源输出为正压1kV，持续3h后试验停止，组件功率变化见表2。

由表2可得出PID效应是可以恢复的，组件功率升高了98.8W，实现了功率的部分恢复，恢复过程漏电流曲线如图3所示。

试验前后对组件EL图像进行追踪，如图4所示。

图3 组件功率恢复漏电流曲线

图4 组件EL变化图

表2 组件功率恢复数据

由图4可发现，组件在PID测试后EL图像出现较大面积的暗片，组件的串联电阻增大，并联电阻减小，填充因子降低；在恢复试验后暗片消失，组件的串联电阻减小，并联电阻增大，填充因子升高。上述现象能反应电池片少子的分布情况，暗片部位少子跃迁机率降低，而电致发光强度随少子扩散长度的增加而增加，所以EL图像变化与外界偏压的改变导致少子扩散长度的变化有关。

四 偏置电压对PID效应的影响

选取相同批次、相同材料的3件组件(X、Y、Z)，组件玻璃面无铜箔覆盖，组件按步骤(1)进行连接，在60℃、 85%RH环境中分别施加500V、1kV、1.5kV的偏压1.5h后测试组件功率，组件功率变化见表3。测试过程中漏电流监控曲线如图5所示。

由图5可得出，漏电流随着偏置电压的升高而增大，Z组件功率衰减了14.2%，X、Y组件功率并没有明显的变化。

表3 组件功率数据

图5 不同偏置电压下的漏电流曲线

五 温度对PID效应的影响

选取相同批次、相同材料的4件组件(B、C、D、E)，B、C、D组件玻璃面均用铜箔覆盖至边框，组件按步骤(1)进行连接，分别在35℃、60℃、85℃环境中施加负压1kV 1h后，测试组件功率并进行EL图像检测，然后再进行2h相同的试验；E组件玻璃面不覆盖铜箔，组件按步骤(1)进行连接，在85℃环境中(无湿度控制)施加负压1kV 4h，组件功率变化如表4所示。测试过程中漏电流监控曲线如图6所示。

表4 组件功率数据

由图6可知，单一组件温度由常温升高到设定温度时，漏电流值不断增大；组件设定温度由35℃升高到85℃时，对应的漏电流值也不断增大；漏电流随着试验的进行并不会无限制增大，在组件温度趋于稳定时也慢慢平稳；对比E组件与D组件可知，铜箔的作用非常明显，高湿表面或含良好导电介质的表面PID效应会比干燥的玻璃表面强很多；另外从E组件和D组件漏电流曲线和功率衰减情况来看，可推测玻璃在形成漏电流回路中起着重要的作用。

试验前后对B、C、D组件EL图像进行追踪，如图7所示。

图7 组件EL变化图

六 湿度对PID效应的影响

选取相同批次、相同材料的3件组件(F、G、H)，组件玻璃面无铜箔覆盖，组件按步骤(1)进行连接，分别在30℃ 35%RH、30℃ 60%RH、30℃85%RH环境中施加负压1kV，1h后测试组件功率，其功率变化如表5所示。测试过程中漏电流监控曲线如图8所示。

由图8可得，3个件组件在第1h内组件的漏电流随湿度的升高而增大，但由于温度较低功率几乎没变；H组件在30℃ 85%RH下经历了66h的试验后功率衰减了30.3%，可以推测在相同组件温度下，较低湿度的情况下功率衰减需要更长的时间。结合温度对PID的影响可知，高温、高湿环境组件的PID效应更剧烈。

表5 组件功率变化数据

图8 不同湿度下的漏电流曲线

七 边框对PID效应的影响

试验选取4件相同批次、相同材料的双波组件(无金属边框)进行PID测试，测试分别按以下方式进行:

L组件:组件背面中间贴40cm×20cm的铜箔，组件短接后连到电压源的负极，正极用夹子接触铜箔。

M组件:组件背面中间贴40cm×20cm的铜箔，正面全覆盖铜箔至距离边缘1cm处，组件短接后连到电压源的负极，正极用夹子接触40cm×20cm的铜箔。

N组件:组件背面中间贴40cm×20cm的铜箔，正面全覆盖铜箔至背面2cm，类似形成铜箔边框，组件短接后连到电压源的负极，正极用夹子接触40cm×20cm的铜箔。

P组件:组件正面全覆盖铜箔至背面2cm，类似形成铜箔边框，组件短接后连到电压源的负极，正极用夹子接触铜箔边框。

每一件组件测试时都保持在75℃环境下，持续施加4h的偏压1kV，监控漏电流曲线如图9所示。

试验后进行功率测试，L、M、N组件测试前后功率波动在1%以内，只有P组件衰减了14.54%，P组件前后EL图片对比如图10所示。

图9 不同边框组件的漏电流曲线

图10 P组件EL变化图

由L、M、N组件漏电流不断增大可认为组件表面贴铜箔、装金属边框都提高了漏电回路的导通性，铜箔和金属边框都是良好的电导体，降低了漏电回路的电阻值；P组件正极用夹子接触铜箔边框，相比N组件减小了铜箔边框至40cm×20cm的铜箔的电阻值，从而导致漏电流升高明显，引起了组件功率的衰减。无金属边框的组件很难形成外电路与内部电池之间的漏电回路，即使形成漏电回路可能效应也是十分微弱的，因此推断出无金属边框组件具有一定的抗PID特性。

八 结论与展望

本文通过实验室模拟组件外界使用环境，重现了组件的PID效应。大自然气候变化多端，组件的PID效应随着温度、湿度、偏压的升高不断增强，输出功率随之下降，这显然不是我们所希望见到的，但是PID效应对组件功率输出并不是毁灭性的，在特定条件下是可以恢复的。通过本文的研究，从组件层面上降低PID效应，需要增加外部电路与内部电池片间的绝缘电阻，减小漏电流，或许选用良好绝缘性能的封装材料是不错的选择。另外无边框的双波组件在试验中体现了一定的抗PID特性，因此边框也是解决PID效应的一个考虑因素。但是从组件层面上解决问题是不完善的，组件很大范围都是在电站中使用，这就要求组件在电站中使用时如何避免引起PID效应的偏压的出现。在室外进行组件PID试验也是以后研究的一个方向，可更真实地体现组件在户外PID效应的情况。

[1]IEC 82/685/NP, System voltage durability test for crystalline silicon modules-Qualification and type approval[S].

[2]Berghold J, Frank O, Hoehne H, et al. Potential induced degradation of solar cells and panels[A].25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition/5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion[C], Spain, Valencla, 2010.

[3]del Cueto J A, McMahon T J. Analysis of leakage currents inphotovoltaic modules under high-voltage bias in the field[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2002, 10(1): 15－28.