光伏组件PID效应及解决方案论析

孙仲刚，于 波，刘克铭，李亚斌，刘 妍，容丹丹，将京娜

（英利能源（中国）有限公司光伏材料与技术国家重点实验室，河北保定 071051）



光伏组件PID效应及解决方案论析

孙仲刚，于 波，刘克铭，李亚斌，刘 妍，容丹丹，将京娜

（英利能源（中国）有限公司光伏材料与技术国家重点实验室，河北保定 071051）

摘 要：描述了光伏组件发生PID的效应及现象，从电池角度阐述了其主要可能形成的机理，并通过实验观察到PID问题在实际测试及使用过程中的现象和影响，通过实验比对不同扩散方阻及扩散PN结深、不同折射率的镀膜工艺、不同类型组件封装材料以及正负极不同系统接地方式等解决方案，重点论述了解决PID问题的方法以及几种方案在目前实际生产中的应用情况，为解决PID问题提供参考。

关键词：太阳能；PID效应；光伏组件；解决方案；镀膜；接地方式

E－mail：zhonggan．sun＠yinglisolar．com

孙仲刚，于 波，刘克铭，等．光伏组件PID效应及解决方案论析［J］．河北工业科技，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．

太阳能已经被大规模应用于各个行业，近几年大型光伏并网电站也在整个能源供应结构中占据了很大比例。随着技术的进步，电池效率得到了很大提高。研究表明，由于高效电池技术的应用，硅片扩散深度、硅片扩散后方块电阻较之前都有明显提升［1－3］，加之晶体硅光伏组件中的电路与其接地金属边框之间存在较高的电势差，从而造成了光伏组件高达70％的输出功率衰减［4－6］，业内称之为电势诱导衰减（PID）。本文主要揭示PID形成机理，并描述其表观现象，通过研究电池结构、镀膜工艺、组件封装材料以及系统接地等方面，找到解决PID问题的方法，为解决PID问题提供必要的参考。

1 PID形成机理及问题描述

2005年，Sunpower公司率先提出了因组件封装材料和电池而导致的组件功率衰减问题，这是关于PID现象较早的论述。由于Sunpower公司较早采用了高效电池生产技术，因此，其生产电池的硅片扩散方阻较常规工艺生产的电池要高很多。近几年，常规电池生产厂家为了提高效率也采用了提高硅片扩散方阻的方法，PID问题逐渐被发现、认识和研究［7－8］。

PID发生的根源在电池，而现象一般通过组件表现，因此，发生PID问题跟组件使用环境有很重要的关系，其活跃程度与温度、湿度有关，同时组件表面的导电性、酸性、碱性以及带有离子的物体污染程度也与组件功率衰减相关联。在实际发电现场，PID现象已经被观察到，并有大量的实际案例发生，已经给当前电站的稳定可靠运行带来较大的损失或风险［9－10］。

到目前为止，行业内比较认可的PID衰减机理是：组件电极与边框之间由于存在较高的偏置电压，导致其在合适的条件下，玻璃表面会形成一层导电的正离子膜，该导电的离子膜即形成了模拟电场，在该电场的作用下，玻璃表面的钠离子会通过EVA迁移至电池表面或到达电池发射极的位置，PN结因此被破坏，串联电阻增大，并联电阻减小，组件EL照射时电池变黑变暗［11－13］。

此外，德国弗朗霍夫及TUV等研究机构还提出了形成PID的原因是由于玻璃表面钠离子迁移至电池内部，钠离子在电场的作用下迁移至扩散结的位置，由于钠离子的存在使得电池内部载流子与之形成一个内建电场，从而限制了载流子的输出，最终引起组件功率衰减［14－15］，其机理如图1所示。

图1　PID内建电场示意图Fig．1 Build－in internal electric field diagram

典型的PID组件测试前后EL变化图如图2和图3所示。

图2　PID测试前组件EL图Fig．2 Module EL diagram before PID test

图3　PID测试后组件EL图（85℃，85％相对湿度，96h）Fig．3 Module EL diagram after PID test （85℃，85％RH，96h）

