PID效应对太阳电池漏电流及发热的影响

■ 潘文峰 王加鸿 陆晨 谢英豪 周盛永 裘幼梓

(1.海宁正泰新能源科技有限公司；2.浙江正泰太阳能科技有限公司)

0 引言

近年来，光伏市场发展迅速，光伏发电所占的份额越来越大。光伏发电的体量大了，随之而来的问题也相继出现，电势诱导衰减(Potential Induced Degradation，PID)效应就是其中的重要问题之一。晶体硅光伏组件的内部电路与金属边框之间存在高压，会造成组件功率持续性的衰减，业内将这种现象称之为“PID效应”。

目前，光伏电站多采用金属边框接地的方式，这就使靠近逆变器负极的组件与边框之间存在着负偏压，靠近逆变器正极的组件与边框之间存在着正偏压。大量的实例表明，越靠近逆变器负极的组件，受PID效应的影响越严重。此外，还有研究表明，组件PID效应还受温度、湿度的影响。关于PID效应的部分成因及解决方案，在其他论文有过相关解释，本文不再赘述。

PID效应会使组件功率大幅下降，在对存在PID效应影响的组件功率进行测试时可以发现，完全遮挡电致发光(Electroluminescent，EL)图像发黑的太阳电池，EL图像发黑程度越严重，被遮挡电池对组件功率的影响越小。这可以理解为，EL发黑程度越严重的太阳电池，其在无光照情况下的反向导通能力越大，即漏电流更大。PID效应与漏电流之间有何关系？在热斑试验方法中，需要寻找漏电流最大的太阳电池进行热斑试验，这说明漏电流对电池发热会产生影响，那么会是何种影响？本文将针对这两个问题进行一系列实验，寻找其中的关系，并得出实验结果。

1 EL与漏电流

太阳电池EL原理为：p-n结在平衡时，存在一定的势垒区，当外加一正向偏压时，此势垒便降低，势垒区内建电场也相应减弱；这样就促进了多子的扩散，阻碍了少子的漂移运动，即电子由n区注入到p区，同时空穴由p区注入到n区，这些进入n区的空穴和进入p区的电子都是非平衡少数载流子。在p-n结中，扩散长度远远大于势垒宽度，于是在电子和空穴通过势垒区时，因复合而消失的概率很小，它们会继续向扩散区扩散。因而在正偏压下，p-n结势垒区和扩散区注入了少数载流子，这些非平衡少数载流子会不断与多数载流子复合而发光[1]。太阳电池EL的波长在800～1300 nm之间，属于近红外光；太阳电池EL的亮度跟少子寿命及电流密度有关。拍摄EL用的CCD相机，仅对这些近红外光有响应。

太阳电池本质上就是一个p-n结，在无光照的条件下，具有正向导电、反向截止的性能，p-n结在处于反向偏置时会有微小的电流，这个电流称之为漏电流。工艺上造成晶体硅太阳电池的漏电流过大的主要原因有刻蚀不完全或未刻蚀、点状烧穿、印刷擦片、漏浆等。

太阳电池串联电阻和并联电阻对填充因子的影响很大，即对光伏组件的最大功率影响很大。理想的太阳电池具有无穷小的串联电阻和无穷大的并联电阻，电路模型如图1所示，其中，Rs为串联电阻，Rsh为并联电阻，RL为外接负载。从模型图可以看出，并联电阻越小，漏电流越大。

图1 电路模型

2 PID效应的测试方法[2]

关于PID效应的测试方法，在IEC/TS 62804-1：2015中有明确的说明。PID效应的测试条件严苛程度不一，本实验采用的是最严苛的测试条件，具体测试方法如下：

待测组件正、负极短接与PID专用电源负极相连，边框与PID专用电源零电位相连，测试电压选择1500 V，使组件内电路与边框之间产生-1500 V的偏压。测试组件放在环境试验箱中，环境试验箱温度设定为85 ℃，相对湿度设定为85%，持续施加-1500 V偏压并保持300 h。

根据测试结果，选取了2块受PID效应影响较严重的组件和1块受PID效应影响相对较小的组件来进行后续实验。

3 PID效应对漏电流的影响

由于太阳电池本质上就是一个p-n结，因此理想的电池在无光照的情况下处于反向截止的状态，即完全遮挡单串太阳电池中的任何一块太阳电池，该回路将处于断路状态，没有电流，该串电池对组件功率也就没有贡献。但是，电池往往会有反向漏电流，所以在完全遮挡电池的情况下，也会有电流流过，而漏电流越大，遮挡单块电池后对组件整体输出功率的影响也就越小；反之，遮挡整块电池后对组件整体输出功率的影响越小，则该电池的漏电流越大。

