封裝膠膜的體積電阻率對(duì)光伏組件 抗PID性能的影響研究

李 達(dá)，肖 文，鄭海興，吳潮輝，翁軍華，姜 鶴

(南方電網(wǎng)綜合能源股份有限公司，廣州 510000)

0 引言

電勢(shì)誘導(dǎo)衰減(PID)最早于2005年由美國(guó)Sunpower公司發(fā)現(xiàn)并提出[1]。PID是指光伏組件在電勢(shì)差的作用下使邊框、玻璃與太陽(yáng)電池之間存在漏電流，導(dǎo)致光伏組件實(shí)際輸出功率低于其標(biāo)稱功率[2-3]。目前，國(guó)內(nèi)外光伏電站針對(duì)光伏組件PID現(xiàn)象采用的方案主要有3種，分別是：1)提高光伏組件內(nèi)太陽(yáng)電池串的電壓(即將太陽(yáng)電池串負(fù)極接地，光伏組件與其邊框之間形成正向偏壓)；2)夜間向光伏組件施加反向電壓；3)優(yōu)化光伏組件抗PID性能。其中，提高光伏組件內(nèi)太陽(yáng)電池串電壓的方案為事前預(yù)防方案，雖然可以起到一定的防PID效果，但對(duì)于安裝在工商業(yè)屋頂?shù)奈蓓敺植际焦夥l(fā)電項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，存在安全隱患；夜間向光伏組件施加反向電壓為發(fā)生PID后進(jìn)行修復(fù)的方案，需增加修復(fù)設(shè)備，且修復(fù)效果存在不確定性[4]，因此，以上3種方案中，優(yōu)化光伏組件抗PID性能，提高其自身抗PID能力是最直接且經(jīng)濟(jì)的方案。

為優(yōu)化光伏組件抗PID性能，業(yè)內(nèi)研究人員先后嘗試了在太陽(yáng)電池表面改變基極電阻率，改變減反射膜SiN的比例、厚度及致密性，但均無(wú)法在太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率與光伏組件的抗PID性能之間取得較好的平衡[3,5]。最后有研究發(fā)現(xiàn)，在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)前，通過(guò)熱氧化形成一層納米級(jí)厚的SiO2膜，可使光伏組件的抗PID性能有一定提升；但該工藝較復(fù)雜，且抗PID效果存在不穩(wěn)定性，因此，提升封裝膠膜內(nèi)帶電離子阻隔能力成為另一種優(yōu)化光伏組件抗PID性能的選擇。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文基于不同分子結(jié)構(gòu)的封裝膠膜，按照GB/T 29848—2018《光伏組件封裝用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)膠膜》[6]來(lái)測(cè)試封裝膠膜的體積電阻率；再分別采用不同類型的封裝膠膜封裝成光伏組件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析的方法，針對(duì)不同體積電阻率的封裝膠膜對(duì)光伏組件漏電流及抗PID的影響進(jìn)行實(shí)證研究，為優(yōu)化光伏組件抗PID性能方案提供技術(shù)選擇。

1 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

1.1 封裝膠膜的選擇與測(cè)試

為對(duì)比不同類型封裝膠膜的技術(shù)性能，選取同一廠家生產(chǎn)的3類不同分子結(jié)構(gòu)的封裝膠膜進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。第1類為普通乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)封裝膠膜，即“A類封裝膠膜”；第2類為添加了高阻助劑的EVA封裝膠膜，即“B類封裝膠膜”；第3類為共聚烯烴(POE)封裝膠膜，即“C類封裝膠膜”。每類封裝膠膜各取3個(gè)批次的樣品，分別測(cè)試體積電阻率及水蒸氣透過(guò)率。測(cè)試方法按照GB/T 29848—2018和T/CPIA 0006—2017《光伏組件封裝用共聚烯烴膠膜》中的規(guī)定；測(cè)試設(shè)備采用型號(hào)為TOS9213AS的高絕緣電阻測(cè)量?jī)x，以及美國(guó)MOCON公司的3/61型紅外法水蒸氣透過(guò)率測(cè)試儀。

不同分子結(jié)構(gòu)封裝膠膜的體積電阻率測(cè)試結(jié)果如表1所示，水蒸氣透過(guò)率測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 不同分子結(jié)構(gòu)封裝膠膜的體積電阻率測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of volume resistivity of encapsulation films with different molecular structures

