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北極星太陽能光伏網訊:1引言
太陽能是未來具有廣泛應用前景的新能源，近幾年的研究表明，存在於晶體矽光伏組件中的電路與其接地金屬邊框之間的高電壓，會造成組件的光伏性能的持續衰減，業內稱之為電位誘導衰減（PID）。本文揭示PID形成機理並依據相關測試標準，在實驗室再現了PID現象，探討溫度、溼度及電壓等因素對組件PID效應的影響，從而為降低甚至避免組件PID效應提供支持。
2 PID的形成機理
PID效應現象最容易在潮溼的條件下發生，且其活躍程度與潮溼程度相關；同時組件表面被導電性、酸性、鹼性以及帶有離子的物體的汙染程度，也與上述衰減現象發生有關。在實際的應用場合，晶體矽光伏組件的PID現象已經被觀察到，基於其電池結構和其他構成組件的材料及設計型式的不同，PID現象可能是在其電路與金屬接地邊框存在電壓偏置的條件下發生。
到目前為止，漏電流形成的機理實際上還不是十分的清楚。總體而言，由於封裝材料對電池進行封裝後所形成的絕緣系統對於上述漏電流而言是不完善的，同時推測來自於鈉鈣玻璃的金屬離子是形成上述具有PID效應的漏電流的主要載流介質（如圖1）。
圖1漏電流路徑
3實驗室再現
本中心進行PID主要方式有兩種：一種是高溫高溼環境下給組件內部電路和邊框施加負電壓，另一種是將玻璃表面覆蓋銅箔置於高溫環境中並給組件內部電路和邊框施加負電壓，覆蓋銅箔可以提供相對高溼環境更良好的導電介質，加速PID效應。本文試驗中使用的均是P型晶矽組件，故施加的偏置電壓均為負電壓。
試驗設備：電壓源、數據採集儀、定值電阻、環境箱。
3.1將組件A表面覆蓋銅箔至邊框，將組件A的正負極引出端短接後接到電壓源的負極，電壓源的正極連接到組件的接地孔，利用環境箱加熱組件至75℃，並通過電壓源施加負壓1000V至組件內部電路和邊框上持續19小時後試驗停止，組件功率變化如表1：
由表中數據得出A組件在PID19h後功率衰減為54.44%，衰減相當嚴重，由此可見PID效應對組件功率的輸出影響很大，試驗過程中通過引入定值電阻監控PID漏電流曲線如圖2所示：
3.2將經過PID試驗後組件如3.1步驟連接，此時更改電壓源輸出為+1000V，持續3h後試驗停止，組件功率變化如表2：
由表2可以得出PID效應是可以恢復的，組件功率升高了98.8W，實現了功率的部分恢復，恢復過程漏電流曲線如圖3所示：
試驗前後對組件EL圖像進行追蹤，如圖4所示：
由上圖可發現，組件在PID測試後EL圖像出現較大面積的暗片，組件的串聯電阻增大，並聯電阻減小，填充因子降低；在恢復試驗後暗片消失，組件的串聯電阻減小，並聯電阻增大，填充因子升高。上述現象能反應電池片少子的分布情況，暗片部位少子躍遷機率降低，而電致發光強度隨少子的擴散長度的增加而增加，所以EL圖像變化與外界偏壓的改變導致少子擴散長度的變化有關。
4偏置電壓對PID效應的影響
選取相同批次、相同材料的3件組件（X、Y、Z），組件玻璃面無銅箔覆蓋，組件按3.1步驟進行連接，在60℃85%RH環境中分別施加500V、1000V、1500V的偏壓1.5小時後測試組件功率，組件功率變化如表3所示：
測試過程中漏電流監控曲線如圖5：
圖5漏電流曲線
由圖5可得出，漏電流隨著偏置電壓的升高而增大，Z組件功率衰減了14.2%，X、Y組件功率並沒有明顯的變化。
5溫度對PID效應的影響
選取相同批次、相同材料的4件組件(B、C、D、E)，B、C、D組件玻璃面均用銅箔覆蓋至邊框，組件按3.1步驟進行連接，分別在35℃、60℃、85℃環境中施加負壓1000V1小時後，測試組件功率及拍EL圖片，然後再進行2小時相同的試驗；E組件玻璃面不覆蓋銅箔，組件按3.1步驟進行連接，在85℃環境中（無溼度控制）施加負壓1000V4小時，組件功率變化如表4所示：
測試過程中漏電流監控曲線如圖6：
圖6漏電流曲線
由圖6可得出，單一組件溫度由常溫升到設定溫度時，漏電流值不斷增大；組件設定溫度由35℃升高到85℃時，對應的漏電流值也不斷增大；漏電流隨著試驗的進行並不會無限制的增大，在組件溫度趨於穩定時也慢慢平穩；E組件和D組件相比說明了銅箔的作用是非常明顯的，高溼表面或含良好導電介質的表面PID效應會比乾燥的玻璃表面強很多，另外從E組件和D組件漏電流曲線和功率情況衰減來看，我們可以推測玻璃在形成漏電流迴路中起著重要的作用。
