晶體硅光伏組件電勢誘導衰減（PID）效應研究

陳娥 雷鳴宇 馬曉龍 李天龍

摘要：PID現象是光伏電站輸出功率衰減的重要因素之一，該效應會造成組件中填充因子、開路電壓、短路電流減小，進而影響晶體硅光伏組件功率輸出，造成光伏電站發電系統故障。因此研究組件PID效應和抑制該效應的措施對于電站的運營和維護具有重要的意義。本文從PID效應的研究歷程出發，分析了晶體硅光伏組件PID效應產生的微觀機理，通過論述對比得出被廣泛認可的兩種微觀機理其共性，得出從晶體硅光伏組件端抑制PID效應產生的措施。

關鍵詞：PID;晶體硅光伏組件;微觀機理;抑制措施

Abstract：PID phenomenon is one of the important factors for the output power attenuation of photovoltaic power station.This effect will reduce the filling factor，open-circuit voltage and short-circuit current in the module，thus affecting the power output of crystalline silicon photovoltaic modules and causing the failure of the power generation system of photovoltaic power station.Therefore，it is of great significance for the operation and maintenance of power station to study the PID effect of components and the measures to restrain it.Based on the research history of PID effect，this paper analyzes the micro mechanism of the PID effect of crystalline silicon photovoltaic modules.Through discussion and comparison，the commonality of the two widely recognized micro mechanisms is obtained，and the measures to restrain the PID effect from the end of crystalline silicon photovoltaic modules are obtained.

Key words：PID;Crystalline silicon photovoltaic modules;Microscopic mechanism;Inhibition of measures.

一.引言

世界能源轉型革命的加速推進促使綠色清潔可再生能源的開發利用成為了能源行業發展的基本方向，隨著“碳中和”、“碳達峰”戰略目標的提出，發展環保低碳經濟已成為能源行業發展的主流。作為光伏發電系統的主體，晶體硅光伏組件占據光伏組件90%以上的應用市場[12]，它具有清潔低碳、運行可靠、建設周期短、安裝建設可模塊化等不可替代的優勢[1]。晶體硅光伏組件穩定持續的發電量輸出有助于光伏電站安全穩定運營、提升電站運營效益，也有利于光伏行業降低度電成本。而PID效應是指在光伏組件在其壽命周期內長期高電壓作用導致鋼化玻璃、封裝材料與電池片之間產生漏電流，影響電池片表面電荷分布，導致組件本身輸出功率大幅度衰減的不利作用。有電站長期運營檢測結果表明，PID效應在嚴重時能引起光伏陣列40%-50%以上的功率衰減，這種現象在空氣濕度大、存在高濃度鹽霧氣候特征的沿海地區光伏電站尤為常見。因此，本文從PID效應的研究進程出發，重點討論晶體硅光伏組件PID效應產生的微觀機理，通過論述對比被廣泛認可的兩種微觀機理，得出抑制PID效應產生的措施。

二.PID效應主要研究進展

相關記錄表示，2005年PID現象在美國 Sunpower [11]公司制造并投入使用的一批晶體硅光伏組件中被發現，并于同年在上海光伏會議上被該公司正式報道[12]，全稱為電勢誘導衰減（Potential Induced Degradation）效應;NREL和Solon于2010年提出了可以通過封裝材料的優化來抑制PID效應[11，12];此后越來越多光伏制造商和學者投入了這方面的研究[13]。

據報道，國內光伏企業的大規模快速發展始于本世紀初[11]，2000年以后越來越多的光伏電站開發建設并投入運營，在這種蓬勃快速發展的趨勢下，電站建設中晶體硅光伏組件發電量變化的某些問題逐漸暴露，其中許多電站輸出功率出現大幅度異常衰減的現象逐漸被報道，PID效應正是在這樣的大背景下開始被國內光伏領域關注，逐步成為行業研究的熱點及難點。2016年，國家新能源開發集團通過測試提出了抑制PID效應的設備及原材料改進方案[13]，該研究未國內后續PID抑制方面的研究指出了基本方向;同年，國家電網系統公司提出影響光伏組件PID效應發生的因素[11]，其中包括最大系統電壓、組件溫度等組件本身因素，也包括測試環境濕度、組件連接方式等外部因素。此前，在PID發生的微觀機理方面，2012年吉林大學有研究提出，漏電流是晶體硅光伏組件PID效應發生的主要因素[11]。這些偉大研究極大促進了光伏行業的發展。

三.PID微觀機理

PID效應會使組件中填充因子、開路電壓、短路電流減小，功率降低，減少發電量，影響晶體硅光伏組件功率輸出，造成光伏電站輸出功率衰減，減少光伏發電站的收益，因此在光伏領域被廣泛研究，用于評價晶體硅光伏組件功率輸出、分析光伏電站輸出功率衰減[6]。

從晶體硅太陽能電池的組成出發討論PID現象的機理，太陽能電池組件由玻璃+EVA（POE）+電池片+EVA（POE）+TPT+邊框構成。相關研究證明，潮濕、高溫的環境下，PID試驗箱內部水蒸氣通過封邊硅膠或背板進入組件內部，易促進組件原材料老化，加劇PID效應[11]。其原理與EVA脫乙酰反應有關：EVA的主要成分為乙烯—乙酸乙烯酯共聚物，酯鍵在水汽作用下分解斷裂后生成可自由移動的不飽和乙酸基，這個過程被稱為EVA脫乙酰反應[14]，該反應產生的乙酸會腐蝕太陽電池背板、電極和焊帶等含金屬離子或金屬的部分，嚴重時造成電池片斷路失效。研究表明[4]，PID效應的形成與組件所處環境的溫濕度[4]、酸堿度[4]、雜質離子、偏置電壓特性等外界因素[5]有關，也與不同偏置電壓下組件本身電池結構、接地金屬邊框等封裝材料的類型、封裝設計方式等有關。這些內外部因素綜合作用導致上述EVA材料脫乙酰反應、封裝、粘合材料水解反應等不良反應發生，何登虎團隊的研究表明上述反應產物中的酸性物質或金屬離子等易使電池片表面發生極化現象，改變電池片表面態電荷分布并造成電池片表面高電勢。電池片表面態極化現象的發生正是PID效應的根本誘因[6]。因此探究PID效應的微觀機理，要從電池片表面態極化現象的成因出發，目前有以下兩種解釋從這一角度論述PID效應的微觀機理：