從表1可以看出：不同分子結(jié)構(gòu)封裝膠膜的體積電阻率從高到低的排序是C類封裝膠膜>B類封裝膠膜>A類封裝膠膜，即POE>高阻助劑型EVA>普通EVA，且POE的體積電阻率比普通EVA的高約2個(gè)數(shù)量級(jí)，高阻助劑型EVA的體積電阻率比普通EVA的高約1個(gè)數(shù)量級(jí)。

表2 不同分子結(jié)構(gòu)封裝膠膜的水蒸氣透過(guò)率測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of water vapor permeability of encapsulation films with different molecular structures

1.2 光伏組件樣品制作與測(cè)試

選取A、B、C這3類封裝膠膜3個(gè)批次的產(chǎn)品，然后各封裝1塊光伏組件，共組成9塊光伏組件樣品。需保證這些光伏組件樣品除封裝膠膜外，其他材料及工藝均一致，太陽(yáng)電池選擇膜折射率為2.03的非抗PID型太陽(yáng)電池，玻璃選擇厚度為3.2 mm的常規(guī)鍍膜玻璃，背面采用市場(chǎng)主流的KPF結(jié)構(gòu)背板。按照IEC 60904-1-1—2017[7]中的方法進(jìn)行光伏組件的I-V測(cè)試，測(cè)試設(shè)備采用瑞士PASAN公司生產(chǎn)的3A+級(jí)太陽(yáng)能模擬器。

采用不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件最大輸出功率Pmax的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出：分別采用3類封裝膠膜封裝的光伏組件最大輸出功率差異不大，最大輸出功率平均值的差值小于1 Wp，這說(shuō)明這3種不同分子結(jié)構(gòu)的封裝膠膜對(duì)光伏組件輸出功率差異的影響不大。

表3 采用不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件 最大輸出功率的測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of maximum output power of PV modules encapsulated with different types of encapsulation films

1.3 光伏組件PID測(cè)試

為加速光伏組件的抗PID性能測(cè)試，將上述制備的9塊光伏組件樣品按照IEC TS 62804-1-1—2020[8]中的方法進(jìn)行PID測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)箱中的實(shí)驗(yàn)條件為環(huán)境溫度85 ℃、相對(duì)濕度85%，測(cè)試時(shí)間96 h，外接-1000 V直流電源(電源型號(hào)為ZWPIDY08-2)。光伏組件內(nèi)太陽(yáng)電池串引出線短接連接至直流電源負(fù)極，電源正極串聯(lián)微安級(jí)電流測(cè)試儀(該設(shè)備可同時(shí)測(cè)試電壓及回路電流)，再連接至光伏組件邊框，并在正極接地。光伏組件PID測(cè)試原理圖如圖1所示。

圖1 光伏組件PID測(cè)試原理圖Fig. 1 Schematic diagram of PV module PID test

記錄PID測(cè)試持續(xù)96 h過(guò)程中各光伏組件漏電流的變化情況，不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件漏電流的變化曲線如圖2所示(以每類光伏組件3個(gè)批次的漏電流的平均值進(jìn)行表征)。圖中，正、負(fù)號(hào)代表電流方向，下同。

圖2 PID測(cè)試中不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件的 漏電流變化曲線Fig. 2 Change curve of leakage current of PV modules encapsulated with different types of encapsulation films during PID test

從圖2可以看出：PID測(cè)試中，采用A類封裝膠膜(普通EVA)封裝的光伏組件的漏電流絕對(duì)值明顯高于采用B類封裝膠膜(高阻助劑型EVA)或C類封裝膠膜(POE)封裝的光伏組件的漏電流絕對(duì)值，且采用POE封裝的光伏組件的漏電流絕對(duì)值最低。

將光伏組件樣品從實(shí)驗(yàn)箱取出，按照IEC 60904-1-1—2017同時(shí)測(cè)試9塊光伏組件樣品的最大輸出功率，然后根據(jù)式(1)計(jì)算PID測(cè)試后光伏組件的功率衰減率Pa，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

二是提高農(nóng)產(chǎn)品流通效率。“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)產(chǎn)品”銷售模式將繁縟的銷售流程簡(jiǎn)化為“農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)者或供應(yīng)商—網(wǎng)絡(luò)銷售商—消費(fèi)者”流程，指向性更為明確、流通速率更高、流通成本大大減少，進(jìn)而增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入，同時(shí)催生出農(nóng)產(chǎn)品配送、倉(cāng)儲(chǔ)、物流等新業(yè)態(tài)。

