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摘要：PID效应又称电势诱导衰减，是电池组件的封装材料和其上表面及下表面的材料，电池片与其接地金属边框之间的高电压作用下出现离子迁移，而造成组件性能衰减的现象。相关研究和数据表明，PID效应与组件构成、封装材料、所处环境温度、湿度和电压有着紧密的联系。本文主要对光伏电站中光伏组件的PID现象及其解决措施进行讨论。
关键词：镀膜工艺封装材料接地系统PID光伏
前言：随着光伏行业的不断发展，光伏电站的应用越来越广泛。其中，组件的PID效应作为影响电站发电量的重要因素之一，受到了业界的广泛关注。研究表明，由于高效电池技术的应用，硅片扩散深度、硅片扩散后方块电阻较之前都有明显提升。加之晶体硅光伏组件的电路与其接地金属边框之间存在较高的电势差，从而造成了光伏组件高达70％的输出功率衰减。
一、光伏电站中光伏组件PID现象的形成机理
电池是PID现象发生的根本所在，而其现象则通过组件表现出来。发生PID问题跟组件使用环境有很重要的关系，其活跃程度与温度、湿度有关，同时组件表面的导电性、酸性、碱性以及带有离子的物体污染程度也与组件功率衰减相关联。在实际发电现场，PID现象已经被观察到，并有大量的实际案例发生，已经给当前电站的稳定可靠运行带来较大的损失或风险。到目前为止，业内比较认可的PID衰减机理是：组件电极与边框之间由于存在较高的偏置电压，导致其在合适的条件下，玻璃表面会形成一层导电的正离子膜，该导电的离子膜即形成了模拟电场，在该电场的作用下，玻璃表面的钠离子会通过EVA迁移至电池表面或到达电池发射极的位置，PN结因此被破坏，串联电阻增大，并联电阻减小，组件ＥＬ照射时电池变黑变暗。此外，德国弗朗霍夫及TUV等研究机构还提出了形成PID的原因是由于玻璃表面钠离子迁移至电池内部，钠离子在电场的作用下迁移至扩散结的位置，由于钠离子的存在使得电池内部载流子与之形成一个内建电场，从而限制了载流子的输出，最终引起组件功率衰减。
二、光伏电站中光伏组件PID现象的控制分析
1）电池表面镀膜控制
本文电池以P型单晶或多晶电池为讨论对象，N型电池由于其特殊的电池工艺和结构，其PID的衰减机理与P型电池有一定的差异。不同电池的折射率反映到微观结构，主要区别是低折射率的镀膜在电池表面形成的空隙结构较为疏松，这些空隙不能够有效阻止玻璃里面的钠离子向电池的PN结迁移，最终导致较大的功率衰减，而折射率越高的镀膜在电池表面形成的结构越致密。经过相关试验得知，随着折射率的提高，组件的抗PID性能明显提高，如果继续提高电池折射率，组件抗PID的效果会更好，如果折射率达到2.2以上，组件即使用普通EVA封装材料，其抗PID性能也能够达到较好的效果，但是如果折射率太高，电池效率会下降。此外，从电池结构考虑，在进行电池减反射膜处理前，在硅片表面增加1层二氧化硅的膜或叠层氮化硅的薄膜，使电池具有良好的抗PID性能，这2种技术工艺实现较为简单且几乎不增加电池的成本，因此被广泛应用。氧化硅膜层实现的方式主要有臭氧工艺和一氧化氮工艺两种。此外，近期也有研究人员在研究新型的PECVD氢化硅氧氮（SiON）和氢化氮化硅（SiN）的叠层结构，代替当前的多层氮化硅薄膜（各层折射系数不一样，从内层开始折射系数逐渐从高向低变化），让其作为晶体硅太阳电池的钝化层和减反射层。此种膜层的优势是表面复合速度较常规工艺下降很多，说明叠层结构具有较好的热稳定性，适应晶体硅太阳电池的制备条件。
2）封装材料控制
组件封装材料主要包括背板、EVA、玻璃，目前玻璃里面的钠离子被认为是PID问题产生的诱因，背板透水率也被认为对PID有一定的影响，但是在行业内普遍应用的玻璃、背板材料都难以解决PID问题，所以本文所描述的封装材料主要是指EVA以及与EVA类似的高分子材料比如聚烯烃、离子膜等。根据试验得知，使用不同封装材料组件的抗PID性能差异很大，对于常规折射率（2.06）电池而言，普通EVA封装的组件衰减很大，96h时超过了50％，而对于抗PID的EVA，使用普通电池折射率也很难保证96h衰减小于5％，考虑测试温度的影响，单靠EVA封装材料不能解决组件PID衰减的问题。相关数据表明，聚烯烃在抗PID性能方面非常优异，与EVA相比聚烯烃材料具有很多优势，比如良好的抗老化性能和抗紫外性能。只是其在户外长期可靠运行是否会有其他问题发生则需要时间验证，尤其是热塑性聚烯烃，由于没有交联体系，组件在户外综合老化的使用条件下存在脱层的风险。另外，对于生产工艺，由于聚烯烃熔融指数较EVA低，因此在层压过程中容易产生气泡。
3）接地系统控制
虽然PID效应是电池组件的封装材料和其上表面及下表面的材料，电池片与其接地金属边框之间的高电压作用下出现离子迁移，而造成组件性能衰减的现象。但是其解决的途径也可以从组件方阵系统加以避免。常规电站目前有3种接地方式（直流侧）：一是正极接地；二是悬浮接地，即正、负极不接地；三是负极接地。不同接地系统接地方式对组件发生PID的影响很大，主要是不同的接地方式可能会在组件正面形成不同作用方向的电场，从而产生促使或抑制玻璃中的钠离子向电池PN结迁移的效果。当铝边框正极接地时，若组件的玻璃表面有湿气，则会在组件表面形成一个带正电荷的水膜，这个带电水膜就会形成一个正电场，此时玻璃表面带正电荷钠离子在电场作用下通过EVA向电池方向迁移，从而发生PID现象。如果采用铝边框和方阵负极接地（如图所示）的方式，则带电水膜的电场方向正好相反，从而抑制了钠离子向电池方向迁移，达到避免PID现象发生的目的。同时，系统负极接地的电站需要注意以下问题：1）出于电站及电站周围的安全性考虑，建议地面电站逆变器直流侧进行负极接地，并对电站进行相应的漏电保护及监测措施。2）光伏电站系统逆变器直流侧负极接地要求逆变器带有能够负极接地功能的隔离变压器。3）光伏电站系统负极接地需要考虑其他器件的电性能参数，如防雷器选型、漏电流传感器选型等器件。
三、小结
综上所述，PID效应作为光伏电站发电量的可怕杀手，发生的根本原因是与环境因素和组件封装材料有关。相信未来组件厂商定能够找到一种更加可靠的材料，从根源上阻断PID效应的发生。但是在当下，负极接地无疑是最可靠的抑制PID效应的方法。
参考文献
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