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光伏組件的PID效應和封裝材料的關系
來源: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3MzI1NTYzMA==&mid=200330580&idx=3&sn=593200fb26e5da4891233da3288088d3&scene=5#rd   發布時間: 2015-04-08 21:32   3079 次瀏覽   大小:  16px  14px  12px

一、前言

隨著光伏組件大規模使用一段時間后,特別是越來越多的投入運營的大型光伏電廠運營三四年后,業界對光伏組件的電位誘發衰減效應(PID,Potential Induced Degradation)的關注越來越多。盡管尚無明確的由PID原因引發光伏電站在工作三、四年后發生大幅衰減的報道,但對一些電站工作幾年后就發生明顯衰減現象的原因的種種猜測使光伏行業對PID的原因和預防方法的討論越來越多。一些國家和地區已逐步開始把抗PID作為組件的關鍵要求之一。很多日本用戶明確要求把抗PID寫入合同,并隨機抽檢。歐洲的買家也躍躍欲試提出同樣的要求。此趨勢也使得國內越來越多的光伏電站業主單位、光伏電池和組件廠、測試單位和材料供應商對PID的研究越來越深入。

 

其實早在2005年,SunPower就發現晶硅型的背接觸n型電池在組件中施加正高壓后存在PID現象。2008年,Evergreen報道了PID出現在高負偏壓下的正面連接p型電池組件中。在2010年,SolonSE報道在標準的單晶和多晶電池中都發現了極化效應。很快SolonSE和NREL就提出在負高偏壓下使用任何工藝生產的P型電池標準組件都存在發生PID現象的極大風險。而CIGS組件的PID效應也有被報道。

 

二、PID的檢測方式

PID測試有兩種加速老化的方式:

1)在特定的溫度、濕度下,在組件玻璃表面覆蓋鋁箔、銅箔或者濕布,在組件的輸出端和表面覆蓋物之間施加電壓一定的時間。

2)在85%濕度85℃或者是60℃或85℃的環境下將-1000V直流電施加在組件輸出端和鋁框上96小時。

 

在兩種方式測試前,都對組件進行功率、濕漏電測試并EL成像。老化結束后,再次進行功率、濕漏電測試并EL成像。將測試前后的結果進行比較,從而得出PID在設定條件下的發生情況。第一種方式比較多的用于實驗機構,而后一種方式比較多的被光伏組件廠采用。當PID現象發生時,從EL成像可以看到部分電池片發黑。光伏組件在上述兩種測試方式下表現出的的EL成像圖是不同的。第一種方式條件下,發黑的電池片隨機的分布在組件內,而在第二種方式中,電池片發黑的現象首先在靠近鋁框處發生。

 

目前IEC尚沒有出臺有關實驗室進行PID測試和評估的正式標準,但有一個工作文件,大致測試方式如下:

(1)取樣:按IEC60410要求,從相同批次中抽取,2個組件。

(2)消除組件早期衰減效應,組件開路進行5-5.5Kwh/m2輻照。

(3)目測,按IEC61215章節7,IEC61730-2章節10.1.3。

(4)組件EL成像和最大功率測定。

(5)濕漏電流測試和接地連續性測試。

(6)60+/-2℃、85+/-5%,系統電壓施加在組件輸出端和鋁框之間96小時。

(7)組件EL成像和最大功率測定、濕熱電流測定。

(8)合格判定。

 

格判定依據于:

(1)最大功率與初始值比,衰減不超過5%。

(2)沒有目測不合格現象,按IEC61215章節7,IEC61730-2章節10.1.3。

(3)濕漏電流測試,符合IEC61215章節10.15。

(4)試驗結束后組件功能完整。

 

要說明的是,越來越多的組件用戶要求組件能通過85+/-2℃、濕度85+/-5%的測試。這個要求對組件廠而言是非常有挑戰的,關鍵在于真正的量產,而不是做一兩塊可以通過雙85測試的組件。

 

三、PID現象的原因

PID的真正原因到目前為止沒有明確的定論,但各個光伏電池組件廠和研究機構的數據表明,PID與電池、玻璃、膠膜、溫度、濕度和電壓有關。

 

