如何改善多晶组件抗PID性能？

　　摘要：为解决目前多晶体硅太阳能电池组件在电站大规模应用中出现的PID现象，通过采用常规PECVD镀膜工艺多晶硅电池片和抗PID镀膜工艺多晶硅电池片，以及EVA和聚烯烃材料（PO）组合制备了4种组件，在高于IEC62804规定的实验条件下进行PID试验。研究分析了4种不同组件的PID实验前后性能的变化。结果表明，采用减反膜折射率2.16的抗PID电池片组件能够改善组件抗PID性能，但是效果不明显。采用聚烯烃材料（PO）代替EVA，可以明显改善组件的抗PID性能。同时采用减反膜折射率2.16的抗PID电池片和聚烯烃材料（PO）制备的组件抗PID性能效果最好，最大功率衰减为9.51%。PID实验对组件的电性能有影响，对外观结构没有影响。

   

　　国内的许多光伏电站在运行一段时间后，出现发电效率的大幅衰减。排查问题电站组件，并无隐裂、碎片和功率混档等严重质量缺陷。发现这种在环境因素的作用下，组件中的电路和接地组件边框之间长期处于系统高电势差，造成光伏组件持续衰减，即电位诱导衰减(PotentialInducedDegradation，PID)。光伏组件的电位诱导衰减（PID）目前已经成为了国内外专家研究重点方向之一。

　　2005年，SUNPOWER公司首先提出了PID现象[1]。2010年，美国国家能源部可再生能源实验室和Solon公司研究发现，采用P型晶硅电池片制备的组件在负偏压下均存在PID风险[2]。V.Naumann等对出现PID现象的晶硅太阳电池表面微结构进行分析，发现引起PID的漏电流与金属钠离子(Na+)在太阳电池减反射膜表面的富集有关，大量Na+集中在距离硅表面30nm范围内，其积累量在SiNx与Si的界面处有一个峰值[3]。国内申织华等[4-5]研究了PID效应产生的机理，并指出了电压、温度、湿度以及系统接地方式是影响组件PID效应的重要因素，并提出了预防组件PID效应的方法。2015年，国际电工协会在IEC62804中确定了光伏组件PID的检测方法及判定条件。但是，对于由于组件封装材料和电池原因造成PID现象的机理尚不完全明确，仍旧需要不断地研究。

　　本文采用PECVD常规镀膜工艺电池片和EVA，抗PID镀膜工艺制作的多晶硅太阳电池片和EVA，PECVD常规镀膜工艺电池片和聚烯烃封装材料，以及抗PID镀膜工艺制作的多晶硅太阳电池片和聚烯烃封装材料制备4种光伏组件，在高于IEC62804规定的实验条件下进行PID试验。研究分析了4种不同组件PID实验前后各种性能的变化，得到了比较理想的抗PID效果方案。

1实验

　　1.1实验样品

　　本实验采用的4块组件是已经过光致衰减后功率稳定、电池片均为P型多晶体硅光伏组件。4块组件的前玻璃全部采用超白压花钢化玻璃。按照PECVD常规镀膜工艺电池片和EVA，抗PID镀膜工艺制作的多晶硅太阳电池片和EVA，PECVD常规镀膜工艺电池片和聚烯烃封装材料（PO），以及抗PID镀膜工艺制作的多晶硅太阳电池片和聚烯烃封装材料（PO）制备4块光伏组件。具体样品类型及编号见表1。

　　1.2方法和仪器

　　PID实验条件是在温度为85±2℃、相对湿度85%±5%RH下，组件边框接直流电源正极，组件正负极短接后连接直流电源负极，直流电压源加1000V电压，持续时间96h。PID实验前后对实验组件分别进行外观检查、湿漏电流试验和接地连续性实验、标准测试条件下的性能，以及电致发光（EL）测试，另外在实验前对组件进行绝缘耐压试验。实验所需主要仪器为：伟思富奇步入式环境实验箱、绝缘耐压测试仪、接地连续性测试仪、PID实验直流电压源、HALM太阳模拟器（AAA+级）及EL测试仪等。

2结果与讨论

　　按照实验方案进行PID实验，在实验前后分别进行外观检查、最大功率测试、接地连续性、湿漏电流试验，以及电致发光（EL）检测，实验前测试绝缘耐压。实验前绝缘耐压试验结果显示4块组件全部合格，可以进行相关的PID实验。

　　2.1电致发光（EL）缺陷测试分析

　　图1是4块组件PID实验前后EL测试图。从图中可以明显看出，PID实验后4块组件出现不同程度黑色区域。组件1黑色区域最为严重，仅有中心部位可以观察到少量电池片。组件2、组件3和组件4依次黑色区域逐渐减少。组件4虽然无大面积的黑色区域，但是组件里电池片颜色整体变暗。这是因为，EL测试时，在外加正向电压下，电源从扩散区注入大量的非平衡载流子与电池内的非平衡少数载流子复合发光，光伏电池在任一位置发光强度取决于这一位置的存活的大量非平衡载流子数目。大量的非平衡载流子密度小，电池发光强度会减小[6]。在高温85℃、相对湿度85%RH严苛的条件下，经过96h后，Na+迁移到电池片表面和p-n结部位程度不同，会造成大量非平衡载流子和非平衡少数载流子复合发光程度不同，因而在EL可以看到电池片颜色呈现不同程度的明暗，颜色越黑说明电池片功能失效越严重。从图1可以看出，采用常规镀膜非抗PID电池片和EVA制备的组件抗PID性能最差。采用抗PID电池片和EVA制备的组件抗PID性能提高，但是效果并不理想。采用常规镀膜非抗PID电池片和聚烯烃材料（PO）代替EVA，制备的组件抗PID效果能够明显提升。采用抗PID电池片和聚烯烃材料（PO）制备的组件抗PID效果最好。

