光伏组件PID效应的机理研究与防护措施

闵坚

光伏组件在长期使用过程中其输出功率会逐渐下降，主要是由光照衰减和材料老化导致，已成为共识。在2005年，美国Sunpower公司发现晶硅组件的电路与其接地金属边框之间的高电压会造成组件的性能明显衰减，后来在其他光伏组件也发生类似情况。近几年一些世界知名研究机构和专业杂志相继报道了关于光伏组件在使用过程中组件对地的高电势导致漏电的现象，这会造成组件性能的衰退，称之为PID效应，即电势诱导衰减效应。本文针对PID效应的机理及防护措施进行系统的研究分析。

1. PID效应的机理

所谓电势诱导衰减就是高压情况下由于泄漏电流导致光伏组件功率损失，组件长期在高电压作用下，使得玻璃、封装之间产生漏电流，大量电荷积聚在电池片表面，使得太阳电池的钝化效果变差，少数载流子在硅片表面的复合严重，导致其开路电压、短路电流和填充因子都下降，输出功率明显下降，衰减最大可超过30%。。

2005年，位于美国科罗拉多州的国家可再生能源实验室（NREL）就研究了HVS对太阳能组件长期稳定性的影响。测量出在一定的相对湿度和高压下组件有四种主要的漏电电流途径（如图1），通过组件玻璃并沿着玻璃表面的漏电流I1，沿着玻璃和EVA界面的漏电流I2，穿过EVA的漏电流I3和透过背板的漏电流I4。

关于PID效应的作用机理提出了很多的衰减模型，有人认为半导体活性层中的电荷或带电离子迁移聚集到表面，影响半导体活性层表面的势垒，严重情况下，钠离子在玻璃表面聚集，导致分层现象；同时也有人认为半导体活性层中离子迁移会造成PN结的衰减，导致漏电；另外也有人发现如果水汽渗入到封装层中，会造成电化学腐蚀，大量金属离子发生迁移。

PID效应最早是在Sunpower的高效N型背接触电池中发现，即对地产生正电势的N型电池的输出功率会持续衰退，而很快在实验室中也发现对P型光伏组件施加对地负电压同样会造成组件功率输出衰减，这说明电势对太阳电池的基体材料的影响导致太阳电池效率衰退。首先我们分析一下N型太阳电池的PID效应，太阳电池的基体材料是N型硅片，硅片表面沉积了一层氮化硅薄膜和氧化硅薄膜，起到减反钝化的效果。减反射效应是利用光学原理，在折射率和厚度匹配的条件下光程叠加形成的一种减反增透效果。薄膜对硅片钝化机制有两个：一个是场效应钝化，另一个是氢钝化。所谓场效应钝化，是由于在氮化硅薄膜和氧化硅薄膜层含有高密度的固定正电荷，从而会排斥空穴，使在硅片表面的空穴密度减小，这种变化引起表面的能带向下弯曲形成少数载流子势垒，排斥流向表面的光生少子，从而减少了少子的复合损失。

当N型太阳电池组件对地产生正电势时，由于组件金属边框接地，这是在太阳电池与金属边框之间产生高电压，会形成从太阳电池通过边框到地面的漏电流，在氮化硅薄膜中感应出负电荷，当负电荷的密度逐渐增大，最终超过薄膜原有正电荷的密度时，会使能带向上弯曲，吸引光生少子到表面，加剧了少子的表面复合，如图2所示。晶硅太阳电池的表面积与体积的比率大，表面复合严重，表面复合会显著降低少子寿命，降低电池的开路电压，进而影响电池的转换效率。

利用太阳电池模拟软件pc1d仿真硅太阳电池在不同的前表面复合速度Sn条件下对应的电池性能参数，结果如表1所示，其中背面复合速度设定为1000cm/s，硅片体寿命设定为20μs。从表1中我们可以看到当表面复合速度从106cm/s减低到104cm/s时，太阳电池效率有显著的提高，裸硅片的表面复合速度一般为106cm/s，对于发生PID效应的太阳电池，光生少子在表面的复合会加剧，电池的效率会进一步降低。