但是在实际测试以及户外电站现场，也发现了很多类似PID问题并不一定是在高偏压的状态下发生的，比如组件在做HF10（湿冻循环）测试时，通入0．5～1A的正向监控电流，组件也会发生比较严重的PID。组件经过HF10测试后的衰减情况（监控电流0．5A）如表1所示。HF10测试前后组件EL图如图4和图5所示。目前此类问题形成的机理尚不清楚，但是该问题反映到电站现场就是组件在很短的时间（一般不超过半年）就出现了严重的PID问题。

图4　HF10测试前组件EL图Fig．4 Module EL diagram before HF10test

图5　HF10测试后组件EL图Fig．5 Module EL diagram after HF10test

表1　组件经过HF10测试后衰减情况（监控电流0．5A）Tab．1 Module attenuation after HF10test （monitoring current is 0．5A）

对比图3和图5发现组件在正常高偏压下发生的PID问题，其电池发生的位置并不全是在靠近负极端，在一块组件中位置是随机的，而在HF10发生的类似PID的问题一般是靠近负极端，分析原因可能有以下2种：

1）测试的过程中有通入低电流现象，在电池片内部形成电场，产生电位诱导效应，导致功率衰减严重；

2）硅片基材中可能会存在电阻率或者杂质含量，导致功率衰减问题的产生。

2 PID影响因素

考虑到当前电池所使用的工艺，本文所涉及的PID影响因素主要从电池镀膜工艺、组件封装材料、系统接地3个方面进行论述，而对于扩散后的硅片方阻大小只做了一次对比测试。

根据实验室测试以及在生产线上解决PID电池工艺可实现的改进问题有3方面：一是优化现有镀膜工艺，改进电池表面减反射膜的厚度和折射率；二是使用抗PID的材料封装组件，通过使用低钠玻璃也可以减缓PID问题发生的速度；三是系统采用负极接地的形式，将正向偏置电场改为负向偏置电场，从而避免玻璃里面的钠离子迁移至电池。

2．1 电池表面镀膜工艺对PID的影响

本文所说的电池全部指P型单晶或多晶电池，N型电池由于其特殊的电池工艺和结构，其PID的衰减机理与P型电池有一定的差异。

不同电池的折射率反映到微观结构，主要区别是低折射率的镀膜在电池表面形成的空隙结构较为疏松，这些空隙不能够有效阻止玻璃里面的钠离子向电池的PN结迁移，最终导致较大的功率衰减，而折射率越高的镀膜在电池表面形成的结构越致密，当膜层折射率达到2．2以上时，电池片自己就具有非常好的抗PID效果，但是折射率高，电池对光的吸收效率也会降低，因此目前还不能单靠提高电池镀膜的折射率来改善其抗PID的效果。针对不同折射率的电池做的PID测试如下所述。

选择3组相同批次、相同封装材料的组件，电池折射率分别为2．06，2．08和2．10，每组6块组件，测试条件均为60℃，85％相对湿度。组件测试功率衰减比例如图6—图8所示。

图6　电池折射率为2．06的衰减图Fig．6 Sim dietrich under cell refractive index of 2．06

由图6可以看出，当电池的折射率为2．06时，组件48h功率衰减就远远超过了5％，甚至超过40％，已经严重影响了组件性能，在电站中会影响整个方阵系统的发电量。对于发生问题较轻的PID组件，通过给组件施加较高的负电压，组件功率可以恢复至原始功率的95％以上，而对于衰减严重的组件，即使施加负电压，也不能完全恢复，也就是说PID衰减导致组件功率永久降低，因此，如何保证组件不发生严重的PID成为当前行业共同研究的问题。

图7　电池折射率为2．08的衰减图Fig．7 Sim dietrich under cell refractive index of 2．08

由图7可以看出，折射率提高到2．08以后，组件在PID测试中衰减值要明显小于折射率为2．06时，但是还不能避免PID问题的发生，组件功率96 h后也超过了一般客户要求小于5％的标准。