式中：Pmax1為原始的光伏組件最大輸出功率；Pmax2為PID測(cè)試后的光伏組件最大輸出功率。

從表4可知：PID測(cè)試后，采用A類封裝膠膜(普通EVA)封裝的光伏組件的功率衰減率平均值達(dá)到了31.68%；采用B類封裝膠膜(高阻助劑型EVA)封裝的光伏組件的功率衰減率平均值為6.56%，說(shuō)明高阻助劑型EVA對(duì)抑制光伏組件PID現(xiàn)象有一定效果，但并不能完全抑制PID現(xiàn)象的產(chǎn)生；而采用C類封裝膠膜(POE)封裝的光伏組件的功率衰減率最低，平均值僅為1.71%，說(shuō)明POE有較明顯的PID抑制效果。

表4 PID測(cè)試后不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件的功率衰減率Table 4 Power attenuation rate of PV modules encapsulated with different types of encapsulation films after PID test

1.4 實(shí)驗(yàn)室PID修復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證光伏組件PID修復(fù)過(guò)程的漏電流變化，對(duì)9塊光伏組件樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室PID加速修復(fù)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)條件為環(huán)境溫度85 ℃、相對(duì)濕度85%；將直流電源正、負(fù)極對(duì)調(diào)，即電源正極連接光伏組件正負(fù)極引出端，電源負(fù)極串接電流測(cè)試儀與光伏組件邊框連接，并在負(fù)極接地。實(shí)驗(yàn)箱與前文PID測(cè)試的實(shí)驗(yàn)箱一致，電源電壓為1000 V，測(cè)試時(shí)間為96 h。光伏組件PID修復(fù)原理圖如圖3所示。記錄PID修復(fù)過(guò)程中不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件的漏電流變化情況(以每類光伏組件3個(gè)批次的漏電流的平均值進(jìn)行表征)，其變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出：PID修復(fù)過(guò)程中，不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件的漏電流從高到低的排序?yàn)椋翰捎肁類封裝膠膜(普通EVA)封裝的光伏組件>采用B類封裝膠膜(高阻助劑型EVA)封裝的光伏組件>采用C類封裝膠膜(POE)封裝的光伏組件。

圖3 光伏組件PID 修復(fù)原理圖Fig. 3 Schematic diagram of PID repairing for PV modules

圖4 PID修復(fù)過(guò)程中不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件的漏電流變化曲線Fig. 4 Change curve of leakage current of PV modules encapsulated with different types of encapsulation films during PID repair

結(jié)合圖2的測(cè)試結(jié)果可以說(shuō)明，無(wú)論是PID衰減過(guò)程中還是PID修復(fù)過(guò)程中，不同類型封裝膠膜封裝的光伏組件的漏電流絕對(duì)值從高到低的排序均為：采用普通EVA封裝的光伏組件>采用高阻助劑型EVA封裝的光伏組件>采用POE封裝的光伏組件。

經(jīng)過(guò)96 h的PID修復(fù)后，按照IEC 60904-1-1—2017中的要求再次測(cè)試光伏組件的最大輸出功率，然后按照式(2)計(jì)算PID修復(fù)后光伏組件的功率變化率Pc，具體計(jì)算結(jié)果如表5所示。

式中：Pmax3為PID修復(fù)后的光伏組件最大輸出功率。

從表5可知：PID修復(fù)后，采用A類封裝膠膜(普通EVA)封裝的光伏組件的功率變化率平均值為3.97%，即修復(fù)率為31.68%–3.97%=27.71%；采用B類封裝膠膜(高阻助劑型EVA)封裝的光伏組件的功率修復(fù)率為6.56%–1.95%=4.61%；采用C類封裝膠膜(POE)封裝的光伏組件的功率修復(fù)率為1.71%–0.58%=1.13%。可以看出，采用普通EVA封裝的光伏組件的PID值最大，對(duì)應(yīng)的PID修復(fù)效果也較明顯，說(shuō)明光伏組件在高溫高濕環(huán)境、組件邊框與帶電體之間外加正向電壓的條件下，可實(shí)現(xiàn)大部分的功率修復(fù)。

表5 PID修復(fù)后不同類型封裝膠膜封裝的 光伏組件的功率變化率Table 5 Power change rate of PV modules encapsulated with different types of encapsulation films after PID repair

2 機(jī)理分析

根據(jù)前文實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)抑制光伏組件PID現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行分析。

當(dāng)相對(duì)濕度超過(guò)40%時(shí)，空氣中的水分通過(guò)光伏組件背板或硅膠滲透至玻璃表面，并與玻璃中的Na+進(jìn)行離子交換產(chǎn)生Na2O或者Na2CO3

