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熱詞“PID效應”,你怎么理解?
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PID現在是光伏界的流行詞,很多人常常提起。然而,PID產生的原因是什么,應該如何避免呢?

1什么是PID?

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

2005年美國SunPower公司首次發現并提出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。

相對于研究文獻中對PID復雜難懂的解釋,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公司于2005年最先發現PID效應時提出:

 

 

 

 

 

組件串聯后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,使組件性能低于設計標準。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后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。


圖一:SunPower電池剖面結構示意圖

多個(例如現在常用的是22個)光伏組件串聯之后,處于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后,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;負電荷積累之后,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后,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,組件性能低于設計標準值。

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),降低電池的并聯電阻。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。

圖二 施加正負偏壓時pn結活性區的離子遷移情況

 

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發生水解后會生成醋酸,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)。


圖三、焊帶附近的腐蝕現象

 

4)PID形成原因小結

關于光伏系統中產生的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,但多個組件串聯之后,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??;

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,和原始制造出的組件相比,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。

基于上述分析,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采取正極接地,p型前表面電池的組件采用負極接地。

2、增強組件的絕緣和防水性能,減小漏電流: 例如采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:采用石英玻璃,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

盡管可分別從電池、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,上下游結合,整體考慮性價比高的解決方案。比如,系統集成商如果采用負極接地,則需要使用帶隔離變壓器的逆變器,采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,這是大家不愿意看到的結果,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,高溫高濕地區,海島高腐蝕性地區等,制備不同標準的產品,而并不一定非要采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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