图8显示使用折射率为2．10的电池，组件PID测试衰减明显降低。尽管测试条件（60℃，85％相对湿度）比较温和，该种方法也不能保证组件100％ 抗PID的性能。

图8　电池折射率为2．10的衰减图Fig．8 Sim dietrich under cell refractive index of 2．10

综上所述，随着折射率的提高，组件的抗PID性能明显提高，如果继续提高电池折射率，组件抗PID的效果会更好，如果折射率达到2．2以上，组件即使用普通EVA封装材料，其抗PID性能也能够达到较好的效果，但是如果折射率太高，电池效率会下降，所以单纯提高电池折射率解决PID问题的方法没有被大范围应用。

此外，从电池结构考虑，在进行电池减反射膜处理前，在硅片表面增加1层二氧化硅的膜或叠层氮化硅的薄膜，使电池具有良好的抗PID性能，这2种技术工艺实现较为简单且几乎不增加电池的成本，因此被广泛应用。氧化硅膜层实现的方式主要有以下2种：一是采用臭氧工艺，即通过臭氧发生器在硅片表面形成几个纳米的二氧化硅膜层；二是通过一氧化氮工艺在电池表面形成二氧化硅膜层。一般厂家会根据设备情况及生产线布局进行改造，如图9所示是电池钝化工艺类型。

图9　电池钝化工艺类型Fig．9 Technology type of cell passivation

SiO2在电池表面形成致密的抗PID氧化硅薄膜；SiNX∶H通过PECVD沉积多叠层的SiNX∶H形成多减反射钝化薄膜，实验证明采用叠层氮化硅工艺是为了既保证电池良好的抗PID效果，又保证电池较好的减反射效果。底层膜的折射率比较高，一般在2．2以上，而顶层要求折射率较低，一般在2．05以下。

此外，近期也有研究人员在研究新型的PECVD氢化硅氧氮（SiON）和氢化氮化硅（SiN）的叠层结构，代替当前的多层氮化硅薄膜（各层折射系数不一样，从内层开始折射系数逐渐从高向低变化），让其作为晶体硅太阳电池的钝化层和减反射层。此种膜层的优势是表面复合速度较常规工艺下降很多，说明叠层结构具有较好的热稳定性，适应晶体硅太阳电池的制备条件。

2．2 封装材料对PID的影响

组件封装材料主要包括背板、EVA、玻璃，目前玻璃里面的钠离子被认为是PID问题产生的诱因，背板透水率也被认为对PID有一定的影响，但是在行业内普遍应用的玻璃、背板材料都难以解决PID问题，所以本文所描述的封装材料主要是指EVA以及与EVA类似的高分子材料比如聚烯烃、离子膜等。

近几年，随着PID问题的出现，封装材料厂家也在改进生产工艺和材料配方，提高EVA的抗PID能力。同时研究开发新型封装材料替换EVA，聚烯烃材料被认为是很好的解决PID问题的材料之一，表2及图10是不同厂家EVA、不同封装材料的PID测试数据及衰减曲线变化关系。

由表2及图10可以看出，使用不同封装材料组件的抗PID性能差异很大，对于常规折射率（2．06）电池而言，普通EVA封装的组件衰减很大，96h时超过了50％，而对于抗PID的EVA，使用普通电池折射率也很难保证96h衰减小于5％，考虑测试温度的影响，单靠EVA封装材料不能解决组件PID衰减的问题。

表2　不同封装材料PID测试数据（以功率衰减比例表示）Tab．2 PID test data of different encapsulation materials （expressed by apercentage of power degradation）％

图10　不同封装材料PID衰减趋势图Fig．10 PID attenuation trend chart of different encapsulation materials

针对上述实验结果，再次进行了电池折射率（2．10）加抗PID的EVA比对测试。从测试结果看，组件具有较好的抗PID效果，图11是测试数据曲线。

图11　电池折射率2．10加抗PID的EVA衰减数据Fig．11 Module degradation data：cell refractive index is 2．10，PID－free EVA

由图11可以看出，如果将电池折射率控制在2．10以上，再配合抗PID的EVA组件，衰减得到了很好的控制，测试的4块组件经过96h测试后的衰减小于5％。

在不同的封装材料中，由于聚烯烃具有独特的分子结构及材料体系，使得其具有良好的抗PID性能。

聚烯烃材料目前主要有两类：一是不具有交联体系的热塑性聚烯烃材料；二是具有交联体系的热固性聚烯烃材料。实验表明，这2种材料除了有交联体系的区别之外，其抗PID性能在匹配电池后效果都非常好，能够稳定控制PID，极限条件（85℃温度、85％的相对湿度，1 000V电压、1 000h）的测试功率衰减在5％以内。极限PID测试如表3所示。