本文主要從造成電池片表面電荷異常分布的因素出發研究PID效應的微觀形成機理，主要有以下兩點：

（1）鈉離子遷移導致：

相關研究表明電池片表面Na+雜質的存在和遷移是PID效應主要誘因。2017年，馬遜博士[5]及其團隊的研究表明高溫高濕環境更易激發晶體硅光伏組件的PID效應，他們利用泊松方程和載流子連續性方程建立數學模型研究PID現象與載流子在界面處復合的關系，以及發生PID效應前后組件電流-電壓特性變化[6]，經過數學模型剖析及對比試驗研究推論，認為氮化硅與晶硅界面處大量Na+的存在使界面態密度增加，這是由于PID效應的發生改變了界面態的電荷分布，在界面上形成電勢差，促進界面態正負電荷重新排布，使此時界面處的表面復合速度遠大于沒有發生PID效應時的復合速度。該研究證明Na+在界面處的遷移是PID效應發生的根本原因之一。追究Na+的來源，第一，晶體硅光伏組件封裝用鋼化玻璃的主要成分除了起著網絡形成體的作用二氧化硅，還有大量純堿（NaCO3），用于提供氧化鈉來降低玻璃的熔制溫度，這是在界面態引入Na+的原因之一;第二，制造流程中，硅片清洗制絨工藝在為硅片進行初步拋光時會引入濃度0.8%—1.2%的KOH溶液，若后期處理不到位導致K+的殘留[7]，也會導致界面態電荷分布異常，加劇PID效應的發生。

（2）PN結漏電流影響機制

光伏組件運行時，電池片內部PN結因光熱輻射或加電被激發后會產生的漏電流，在曾雪華團隊的研究[4]中，PID效應與漏電流有關[4，8]。在漏電流的作用下，電池片表面載流子重新排布，帶正電的載流子受電池片表面高電勢影響獲得而被激發獲能穿過玻璃層形成定向移動，這些正電荷載流子通過邊框流向地面，使得負電荷在電池片表面堆積，吸引光電載流子（空穴）流向硅的表面聚集起來，而不是像正常狀態下一樣流向正極（P極），這種表面極化現象引起的輸出功率衰減，就是PID效應的機理。電子為多數載流子的N型硅表面更易吸引空穴的聚集，因此從這一機理分析可知N型硅更易發生PID效應[11，12]。

因此從本質上說，PID效應的微觀形成機理都與EVA脫乙酰反應產生乙酸、金屬離子等遷移等引起的電池片表面電荷異常分布有關。

四.抑制PID效應的措施

研究表明，PID現象是可逆的[2]，中國科學院大學的研究[9]指出發生PID現象的組件在承受高溫烘干時功率會出現不同程度的回升，證明該效應的損害不是損毀性的，是可以通過一定方式抑制或減弱的。結合近幾年相關研究資料，發現可從以下幾個方面抑制PID效應。

1.原材料選取

從晶體硅光伏組件封裝材料的選取出發，可以采用不含Na、Ca離子的鋼化玻璃、提高玻璃的體電阻，或采用非乙烯—醋酸乙烯共聚物的封裝材料[10]，抑制正電荷穿過鋼化玻璃形成通向邊框的漏電流通路，都可以從根源上抑制PID效應形成。選用良好絕緣性能的封裝材料，或選擇無邊框晶體硅光伏組件，以此來增加外部電路與內部電池片間的絕緣電阻，減小漏電流，也能有效抑制PID效應。

2.電池鍍膜工藝優化

2016年，梁吉連等人在研究中[16]優化等離子體化學氣相沉積（PECVD）工藝，用硅烷及氨氣作為反應氣體，氫氣稀釋后在等離子體放電下沉積出雙層SiNx：H膜電池片，H離子起到補償SiNx膜中能級缺陷的作用，這種薄膜具有優良的減反射特性，通過改變薄膜成分配比[17]可將電池片表面折射率控制在大于2.16的水平，能達到較高的光電轉化效率并實現抗PID效果。雙層減反射膜是指在硅片表面沉積的兩層折射率大于硅片的SiNx膜，底層為折射率較大的薄膜，而頂層為折射率較小的較厚的膜，這種雙層膜結構可以有效降低硅電池表面反射率，也起到表面鈍化作用，可降低電荷在電池片表面的異常聚集。通過優化太陽電池工藝，改變減反射膜的厚度及折射率，在保證光電轉化效率的同時能時電池片具備抗PID特性。

3.1500V光伏系統

晶體硅光伏組件在電站使用時串并聯方式、逆變器的選擇等也對該效應產生影響[5]，目前光伏逆變器 PID 效應解決方案大致分為負極接地、反向偏壓恢復、負極電位抬升、交流電壓中性點電位抬升 4 類。

五.結論

本文從PID效應的研究進程出發，重點從Na+等活潑金屬離子遷移及PN結漏電流方面討論晶體硅光伏組件PID效應產生的微觀機理，通過論述對比得出被廣泛認可的兩種微觀機理其共性，得出從晶體硅光伏組件端抑制PID效應產生的措施。

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