光伏组件PID效应问题研究

申织华，张新生，江新峰，王以笑，赵萌萌

(国家电网许继集团微电网系统公司，河南许昌461000)

光伏组件PID效应问题研究

申织华，张新生，江新峰，王以笑，赵萌萌

(国家电网许继集团微电网系统公司，河南许昌461000)

随着光伏电站建设的飞速发展，系统电压不断增高，光伏组件的性能会产生持续的衰减，电势诱导衰减(Potential Induced Degradation，PID)效应作为引起组件功率下降的主要原因而引起广泛的关注。介绍了PID效应的概念和国内外研究现状；深入研究了PID效应产生的机理并指出了电压、温度、湿度以及系统接地方式是影响组件PID效应的重要因素；介绍了组件PID效应的测试标准及其测试方法；从组件的生产工艺、材料选择和系统三个方面提出预防组件PID效应的方法。

光伏组件；PID效应；功率衰减

随着全球能源需求的迅速增长，煤炭、石油、天然气等传统化石能源的日益枯竭以及人类环保意识的不断增强，太阳能光伏发电凭借其清洁、可再生、安全等优势得到了迅速发展。随着光伏电站的规模不断扩大，组件的串联数也不断增大，组件中的电路和接地的组件边框之间承受的电压也随之增大，长期处于高电压作用下，光伏组件的性能会产生持续的衰减，即电势诱导衰减(Potential Induced Degradation，PID)[1-2]，严重时会降低光伏系统的发电效率，直接影响电站的实际发电量和投资者的收益。相关数据表明，已经建成的大型光伏电站在运行几年后会发生效率的突然衰减，但组件从外观上却看不出任何缺陷，这引起了行业内对组件PID效应的关注。越来越多的国家和地区将防组件PID效应作为组件的关键指标之一写入合同，并进行随机抽检。投资者要求逆变器具有防组件PID效应功能，检测机构推出了组件PID测试标准。这促使光伏组件生产企业、逆变器生产企业、光伏电站投资者、检测机构等更加深入地研究组件PID效应。

1 PID效应研究现状

早在2005年，美国光伏制造商SUNPOWER公司发现如果组件长期处于高电压状态下，玻璃、封装材料之间会产生漏电流，大量电荷聚集在电池片表面，使得组件产生表面极化现象，导致组件性能降低。同年，美国国家再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)，研究了泄漏电流对组件的可靠性影响。在此之后，一些知名组件厂商和科研机构对PID效应也进行了相关研究。NREL、荷兰能源研究中心(Energy Research Centre of the Netherlands)、德国的Solon公司也证实了采用p型晶硅电池片的组件在负偏压下都可能产生PID效应。柏林光伏研究所(Photovoltaik-Institut Berlin)在实验室条件下模拟了单块常规组件和薄膜组件的PID效应，奠定了PID效应的标准测试的基础。德国Qcell公司也在实验室里对光伏组件的PID效应进行了模拟，证明了PID效应的可逆性。

国内一些组件厂商和科研机构针对PID效应也进行了相关的实验研究，并提出了改善PID效应的措施。阳光电源、华为等公司推出了具有防组件PID效应的逆变器，海润光伏、晶科等组件生产厂商生产的组件也通过了TUV的192 h的PID测试。

2 PID效应的产生机理及影响因素

在并网光伏系统中，光伏阵列输出端对地电压的大小和正负取决于光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT)电压、逆变器的拓扑结构和电网电压。靠近逆变器的组件承受着最大的系统电压，如图1所示。

图1 光伏阵列输出端对地电压示意图

在组件内部，水汽通过封边的硅胶或背板进入组件内部，使得EVA的酯键遇水分解，产生自由移动的醋酸。自由移动的醋酸与玻璃表面析出的碱反应，产生Na+及少量的Ca+、Fe+。

自由移动的Na+在系统电压的作用下移动，经过玻璃、EVA与玻璃的界面、EVA、背板材料和边框密封材料等到达金属边框，即产生了漏电流，如图2所示。Na+大量聚集在电池片的表面特别是减反射膜层处，产生表面钝化效应，使得组件的短路电流、开路电压和填充因子等性能降低，最终导致组件的输出功率下降。

图2 组件截面漏电流路径

PID效应的产生是可逆的，当水汽从组件中减少或消失，自由移动的醋酸根与EVA上的乙烯醇反应重新生成酯键而无法移动，Na+由于缺少羧酸根也无法移动。组件中的导电离子减少或消失，导致组件中由于PID效应产生衰减的部分恢复。

影响组件PID效应的因素可以分为组件、系统和环境三方面[3-4]。

组件方面，由于掺杂不均匀导致电池片的方块电阻不均匀，使得电阻率小的硅片PID影响增强。减反射层的厚度也会影响PID现象的发生，有数据表明，减反射层薄，Si/N比率高的减反射层发生PID效应的比例少，另外减反射层的制备方法不同也会影响组件的PID效应。

