【劉博士原創】熱詞「PID效應」,你怎麼理解?

發表於：2015-12-24 10:15:36     作者：劉松民

來源：劉松民

PID現在是光伏界的流行詞，很多人常常提起。然而，PID產生的原因是什麼，應該如何避免呢？
 

1什麼是PID？
 

PID的英文全稱是：Potential Induced Degradation，即電勢誘導衰減。
 

2005年美國sunpower公司首次發現並提出PID效應，自此，光伏界同仁開始關注PID的研究和討論；近年來，隨著光伏應用的大規模鋪開，PID頻繁進入大家的視線，我們對它的研究也逐步深入。
 

相對於研究文獻中對PID複雜難懂的解釋，本文試圖通過通俗的表述，使大家對PID的產生及相應的解決辦法有一個直觀的理解。
 

2PID效應的產生原因？

1) 最早的原因解釋

SunPower公司於2005年最先發現PID效應時提出：
組件串聯後可形成較高的系統電壓（以美國為代表的600V，以歐洲為代表的1000V），組件長期在高電壓工作，在蓋板玻璃、封裝材料、邊框之間存在漏電流，大量電荷聚集在電池片表面，使得電池片表面的鈍化效果惡化，導致填充因子（FF）、短路電流（Isc）、開路電壓（Voc）降低，使組件性能低於設計標準。SunPower稱此現象為表面極化效應，但此衰減是可逆的。
 

上述研究思路和結論被後來諸多研究者所引用， 再詳細解釋一下。
 

下圖為SunPower電池的結構示意圖。

多個（例如現在常用的是22個）光伏組件串聯之後，處於組串末端的光伏組件的工作電壓會比較高（400V~900 V之間），且組件邊框一般都是接地的（電壓為0V）。因此，高壓組件的電池片和地面之間有可能會形成電流，此電流稱為漏電流。
 

然而，電池片和地面之間還隔著EVA和玻璃。一般情況下這兩種材料是不導電的（或者其導電性非常差），但電池片電壓較高時，也會有很小的電流從電池流向地面（如圖一的步驟1所示），其大小在微安量級；
 

封裝材料流向地面的漏電流形成後，在電池減反膜（ARC）表面（如圖一中2所示）留下了負離子（也可以看成一定數量的電子從地面流到電池的減反膜表面），造成了負電荷的積累；負電荷積累之後，將會吸引pn結中的一部分空穴（帶正電）。
根據光伏效應的原理，空穴應該流向電池的p區（正極），所以部分空穴被吸引後，電池將不能達到設計的功率輸出，太陽電池的填充因子（FF）、短路電流（Isc）和開路電壓（Voc）降低，組件性能低於設計標準值。
 

2)第二種原因解釋

組件在受到負偏壓時，由漏電流陽極離子（一般為Na離子）流入電池片（如圖二所示），降低電池的並聯電阻。即，半導體內出現了雜質，這些雜質會形成電池內部的導電通道，降低了組件的電流輸出。

3) 第三種原因解釋
 

光伏組件的邊緣部分容易有水氣進入， EVA發生水解後會生成醋酸，醋酸和玻璃中的Na反應，可以生成大量的自由移動的Na離子，會與電池片表面的銀柵線發生反應，從而腐蝕電池柵線，導致串聯電阻的升高，導致組件性能衰減，此類衰減不可恢復（如圖三所示）。

4）PID形成原因小結

關於光伏系統中產生的PID效應的完整機理仍有待研究，但可以比較確定的是：
 

單個電池片或組件的電壓比較低，但多個組件串聯之後，形成了較高的電壓，經過長時間的作用，產生了兩類意外的問題：
 

1）原PN結電場情況改變，或存在其它的電流通道，造成實際流過PN結的光生電流減小；
 

2）器件受到離子遷移的影響，材料性能發生了不可恢復的變化，和原始製造出的組件相比，輸出功率變小。
 

PID也說明了單個產品和由多個產品構成的系統之間性能的巨大差異。
 

3如何減緩或避免PID效應

1、組件接地
如果給組件施加負偏壓（電池片電壓相對邊框為負值），則可以把上述積累的負電荷排出到地面上，電池性能得到恢復，這就是電池性能可恢復的極化效應。
基於上述分析，在組件進行串聯使用時，為了避免極化效應，SunPower提出n型前表面太陽電池的組件採取正極接地，p型前表面電池的組件採用負極接地。
 

2、增強組件的絕緣和防水性能，減小漏電流： 例如採用穩定性能更好的封裝材料，不使用金屬邊框，增加電池的體電阻，改進鈍化膜的厚度和特性，在器件中增加阻擋層等；
 

3、杜絕離子產生的源頭：採用石英玻璃，低鈉玻璃等
 

4、降低組串電壓
 

小規模項目可考慮使用微型逆變器，降低組串電壓。
 

4設想和建議

儘管可分別從電池、組件和系統端減弱或避免PID，但PID效應的影響最終還是體現在電池片上。因此，建議電池廠家對產品進行更全方位的研究，上下遊結合，整體考慮性價比高的解決方案。比如，系統集成商如果採用負極接地，則需要使用帶隔離變壓器的逆變器，採用這種逆變器首先成本高，其次效率也會降低，造成整體系統的PR（系統效率）值降低，這是大家不願意看到的結果，因此建議由組件廠家為終端客戶提供建議方案。
 

進行組件PID測試時，除了驗證新產品之外，還建議定期從系統現場取部分樣品進行檢驗，這樣才能清楚地了解組件實際使用時的情況。此外，建議根據不同的使用場合，例如風沙大的地區，高溫高溼地區，海島高腐蝕性地區等，製備不同標準的產品，而並不一定非要採用性能最好的原材料。因此，建議電池（組件）廠家在保證安全、可靠的基礎上，綜合考慮性價比。

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