通过上面的分析验证，PID效应会在太阳电池的减反钝化膜产生负电荷，导致其场效应钝化失效，而且会加剧光生少子在表面的复合，最终导致N型太阳电池效率发生衰减。

对于P型太阳电池组件，其PID效应是组件承受对地负电压时发生的，组件对地的负电压会在太阳电池前表面的减反钝化膜产生感应正电荷，这会增强薄膜的场效应钝化，不会引起太阳电池性能衰退，但是电池与金属边框之间的电势差可能会引起电化学腐蚀，导致前电极被腐蚀，电流收集效率降低，串联电阻增加，电池效率衰退。而在太阳电池的背表面，当产生的感应正电荷浓度足够大时，引起半导体能带向下弯曲，吸引电子聚集到表面，加剧了光生少子的复合，使太阳电池的背场钝化失效，电池的效率发生衰退。

对于非晶硅薄膜组件，玻璃中的钠离子在对地负电势的驱使下迁移到玻璃/TCO界面，导致TCO电化学腐蚀和分层，造成功率衰减。

2. PID效应的影响因素

自从人们发现PID效应以来，对其影响因素进行了大量的研究分析，研究表明环境、电池、组件及系统集成都会影响PID效应。

温度和湿度

温度升高会导致玻璃和封装材料的电导率提高，组件漏电会增大，湿度增加同样会使得组件的漏电增加，而且相比于温度，湿度对漏电的影响起到决定性作用。

太阳电池

PID效应造成光伏组件功率衰退的主要机制是感应电荷导致半导体材料能带弯曲，载流子的表面负荷加剧，电池效率降低。硅片的掺杂浓度决定了能带中费米能级的位置，硅片的电阻率越高，PID效应会减弱。对于N型太阳电池，氮化硅薄膜的钝化特性会影响PID效应，淡化硅薄膜的固有荷电密度越高，薄膜约致密，荷电能力越强，那PID效应的影响越小；对于P型太阳电池，背场的制备工艺对PID效应有影响，铝背场的掺杂浓度和深度是关键参数。

组件封装材料

根据前面的分析，组件的封装材料和不同材料之间的间隙是漏电的主要通道，封装材料的绝缘性能和不同材料之间的匹配性会影响PID效应。

系统集成

组件与大地之间的电压是造成PID效應的根本原因，而光伏系统的接地方式和组件在阵列中的位置决定了对地电压的大小，如图3所示。研究表明：如果光伏阵列中间一块组件和逆变器负极输出端之间的所有组件处于负偏压下，则越靠近负输出端的组件对地负偏压越大，漏电越严重，PID效应越明显。实验结果表明在1000V偏压情况下只需四分钟累积电荷密度即可达到1×1012cm-2。

3. PID效应的防护措施

针对影响PID效应的因素，我们可以在电池片和组件生产的不同阶段和层面采取相应的措施进行控制，例如组件的设计、材料选型及安装使用等。

电池层面：选用高电阻率的硅片，采用钝化工艺可以形成更高的势垒，可以有效减弱PID效应对光生少子复合的影响。对于N型太阳电池，选择最佳的氮化硅薄膜的制备方法，优化氮化硅薄膜的制备工艺，适当提高薄膜中Si/N比，增加薄膜的固有电荷密度，同时保证薄膜的致密度；对于P型太阳电池，可优化背场的制备工艺，增加铝的掺杂浓度和深度。

组件层面：优化组件设计，例如提高电池片到边框的距离；选用高体电阻率的封装材料（EVA和硅胶）和非钠钙玻璃的特殊玻璃，都可以有效的防止PID效应。同时还要提高不同封装材料之间的匹配性，例如提高EVA与玻璃的粘结强度。

系统层面：选用合理的接地方式，P型太阳电池组件负极接地，组件对地一直处于正偏压，N型太阳电池正极接地，组件对地一直处于负偏压，则可避免PID效应；对于已经安装的、无法接地的系统可采用1000 V的电压接地1小时，逆转极化效应，也有公司推出“PV抵消盒”的设备，能够在夜间积累组件和地面之间的正/负电压。

4.结论

在光伏电站运行过程中，电势诱导衰减（PID效应）是影响光伏组件功率输出的潜在风险，在对PID效应的机理进行准确研究分析的前提下，在太阳电池、组件和系统等不同层面提出针对性的防护措施。在光伏系统设计中选择合理的接地方式可以从根本上消除PID效应的风险，在电池和组件的设计、工艺及材料选择也可以消除或减弱PID效应的危害。在实际应用中，应该根据PID效应的实际危害和风险大小，选择合理经济的防护措施。endprint