系统方面，光伏系统接地方式的不同决定了组件承受正偏压或负偏压，偏置电压的升高，加速了载流子的运动，会导致漏电流的增大，促进了PID效应的产生。在负偏压下，电压越大PID现象越明显；在正偏压下组件的PID现象不明显。

环境方面，温度升高使半导体的反向饱和电流密度迅速增大，导致漏电流的增大。湿度增加会速EVA酯键的水分解，加快Na+的产生，从而加速组件的PID效应。

3 组件PID效应的测试

PID测试标准引自IEC 82/685/NP：System voltage durability test for crystalline silicon modules。该标准用来测试和评估晶体硅光伏组件在潮湿环境中耐受系统电压、湿度、温度的能力。

测试程序如图3所示，其中10.1、10.2、10.3、10.15引用自IEC61215，MST01、MST03、MST13引用自IEC61730-2。

图3 PID测试流程

测试需要3块组件样品，其中2块组件分别在正偏压和负偏压下进行实验，另外1块作为对照样本。测试环境温度：(60±2)℃；环境湿度：85%±5%RH；测试时间：96 h；测试电压：在组件需满足的正系统电压下或负系统电压下。

组件需要先经过一系列的基本验证，包括最大功率确定电致发光成像及接地连续性测试等，然后在不同的环境中施加不同强度的电压来验证组件的抗PID性能。具体步骤如下：

(1)消除早期衰减效应：组件开路进行5～5.5 kWh/m2的照射；

(2)目测检查是否有不合格现象，并对上表面进行清理；

(3)组件的EL成像，组件的STC最大功率测定；

(4)湿漏电实验，接地连续性实验；

(5)电压耐久实验，在(60±2)℃、85%±5%RH环境中，系统电压施加在组件的输出端和铝边框之间持续96 h；

(6)组件的EL成像，观察组件中电池的变化情况；

(7)湿漏电流实验，目测检查是否有不合格现象；

(8)组件的STC最大功率测定；

(9)合格判定。

组件合格判定的条件为：(1)组件的最大输出功率衰减不超过5%；(2)无任何严重外观缺陷；(3)湿热实验满足要求；(4)每组实验开始和结束时，绝缘测试满足要求；(5)满足单个实验的特殊要求。

4 电势诱导衰减效应的解决办法

可以从组件、系统方面解决组件的PID效应。

在组件方面，可以采用以下措施增强组件的防PID效应能力：通过调整PECVD工序的技术参数，减少对硅片表面氧化层的等离子体轰击预清洗，增加减反射膜层的电阻；通过调整Si/N的比例，以提高电池片的钝化效果和折射率；选择绝缘性能好的封装材料；优化EVA封装材料中醋酸乙烯脂的含量。

在系统方面，合理选择电气的连接方式可以防止组件PID效应的发生，甚至恢复已经发生PID效应的组件；可以通过增加防PID效应装置，抬升光伏阵列的负极电压，减少或消除组件承受的负偏压，如图4所示；还可以在夜间对组件负极和地之间施加正电压，进行反PID效应，使已经产生PID效应的组件恢复性能。

图4 防PID效应装置示意图

5 结论

PID效应的产生受组件的内部材料结构、外部温度湿度、系统电压及接地方式的影响，直接导致组件输出功率的下降。这种效应是可逆的，在一定条件下可以恢复。组件PID效应问题可以通过组件和系统两方面解决，使组件输出功率更加稳定，提高整个光伏系统的稳定性，保证光伏电站的发电量。

[1]BAUER J,NAUMANN V,GROβER S,et al.On the mechanism of potential-induced degradation in crystalline silicon solar cells [J].Phys Status Solidi RRL,2012,6(8):331-333.

[2]LIU H C,HUANG C T,LEE W K,et al.High voltage stress impact on P type crystalline silicon PV module[J].Energy and Power Engineering,2013,5(7):455-458.

[3]HOFFMANN S,KOEHL M.Effect of humidity and temperature on the potential-induced degradation[J].Prog Photovolt:Res Appl, 2014,22(2):173-179.

[4]NAUMANN V,HAGENDORF C,GROSSER S,et al.Micro structural root cause analysis of potential induced degradation in C-Si solar cells[J].Energy Procedia,2012,27:1-6.

Research on potential induced degradation of PV modules

With the rapid development of photovoltaic plant construction,the system voltage continues to increase, which causes the performance of PV modules to decay.As the main reason of decline in PV modules,the potential induced degradation(PID)effects have attracted comprehensive attention.The PID effects and research status were introduced.The PID effects mechanism was proposed.The main factors of affecting the PID effects of PV modules were pointed out,which are voltage,temperature,humidity and system grounding method.The PID effects testing standards and test methods of PV modules were described.From production process,material selection and system of the PV modules,the preventive method for PID effects was proposed.

PV modules;PID effects;power attenuation

TM 914

A

1002-087 X(2016)06-1327-03

2015-12-15

申织华(1988—)，男(满族)，辽宁省人，硕士，工程师，主要研究方向为分布式光伏发电技术、智能微电网技术。