选取A、B、C 3块组件，分别在无遮挡、完全遮挡组件中受PID效应影响程度不同的电池的情况下测试组件的I-V特性，并对比分析组件的功率数据。

组件A在无遮挡，以及分别遮挡该组件中的1#、2#、3#、4#太阳电池(电池分布见图2)后的I-V曲线如图3所示，功率变化如表1所示。其中，3#与4#电池的差别在于：拍摄EL图片时，通4 A电流，2块电池都发黑不亮；但通9 A电流，3#电池的 EL图片亮度有所增加，而4#电池无变化。结果表明，4#电池比3#电池受到PID效应的影响程度更大。

图3 遮挡不同电池情况下，组件A的I-V曲线

表1 组件A被遮挡后的功率变化

组件B在无遮挡，以及分别遮挡该组件中的5#、6#、7#太阳电池(电池分布见图4)后的I-V曲线如图5所示，功率变化如表2所示。

图4 组件B中被遮挡电池的分布图

图5 遮挡不同电池情况下，组件B的I-V曲线

表2 组件B被遮挡后的功率变化

组件C在无遮挡，以及分别遮挡8#、9#、10#太阳电池(电池分布见图5)后的I-V曲线如图6所示，功率变化如表3所示。

图6 组件C中被遮挡电池的分布图

图7 遮挡不同电池情况下，组件C的I-V曲线

表3 组件C被遮挡后的功率变化

通过实验可以看出，图2～图5中EL图像显示越黑的太阳电池，其完全被遮挡后，对功率衰减的影响越小，对I-V曲线形变的影响越小。即受PID效应影响越大的太阳电池，其反向导通能力越强，漏电流越大。

受PID效应影响的太阳电池，其EL图像之所以会发暗甚至发黑，笔者认为是因为PID效应对少子寿命及电流密度都有影响。但由于目前PID效应具体的机理尚不明确，因此其如何影响少子寿命，本文不做阐述。PID效应对电流密度的影响，可以理解为对对EL有作用的有效电流密度的影响。从上述测试可以看出，总输入电流虽然一致，但是电池部分存在分流，一部分经电池，另一部分经漏电流回路，即图1中Rsh所在回路。EL的明暗取决于经过电池分路的电流大小，Rsh越小，则通过该回路的电流越大，通过电池的电流越小，所以EL的有效电流密度降低，导致电池EL图像发暗甚至发黑。

4 PID效应对电池发热的影响

IEC中，热斑试验在选择测试电池时，会选择3片漏电流最大的太阳电池和1片漏电流最小的太阳电池。如此选择的目的是因为漏电流大的电池会更容易发热，在产生热斑效应时会具有更高的温度[3]。针对PID效应所导致的漏电流是否也有同样的热斑风险这一问题进行如下实验。

在晴朗天气时，将选取的3块受PID效应影响的光伏组件A、B、C连接微型逆变器，然后在阳光下曝晒2 h；2 h后用红外热像仪拍摄红外图片，结果如图8～图10所示。

图8 组件A的红外图片与EL图片

图9 组件B的红外图片与EL图片

图10 组件C的红外图片与EL图片

对比图7～图9可以发现，红外图片中温度较高的太阳电池，都对应着EL图片中发暗、发黑的太阳电池，并且发黑越严重的太阳电池，其温度越高。实验结果表明，PID效应会对组件造成热斑风险，受PID效应影响越大的太阳电池越容易产生热斑效应。

5 总结

本文选取了3块受PID效应影响的光伏组件，通过完全遮挡组件中受PID效应影响程度不同的太阳电池，利用I-V曲线及功率的变化，得出PID效应影响程度与漏电流的关系。根据实验结果得出结论：受PID效应影响越大的电池，其漏电流越大，功率衰减也越多。

观测这3块组件在正常发电情况下各电池的发热情况，得出结论：受PID效应影响越大的电池，其发热越严重，产生热斑效应的风险越大。

综上所述，PID效应不仅对组件功率存在很大的影响，热斑带来的局部高温对封装材料也存在较大的威胁。对于如何尽量减少PID效应带来的危害，本文未作详细分析，可参照文献[4]的研究结论，采用逆变器负极(直流侧)接地的方式来应对。