表3　聚烯烃封装材料极限PID测试Tab．3 Limit PID test of polyolefin encapsulation materials

表3数据表明聚烯烃在抗PID性能方面非常优异，与EVA相比聚烯烃材料具有很多优势，比如良好的抗老化性能和抗紫外性能。但是其在户外长期可靠运行是否会有其他问题发生则需要时间验证，尤其是热塑性聚烯烃，由于没有交联体系，组件在户外综合老化的使用条件下存在脱层的风险。

对于生产工艺而言，由于聚烯烃熔融指数较EVA低，EVA为80℃，聚烯烃为60℃，因此其在层压过程中容易产生气泡。近几年虽然研究人员加大了对聚烯烃的研发力度，很多物理参数也已经非常接近EVA，相信聚烯烃的使用量将会越来越大。

2．3 接地系统对PID的影响

尽管PID问题产生的根源在电池，但是解决的途径既可以通过电池、组件封装材料的改进来解决，也可以从组件方阵系统加以避免。常规电站目前有3种接地方式（直流侧）：一是正极接地；二是悬浮接地，即正、负极不接地；三是负极接地。

不同系统接地方式对组件发生PID的影响很大，主要是不同的接地方式可能会在组件正面形成不同作用方向的电场，从而产生促使或抑制玻璃中的钠离子向电池PN结迁移的效果。当铝边框正极接地时，若组件的玻璃表面有湿气，则会在组件表面形成一个带正电荷的水膜，这个带电水膜就会形成一个正电场，此时玻璃表面带正电荷钠离子在电场作用下通过EVA向电池方向迁移，从而发生PID现象。如果采取铝边框和方阵负极接地的方式，则带电水膜的电场方向正好相反，从而抑制了钠离子向电池方向迁移，达到避免PID现象发生的目的。

通过对客户反馈问题的整理分析发现，发生PID问题的电站都采取了正极接地或悬浮接地的方式，而对于负极接地系统而言，在实际电站中目前还没有发生PID问题的案例，因此本文对不同的接地方式进行了模拟实验。通过实验发现，负极接地系统（见图12）确实能够避免PID问题的发生，详细数据见表4及图13。

图12　负极接地系统示意图Fig．12 Negative ground system schematic diagram

由表4及图13可以看出，系统负极接地能够有效避免PID问题的发生，对于负极接地系统而言，在电站设计或改造时需要注意以下事项。

表4　正、负极分别接地PID衰减Tab．4 PID attenuation trend under positive and negative ground condition ％

图13　正、负极接地趋势图Fig．13 Positive and negative ground trend chart

1）出于电站及电站周围安全性考虑，建议地面电站逆变器直流侧进行负极接地，并对电站进行相应的漏电保护及监测措施；

2）光伏电站系统逆变器直流侧负极接地要求逆变器带有能够负极接地功能的隔离变压器；

3）光伏电站系统负极接地需要考虑其他器件的电性能参数，如防雷器选型、漏电流传感器选型等器件，具体参数由系统设计厂家提供。

3 结 语

近几年的研究表明，PID问题出现比较频繁，严重影响了组件产品质量以及客户的收益，各个企业以及研究机构投入了很多精力加以研究和解决。目前主流技术还停留在电池和组件封装材料层面，由于涉及到标准及安全、设计等方面的问题，系统负极接地方式还没有被广泛应用，只是应用在已经发生PID问题的电站。通过实际验证，电站负极接地改造已取得了良好效果。随着对此问题的深入认识，相信负极接地会逐渐被业界认可和采纳。

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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

作者简介：孙仲刚（1977—），男，河北涞水人，工程师，主要从晶体硅产品研发、设计方面的研究。

基金项目：国家863计划项目（2015AA050301）

收稿日期：2015－11－04；修回日期：2016－01－14；责任编辑：陈书欣

文章编号：1008－1534（2016）02－0151－07

中图分类号：TM914．4

文献标志码：A

doi：10．7535／hbgykj．2016yx02010