目前可以明確的是PID現象和電池片表面的反射層有關,提高反射層的折射率可以有效地降低PID現象的發生。含Si多的減反層比含N多的減反層更可以抵抗PID現象。當減反層的折射率大于2.2后,PID現象不再被觀察到。而當折射率小于2.08后,組件很難通過PID測試。目前有不少的光伏電池廠在做針對電池和PID的關系的測試中也發現了類似的現象,所以改變折射率成為抗PID的手段之一。但改變電池減反層的折射率會改變電池生產成本和電池的發電效率,在不提高成本并且基本不改變效率的情況下做到抗PID對電池廠是一個非常大的難度。

 

使用于光伏組件的玻璃是含鈉離子的玻璃。有文獻報道,在高溫高濕情況下硅酸鹽玻璃表面會有堿析出,主要成分是Na2O、MgO。而當把玻璃更換成石英玻璃后,在同樣的測試條件下,沒有PID現象被發現。在有Q-Cell參與的PID研究中,非常明確的發現玻璃和膠膜對PID現象的發生有明確的關系。該實驗特殊設計了六種非常規的組件,其中五種分別是將玻璃替換成石英玻璃或PVF薄膜、將EVA替換成其它封裝材料、將玻璃-EVA-電池的緊密結合改成松散結合。結果發現這五種組件在老化后都沒有PID現象。但要降低玻璃中鈉離子的含量,成本非常高,可行性不大。選擇合適的膠膜變得非常重要。

 

EVA和PVB封裝的組件都被發現在濕熱老化非常容易產生PID現象。選用測試方法85%濕度85℃下,在組件表面覆蓋銅箔并連接200V的正極,電池連接負極,48小時后即發現電池效率大幅度衰減。

 表1封裝材料與PID

 

盡管在上述數據中硅膠表現很好,但在繼續老化后,使用硅膠的組件從190小時開始衰減,并在240小時后衰減達到90%。有研究表明將封裝更換成熱塑性彈性體后,電池功率衰減的現象大幅度減小。但熱塑性彈性體帶來了另兩個風險,即在實際使用中透光率的變化和蠕變。

 

2011年7月NREL發表文章報道在1000小時85℃85%的濕度-600V的老化后,在SiNx表面發現發現Na富集。SimonKoch[11]等提出認為PID現象和膠膜、電池表面的關系很大,并提出一個可能的假設:Na+在電壓下從玻璃向電池片移動,正離子移動的速度受膠膜、溫度、濕度和電壓的影響,鈉離子擴散進入電池起到供應原子的作用,在發射極Na離子富集,p-n結被中和,從而影響電池的光伏效應??梢源_認光伏組件在玻璃、膠膜、電池確定時,測試后PID的程度受到溫度、濕度和電壓的影響。也有研究認為是正價離子(H2O)nH+而非金屬離子才是PID現象的原因。

 

四、PID的解決方式

從目前的研究表明,PID可以從三個方面進行預防,分別是系統、組件和電池。 從系統上而言,可以采用串聯組件的負極接地或是在晚間對組件和大地之間施加正電壓。另一個可能的情況是,隨著微逆變器的使用,系統電壓降低,產生的PID效應是否可以忽略不計。以上的三個方案都帶來額外的設備成本和效率的下降。

 

從組件而言,由于濕度是PID現象產生的因素之一,所以封裝的方式也非常關鍵。一些組件廠在選擇背板、硅膠方面提出了新的要求,以期降低水氣進入組件的程度。在組件中替換玻璃是一個為達到抗PID的最佳選擇,但成本太高幾乎不可行。替換EVA是也選擇之一,但新材料帶來成本提高和使用中的持續風險。以POE為例,POE以碳-碳鏈為主鏈,有辛烯和丁烯,分子中有大量的支鏈,柔軟而透明。但其熔點在50-70℃之間,為能使用在光伏組件中,不得不加入以直鏈分子為主的聚乙烯(PE)以提高熔融溫度范圍中的峰值到100℃以上。但PE的引入導致體系容易在交變的溫度循環中逐漸結晶而使透明度緩慢下降。POE-PE的分子重排溫度低于光伏組件的最高工作溫度,在日夜交替的循環的溫度變化下,透光率是否還能長期保持尚無實驗數據的支持。另外蠕變也是一個令人擔心的問題,即使加入PE使熔融溫度的峰值提高到100℃以上,但其在80℃以下通過DSC仍然可以觀察到有吸熱現象,表明在光伏組件的使用溫度范圍中仍然有部分分子熔融或移動。在目前沒有更好的選擇的情況下,選擇合適的EVA變得非常關鍵。但要指出的是目前除非對組件進行PID測試,尚無直接的測試方法可以判斷哪種EVA可以減小PID效應。有文獻建議使用電阻率的高低來判斷EVA的優劣,但沒有足夠的實驗數據支持。

