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如何理解光伏产业热词“PID效应” ?
老马溜达 2014-10-19 来源: UC
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OFweek太阳能光伏讯:PID现在是光伏界的流行词,很多人常常提起。然而,PID产生的原因是什么,应该如何避免呢?

一、什么是PID?

PID的英文全称是:Potential Induced Degradation,即电势诱导衰减。

2005年美国SunPower公司首次发现并提出PID效应,自此,光伏界同仁开始关注PID的研究和讨论;近年来,随着光伏应用的大规模铺开,PID频繁进入大家的视线,我们对它的研究也逐步深入。

相对于研究文献中对PID复杂难懂的解释,本文试图通过通俗的表述,使大家对PID的产生及相应的解决办法有一个直观的理解。

二、PID效应的产生原因?

1)最早的原因解释

Sun Power公司于2005年最先发现PID效应时提出:

组件串联后可形成较高的系统电压(以美国为代表的600V,以欧洲为代表的1000V),组件长期在高电压工作,在盖板玻璃、封装材料、边框之间存在漏电流,大量电荷聚集在电池片表面,使得电池片表面的钝化效果恶化,导致填充因子(FF)、短路电流(Isc)、开路电压(Voc)降低,使组件性能低于设计标准。SunPower称此现象为表面极化效应,但此衰减是可逆的。

上述研究思路和结论被后来诸多研究者所引用,再详细解释一下。

下图为Sun Power电池的结构示意图。

图一:Sun Power电池剖面结构示意图

多个(例如现在常用的是22个)光伏组件串联之后,处于组串末端的光伏组件的工作电压会比较高(400V~900V之间),且组件边框一般都是接地的(电压为0V)。因此,高压组件的电池片和地面之间有可能会形成电流,此电流称为漏电流。

 

然而,电池片和地面之间还隔着EVA和玻璃。一般情况下这两种材料是不导电的(或者其导电性非常差),但电池片电压较高时,也会有很小的电流从电池流向地面(如图一的步骤1所示),其大小在微安量级;

封装材料流向地面的漏电流形成后,在电池减反膜(ARC)表面(如图一中2所示)留下了负离子(也可以看成一定数量的电子从地面流到电池的减反膜表面),造成了负电荷的积累;负电荷积累之后,将会吸引pn结中的一部分空穴(带正电)。

根据光伏效应的原理,空穴应该流向电池的p区(正极),所以部分空穴被吸引后,电池将不能达到设计的功率输出,太阳电池的填充因子(FF)、短路电流(Isc)和开路电压(Voc)降低,组件性能低于设计标准值。

2)第二种原因解释

组件在受到负偏压时,由漏电流阳极离子(一般为Na离子)流入电池片(如图二所示),降低电池的并联电阻。即,半导体内出现了杂质,这些杂质会形成电池内部的导电通道,降低了组件的电流输出。

图二施加正负偏压时pn结活性区的离子迁移情况

3)第三种原因解释

光伏组件的边缘部分容易有水气进入,EVA发生水解后会生成醋酸,醋酸和玻璃中的Na反应,可以生成大量的自由移动的Na离子,会与电池片表面的银栅线发生反应,从而腐蚀电池栅线,导致串联电阻的升高,导致组件性能衰减,此类衰减不可恢复(如图三所示)。

图三、焊带附近的腐蚀现象

4)PID形成原因小结

关于光伏系统中产生的PID效应的完整机理仍有待研究,但可以比较确定的是:

单个电池片或组件的电压比较低,但多个组件串联之后,形成了较高的电压,经过长时间的作用,产生了两类意外的问题:

 

1)原PN结电场情况改变,或存在其它的电流通道,造成实际流过PN结的光生电流减小;

2)器件受到离子迁移的影响,材料性能发生了不可恢复的变化,和原始制造出的组件相比,输出功率变小。

PID也说明了单个产品和由多个产品构成的系统之间性能的巨大差异。

三、如何减缓或避免PID效应

1、组件接地

如果给组件施加负偏压(电池片电压相对边框为负值),则可以把上述积累的负电荷排出到地面上,电池性能得到恢复,这就是电池性能可恢复的极化效应。

基于上述分析,在组件进行串联使用时,为了避免极化效应,SunPower提出n型前表面太阳电池的组件采取正极接地,p型前表面电池的组件采用负极接地。

2、增强组件的绝缘和防水性能,减小漏电流:例如采用稳定性能更好的封装材料,不使用金属边框,增加电池的体电阻,改进钝化膜的厚度和特性,在器件中增加阻挡层等;

3、杜绝离子产生的源头:采用石英玻璃,低钠玻璃等

4、降低组串电压

小规模项目可考虑使用微型逆变器,降低组串电压。

四、设想和建议

尽管可分别从电池、组件和系统端减弱或避免PID,但PID效应的影响最终还是体现在电池片上。因此,建议电池厂家对产品进行更全方位的研究,上下游结合,整体考虑性价比高的解决方案。比如,系统集成商如果采用负极接地,则需要使用带隔离变压器的逆变器,采用这种逆变器首先成本高,其次效率也会降低,造成整体系统的PR(系统效率)值降低,这是大家不愿意看到的结果,因此建议由组件厂家为终端客户提供建议方案。

进行组件PID测试时,除了验证新产品之外,还建议定期从系统现场取部分样品进行检验,这样才能清楚地了解组件实际使用时的情况。此外,建议根据不同的使用场合,例如风沙大的地区,高温高湿地区,海岛高腐蚀性地区等,制备不同标准的产品,而并不一定非要采用性能最好的原材料。因此,建议电池(组件)厂家在保证安全、可靠的基础上,综合考虑性价比。

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