[9]；另外，EVA中的酯鍵在遇到水后發(fā)生分解，產(chǎn)生可以自由移動(dòng)的醋酸；可以自由移動(dòng)的醋酸和玻璃表面析出的堿反應(yīng)后，產(chǎn)生了可以自由移動(dòng)的Na+。Na+在外加電場(chǎng)的作用下向太陽(yáng)電池表面移動(dòng)并富集到減反射層，從而導(dǎo)致光伏組件PID現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此，提高封裝膠膜的體積電阻率，降低封裝膠膜的醋酸析出，可有效抑制光伏組件PID現(xiàn)象的產(chǎn)生。

高阻助劑型EVA封裝膠膜在普通EVA封裝膠膜的基礎(chǔ)上添加了抗PID助劑，該助劑為含乙氧基“”或含丙氧基“”的丙烯酸酯。抗PID助劑采用以下一種或幾種的混合物：乙氧化季戊四醇三丙烯酸酯、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯、乙氧化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧化季戊四醇四丙烯酸酯、丙氧化甘油三丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚丙二醇二甲基丙烯酸酯等。由于該抗PID助劑主鏈為碳鏈，支鏈含有若干羥基的樹脂結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與EVA樹脂的水解產(chǎn)物結(jié)構(gòu)相似，可以抑制EVA水解反應(yīng)，有效減少EVA樹脂的水解，從而可保證EVA膜的交聯(lián)密度，提高封裝膠膜的體積電阻率，達(dá)到抑制光伏組件PID現(xiàn)象產(chǎn)生的目的。

而POE封裝膠膜與普通EVA封裝膠膜的體積電阻率差異主要體現(xiàn)在粒子本身性能差異方面。POE的分子結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要為乙烯與α-烯烴共聚物，粒子為非極性樹脂；而EVA的分子結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要為乙烯-醋酸乙烯共聚物，由乙烯(E)和醋酸乙烯(VA)共聚而成，粒子為極性樹脂。POE和EVA的離子移動(dòng)的能力存在較大差異，POE的離子運(yùn)動(dòng)較慢，因此POE的極化時(shí)間常數(shù)較長(zhǎng)。POE封裝膠膜體積電阻率的提高，大幅減少了玻璃中Na+遷移到太陽(yáng)電池表面的速度，從而達(dá)到了抑制光伏組件PID的效果。

圖5 POE的分子結(jié)構(gòu)Fig. 5 Molecular structure of POE

圖6 EVA的分子結(jié)構(gòu)Fig. 6 Molecular structure of EVA

3 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析的方法，對(duì)不同分子結(jié)構(gòu)的封裝膠膜對(duì)光伏組件漏電流及抗PID的影響進(jìn)行了實(shí)證研究，研究結(jié)果表明：

1)在相同實(shí)驗(yàn)條件(實(shí)驗(yàn)箱中環(huán)境溫度85 ℃、相對(duì)濕度85%，外接-1000 V直流電源，測(cè)試時(shí)間96 h)下，采用不同分子結(jié)構(gòu)封裝膠膜封裝的光伏組件表現(xiàn)出不同的抗PID性能。POE封裝膠膜的體積電阻率最高，對(duì)應(yīng)的光伏組件抗PID性能最好；而普通EVA封裝膠膜的體積電阻率低，對(duì)應(yīng)的光伏組件無(wú)明顯抗PID效果。

2) 封裝膠膜的體積電阻率越高，水蒸氣透過(guò)率越低，對(duì)應(yīng)的光伏組件的漏電流絕對(duì)值越低。采用普通EVA封裝膠膜的光伏組件在高溫高濕條件下的功率衰減率平均值為31.68%，衰減速度快于其在常溫條件(環(huán)境溫度25 ℃、相對(duì)濕度50%)下的，高溫高濕環(huán)境更易加速光伏組件PID現(xiàn)象，因而光伏組件應(yīng)用于高溫高濕環(huán)境中時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇POE封裝膠膜。

由于光伏組件在電站中需要運(yùn)行25年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，光伏組件PID現(xiàn)象對(duì)光伏電站的收益將造成長(zhǎng)期影響。當(dāng)前電站端光伏組件抗PID方案很多，提高光伏組件自身抗PID性能是最直接有效的方式。選擇技術(shù)性能更好的光伏組件封裝膠膜，對(duì)優(yōu)化光伏組件抗PID性能有更高的品質(zhì)保障。