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浅析光伏发电中的潜在电势诱导衰减现象
发布时间:2014-09-25
    潜在电势诱导衰减现象(Potential Induced Degradation),简称PID,是组件长期在高电压作用下使得玻璃、封装材料之间存在漏电流,大量的电荷聚集在电池表面,让得电池表面钝化效果恶化,最终导致FF、Isc、Voc降低,使组件性能低于设计标准。
PID的真正原因到目前为止还没有明确的定论,但各个光伏电池组件厂和研究机构的数据表明:PID与电池、玻璃、胶膜、温度、湿度和电压有关。
    一、近些年发生的PID事件
    2005年,美国SunPower公司发现太阳电池表面会出现“表面极化”现象,它发生在SunPower的背极接触高效电池片A-330上(N型电池片) 。如果在组件上施加相对于地面的正向电压,漏电流会立即从电池流向地面,电池的表面会随着时间累积负电荷,这些电荷会将正电荷吸引到电池表面,形成复合中心,组件性能降低。相反,当组件上施加负电压时,极化现象也相应改变,这种情况下组件的性能不会有影响。
    2008年,Evergreen报道了PID出现在高负偏压下的正面连接P型电池组件中。
    2010年,NREL和Solon证实无论光伏组件采用何种技术的P型晶硅电池片,组件在负偏压下都有PID的风险。

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    二、PID现象的特征
    1、PID现象产生的根本条件是光照和组件表面潮湿,多发生在有露水或者有雾的清晨或者白天雨后。
    2、组件的负偏压越大时,PID现象越严重,功率和填充因子有明显下降。
    3、PID现象是可以恢复的,组件表面干燥后,现象消失,不会造成永久损伤。
    三、影响PID现象的因素
    1、系统阵列安装方面影响因素
    组件阵列的组件其边框通常是接地的,造成在单个组件和边框之间形成偏压,决定单个组件的偏压的大小主要因素是:
    (1)逆变器的类型和接地方式
    (2)组件在阵列中的位置
    (3)组件串接的数量
    与逆变器输入端相邻的组件电路通常承受着实际的最大系统电压——
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    逆变器和阵列的负极输出端接地可有效预防PID现象——
    组件阵列中不同接地方式下各位置组件的偏压情况:
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    接地方式和组件在阵列中的位置决定了电池片和组件是受到正偏压还是负偏压,负偏压下越靠近逆变器输出端的组件负偏压越大,PID现象也越明显。而处在正偏压下的组件,PID现象不明显。
    2、组件技术方面影响因素
    环境条件如温湿度使电池片和接地边框之间形成漏电流。封装材料、背板、玻璃和边框之间形成漏电流通道。 
    减少组件中漏电流方法:
    (1)使用特殊玻璃代替钠钙玻璃,(减少玻璃中钠离子)价格昂贵
    (2)采用高体电阻率的封装材料(EVA),同时要考虑光学性能和价格
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    3、太阳能电池技术方面影响因素
    太阳能电池的制造工艺差异也会影响到组件的PID现象,具体影响有以下几点:
    (1) 基底材料的性能——硅片电阻率越高,PID性能越好。
    (2) 发射极方块电阻——增加方块电阻会使电池片更容易衰减,也更容易发生PID现象;电池片掺杂不均匀导致方块电阻不均匀,也更容易出现PID现象。
    (3) 减反射层性能——采用高Si/N比率的减反射层,可以减少PID现象。采用不同沉积方法制备减反射层有不同的PID现象。
    目前电池厂采用的常规方法:
    A、镀高折射率的减反膜。
    B、先在硅基体上生长SiO2层后,再镀SiN减反射膜。
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    四、组件防PID性能测试(PID-free)
    目前IEC尚没有出台有关实验室进行PID测试和评估的正式标准,但有一个工作文件,大致测试方式如下:
    (1)取样:按IEC60410要求,从相同批次中抽取2个组件。
    (2)消除组件早期衰减效应,组件开路进行5-5.5Kwh/m2辐照。
    (3)目测,按IEC61215章节7,IEC61730-2章节10.1.3。
    (4)组件EL成像和最大功率测定。
    (5)湿漏电流测试和接地连续性测试。
    (6)60+/-1℃、85+/-2%,系统电压直流1000V施加在组件输出端和铝框之间96小时。
    (7)组件EL成像和最大功率测定、湿热电流测定。
    (8)合格判定。
    其中,合格判定依据于:
    (1)最终的最大输出功率与初始值比,衰减不超过5%。
    (2)没有目测不合格现象(按IEC61215版本2条目7要求)。
    (3)湿漏电流测试合格(符合IEC61215版本2条目10.15要求)。
    (4)试验结束后组件功能完整。
    五、总结
    1、PID现象的特征:
    (1)PID现象产生的根本条件是光照和组件表面潮湿。
    (2)组件的负偏压越大时,PID现象越严重,功率和填充因子有明显下降。
    (3)PID现象是可以恢复的,不会造成永久损伤。
    2、结合成本考虑,目前改善PID现象的常用方法:
    (1)光伏系统:组件和逆变器的直流端负极接地。
    (2)组件边框接地。
    (3)改进电池的减反射层工艺(高折射率或者SiO2+SiN结构的膜层)。