 

電池本身毋庸置疑是最重要的抵抗PID的關鍵因素,可以考慮改變發射極和SiN減反層,但兩個改進都帶來發電效率的變化和額外設備的增加。

 

五、PID的形成和封裝材料的關系

在不替換EVA和改變電池的情況下,是否可以通過EVA的改進而提高組件的抗PID效果?我們的研究結果是可能的、至少是部分可行的。

 

首先我們提出一個引起PID現象原因的假設,如下圖:

 

圖1水氣對組件的影響
 

水氣通過封邊的硅膠或背板進入組件內部。EVA的酯鍵在遇到水后按下面的過程發生分解,產生可以自由移動的醋酸。

 

可以自由移動的醋酸(CH3COOH)和玻璃表面析出的堿反應后,產生了可以自由移動的Na+。Na+在外加電場的作用下向電池片表面移動并富集到減反層而導致PID現象的產生。當加熱組件一段時間后,水氣離開組件。由于EVA上酯鍵的水解是一個可逆過程,失去水分后,可以自由移動的羧酸根(CH3COO-)與EVA上的乙烯醇(-CH2-CHOH-)反應而重新成為酯鍵并連接到EVA主鏈上而無法移動。相應的Na+也因失去羧酸根無法移動。此時在組件中,由于沒有了可以導電的小分子,而導致PID衰減部分恢復甚至全部恢復。

 

以上的假設,可以總結成四步過程:

(1)水氣進入組件

(2)水導致EVA水解產生醋酸

(3)醋酸與玻璃表面析出的堿反應產生可以自由移動的鈉離子

(4)鈉離子在電場的作用下移動到電池表面

 

基于以上的假設,我們認為通過原料的篩選和工藝的優化,使EVA中含有的醋酸含量降低可以減緩PID現象的發生。

 

一個最簡單的方法是適當的降低EVA中VA的含量。我們發現使用低醋酸乙烯含量的EVA可以減緩PID現象的產生。合理的解釋是低醋酸乙烯含量的EVA中可水解的酯基含量相對低,從而其水解速度也低于高醋酸乙烯含量的EVA。以下實驗是在85%濕度60℃環境下施加-1000V電壓老化100小時而得到的。


圖2PID老化后對比圖

表2使用不同VA含量EVA作為封裝材料的組件的PID測試結果

 

優化生產工藝也可以部分阻止PID現象發生。采用減反層折光指數是2.08的電池片,對使用同樣配方的EVA膠膜D、F進行測試。E、F的差別只是改變生產工藝,D為使用優化生產工藝的EVA制成組件,F為使用未優化生產工藝的EVA制成的組件。除EVA外,光伏組件的其它部件完全一樣。測試條件為85%濕度65℃環境下施加-1000V電壓老化96小時、192小時。

 

表3使用優化工藝的EVA作為封裝材料的組件的PID測試結果

 

組件D,測試前、96小時老化后、192小時老化后。


組件H,測試前、96小時老化后、192小時老化后。

由以上現象可以看出,優化EVA生產工藝、篩選原料和優化原料的配比,可以提高EVA膠膜對組件抗PID的效果。

 

六、結論

PID現象作為光伏技術發展過程中出現的一個技術問題,是非常值得重視。由于影響到光伏組件的長期使用壽命,所以必須盡快解決。通過技術手段的改進,PID現象將不會成為阻礙光伏事業發展的障礙。通過解決PID問題,對光伏發電的可靠性的了解將更為徹底,由此將使光伏組件更為可靠,從而促進光伏產業更能健康長久的發展。

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