　　2.2最大功率测试结果分析

　　表2为4块组件PID实验前后的最大功率值及功率衰减。由表2可以看出，采用常规镀膜多晶硅电池片和EVA的组件1功率衰减最大，达91.06%。采用抗PID电池片及EVA的组件2功率衰减次之，达78.55%，抗PID改善效果并不明显。采用常规镀膜多晶硅电池片及PO材料的组件3功率衰减相对组件1和组件2明显减小，但是仍高达50.80%。采用抗PID电池片及PO材料的组件4功率衰减相对最小，为9.51%。抗PID电池片可以改善组件的抗PID效果，但是效果并不明显。PO材料明显改善了组件的抗PID效果，但是仅仅是采用PO材料，组件抗PID效果改善有限，功率仍然衰减大。同时采用抗PID电池片和PO材料，组件的抗PID效果表现最好。

　　这主要是因为，在高温、高湿度和-1000V电压下，组件受光面玻璃因水解而产生的Na+在反向偏压的作用下通过封装材料（EVA或PO）在太阳电池表面堆积，在铝合金边框-玻璃-封装材料（EVA或PO）-电池片这一路径出现漏电流。Na+集中分布在距Si表面30nm范围内的减反射层中，SiNx减反射层中形成双电荷层（靠近Si表面为负电荷），使Si表面产生极深的反型层，使局域p-n结消失，从而导致局域漏电[7]。另一方面，电池片主栅线和细栅线是用银浆印刷烧结成的，烧结时银浆中玻璃粉会将SiNx减反射层熔穿，并熔蚀进硅片p-n结，球形银粉之间的空隙以及银粉与SiNx形成间隙[8]，Na+很容易通过此间隙富集到硅片，形成电荷陷阱，使短路电流降低，造成PID现象发生。PID较严重的组件其IU曲线呈一条斜线，失去了二级管特性。本实验采用的抗PID电池片为折射率为2.16的电池片，比普通镀膜的电池片折射率相对提高。减反射膜Si3N4的折射率增大其致密性增强，对Na+的阻隔能力增强，但Si3N4折射率增大也不能很好地消除组件的PID现象。还需要降低玻璃与电池片之间的电迁移的影响。PO材料相比较EVA体积电阻率高3个数量级，水汽透过率是EVA的1/2倍，封装材料采用聚烯烃PO材料，Na+通过PO材料迁移就非常低，组件抗PID效果就明显提高。同时采用折射率为2.16的抗PID电池片和PO材料，就可以有效改善组件的PID现象。

　　2.3实验前后湿漏电流试验变化

　　表3为4块组件PID实验前后的湿漏电流试验结果。从表3中可以看出4块组件在PID实验后，体电阻率都明显降低。采用常规镀膜多晶硅电池片和EVA的组件1的体电阻率接近40M?·m2不合格限值。另外组件2、组件3和组件4的体电阻率依次改善。采用抗PID电池片和PO材料的组件4的体电阻率最好。PID试验时，4块组件的漏电流快速增大，在200min后达到最大值后逐渐降低，并稳定在一个值。其中，组件1的漏电流最大值达到2.0mA，组件2的漏电流最大值为1.2mA，组件3的漏电流最大值为700μA，组件4的漏电流最大值为200μA。4块组件在高温高湿的1000V负偏压下，持续96h，组件内部与边框之间的漏电流形成比较稳定的漏电流通道，通道的微观结构发生改变，组件的湿绝缘性能降低。

　　2.4实验前后组件外观及接地连续性变化

　　对4块组件PID实验前后按照IEC61215进行外观检查，实验前后组件的外观没有出现碎片、玻板碎裂和气泡脱层等严重外观缺陷。表4是PID实验前后接地连续性试验的测试值。从表4中可以看出，实验前后接地连续性测量值没有发生明显的变化，说明实验前组件的外边框之间是紧密结合，实验后组件的铝合金边框结构上并没有发生变化。PID实验苛刻的环境条件对组件的外观和接地连续性不产生影响。

3结论

　　为解决目前晶体硅太阳电池组件在电站大规模应用中出现的PID现象，本文通过采用PECVD常规镀膜工艺电池片和EVA，抗PID镀膜工艺制作的多晶硅太阳电池片和EVA，PECVD常规镀膜工艺电池片和聚烯烃材料（PO），以及抗PID镀膜工艺制作的多晶硅太阳电池片和聚烯烃材料（PO）制备的4种光伏组件，在高于IEC62804规定的实验条件下进行PID试验。研究分析了4种不同组件的PID实验前后性能的变化。结果表明，采用减反膜折射率2.16的抗PID电池片组件能够改善组件抗PID性能，但是效果不明显。采用聚烯烃材料（PO）代替EVA，可以明显改善组件的抗PID性能。同时采用减反膜折射率2.16的抗PID电池片和聚烯烃材料（PO）制备的组件抗PID性能效果最好，最大功率衰减为9.51%。PID实验对组件的电性能有影响，对外观结构没有影响。