試驗前後對B、C、D組件EL圖像進行追蹤，如圖7所示：
圖7組件EL變化圖
6溼度對PID效應的影響
選取相同批次、相同材料的3件組件（F、G、H），組件玻璃面無銅箔覆蓋，組件按3.1步驟進行連接，分別在30℃35%RH、30℃60%RH、30℃85%RH環境中施加負壓1000V1小時後測試組件功率，其功率變化如表5：
測試過程中漏電流監控曲線如圖8：
圖8漏電流曲線
由圖8可得出，3件組件在第1小時內組件的漏電流隨溼度的升高而增大，但由於溫度較低功率幾乎沒變；H組件在30℃85%RH下經歷了66小時的試驗後功率衰減了30.3%，可以推測在相同組件溫度下，較低溼度的情況下功率衰減需要更長的時間；結合溫度對PID的影響來看，高溫高溼環境組件的PID效應更劇烈。
7邊框對PID效應的影響
試驗選取4件相同批次、相同材料的雙玻組件（無金屬邊框）進行PID測試，測試分別按以下方式進行：
L組件：組件背面中間貼40cm*20cm的銅箔，組件短接後連到電壓源的負極，正極用夾子接觸銅箔；
M組件：組件背面中間貼40cm*20cm的銅箔，正面全覆蓋銅箔至距離邊緣1cm處，組件短接後連到電壓源的負極，正極用夾子接觸40cm*20cm的銅箔；
N組件：組件背面中間貼40cm*20cm的銅箔，正面全覆蓋銅箔至背面2cm，類似形成銅箔邊框，組件短接後連到電壓源的負極，正極用夾子接觸40cm*20cm的銅箔；
P組件：組件正面全覆蓋銅箔至背面2cm，類似形成銅箔邊框，組件短接後連到電壓源的負極，正極用夾子接觸銅箔邊框；
每一件組件測試時都保持在75℃環境下，持續施加4小時的偏壓1000V，監控漏電流曲線如圖9所示：
圖9漏電流曲線
試驗後進行功率測試，L、M、N組件測試前後功率波動在1%以內，只有P組件衰減了14.54%，對比P組件前後EL圖片如圖10：
圖10組件EL變化圖
由L、M、N組件漏電流不斷增大可認為組件表面貼銅箔、裝金屬邊框都提高了漏電迴路的導通性，銅箔和金屬邊框都是良好的電導體，降低了漏電迴路的電阻值；P組件正極用夾子接觸銅箔邊框，相比N組件減小了銅箔邊框至40cm*20cm的銅箔的電阻值，從而導致漏電流升高明顯，引起了組件功率的衰減。無金屬邊框的組件很難形成外電路與內部電池之間的漏電迴路，即使形成漏電迴路可能效應也是十分微弱的，因此我們推斷無金屬邊框組件具有一定的抗PID特性。
8結論與展望
本文通過實驗室模擬組件外界使用環境，重現了組件的PID效應。大自然氣候變化多端，組件的PID效應隨著溫度，溼度，偏壓的升高會不斷增強、輸出功率會隨之下降，這顯然不是我們所希望見到的，但是PID效應對組件功率輸出並不是毀滅性的，在特定條件下是可以恢復的。通過本文的研究，從組件層面上降低PID效應，我們需要增加外部電路與內部電池片間的絕緣電阻，減小漏電流，或許選用良好絕緣性能的封裝材料是不錯的選擇，另外無邊框的雙波組件在試驗中體現了一定的抗PID特性，因此邊框也是解決PID效應的一個考慮因素；但是從組件層面上解決問題是不完善的，組件很大範圍都是在電站中使用，這就要求組件在電站中使用時如何避免引起PID效應的偏壓的出現。在室外進行組件PID試驗也是以後研究的一個方向，可以更真實的體現組件在戶外PID效應的情況。任重而道遠，筆者相信在業界同仁的一起努力下PID效應很快會得到徹底解決。
參考文獻
[1] IEC 82_685_NP System voltage durability test for crystalline silicon modules-Qualification and type approval
[2] J.Berghold Potential Induced Degradation of solar cells and panels
[3] J.A.del Cueto Analysis of Leakage Currents in Photovoltaic Modules under High-Voltage Bias in the field
原標題:PID問題知多少？
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