晶体硅光伏组件电势诱导衰减（PID）效应研究

陈娥 雷鸣宇 马晓龙 李天龙

摘要：PID现象是光伏电站输出功率衰减的重要因素之一，该效应会造成组件中填充因子、开路电压、短路电流减小，进而影响晶体硅光伏组件功率输出，造成光伏电站发电系统故障。因此研究组件PID效应和抑制该效应的措施对于电站的运营和维护具有重要的意义。本文从PID效应的研究历程出发，分析了晶体硅光伏组件PID效应产生的微观机理，通过论述对比得出被广泛认可的两种微观机理其共性，得出从晶体硅光伏组件端抑制PID效应产生的措施。

关键词：PID;晶体硅光伏组件;微观机理;抑制措施

Abstract：PID phenomenon is one of the important factors for the output power attenuation of photovoltaic power station.This effect will reduce the filling factor，open-circuit voltage and short-circuit current in the module，thus affecting the power output of crystalline silicon photovoltaic modules and causing the failure of the power generation system of photovoltaic power station.Therefore，it is of great significance for the operation and maintenance of power station to study the PID effect of components and the measures to restrain it.Based on the research history of PID effect，this paper analyzes the micro mechanism of the PID effect of crystalline silicon photovoltaic modules.Through discussion and comparison，the commonality of the two widely recognized micro mechanisms is obtained，and the measures to restrain the PID effect from the end of crystalline silicon photovoltaic modules are obtained.

Key words：PID;Crystalline silicon photovoltaic modules;Microscopic mechanism;Inhibition of measures.

一.引言

世界能源转型革命的加速推进促使绿色清洁可再生能源的开发利用成为了能源行业发展的基本方向，随着“碳中和”、“碳达峰”战略目标的提出，发展环保低碳经济已成为能源行业发展的主流。作为光伏发电系统的主体，晶体硅光伏组件占据光伏组件90%以上的应用市场[12]，它具有清洁低碳、运行可靠、建设周期短、安装建设可模块化等不可替代的优势[1]。晶体硅光伏组件稳定持续的发电量输出有助于光伏电站安全稳定运营、提升电站运营效益，也有利于光伏行业降低度电成本。而PID效应是指在光伏组件在其寿命周期内长期高电压作用导致钢化玻璃、封装材料与电池片之间产生漏电流，影响电池片表面电荷分布，导致组件本身输出功率大幅度衰减的不利作用。有电站长期运营检测结果表明，PID效应在严重时能引起光伏阵列40%-50%以上的功率衰减，这种现象在空气湿度大、存在高浓度盐雾气候特征的沿海地区光伏电站尤为常见。因此，本文从PID效应的研究进程出发，重点讨论晶体硅光伏组件PID效应产生的微观机理，通过论述对比被广泛认可的两种微观机理，得出抑制PID效应产生的措施。

二.PID效应主要研究进展

相关记录表示，2005年PID现象在美国 Sunpower [11]公司制造并投入使用的一批晶体硅光伏组件中被发现，并于同年在上海光伏会议上被该公司正式报道[12]，全称为电势诱导衰减（Potential Induced Degradation）效应;NREL和Solon于2010年提出了可以通过封装材料的优化来抑制PID效应[11，12];此后越来越多光伏制造商和学者投入了这方面的研究[13]。

据报道，国内光伏企业的大规模快速发展始于本世纪初[11]，2000年以后越来越多的光伏电站开发建设并投入运营，在这种蓬勃快速发展的趋势下，电站建设中晶体硅光伏组件发电量变化的某些问题逐渐暴露，其中许多电站输出功率出现大幅度异常衰减的现象逐渐被报道，PID效应正是在这样的大背景下开始被国内光伏领域关注，逐步成为行业研究的热点及难点。2016年，国家新能源开发集团通过测试提出了抑制PID效应的设备及原材料改进方案[13]，该研究未国内后续PID抑制方面的研究指出了基本方向;同年，国家电网系统公司提出影响光伏组件PID效应发生的因素[11]，其中包括最大系统电压、组件温度等组件本身因素，也包括测试环境湿度、组件连接方式等外部因素。此前，在PID發生的微观机理方面，2012年吉林大学有研究提出，漏电流是晶体硅光伏组件PID效应发生的主要因素[11]。这些伟大研究极大促进了光伏行业的发展。

三.PID微观机理

PID效应会使组件中填充因子、开路电压、短路电流减小，功率降低，减少发电量，影响晶体硅光伏组件功率输出，造成光伏电站输出功率衰减，减少光伏发电站的收益，因此在光伏领域被广泛研究，用于评价晶体硅光伏组件功率输出、分析光伏电站输出功率衰减[6]。

从晶体硅太阳能电池的组成出发讨论PID现象的机理，太阳能电池组件由玻璃+EVA（POE）+电池片+EVA（POE）+TPT+边框构成。相关研究证明，潮湿、高温的环境下，PID试验箱内部水蒸气通过封边硅胶或背板进入组件内部，易促进组件原材料老化，加剧PID效应[11]。其原理与EVA脱乙酰反应有关：EVA的主要成分为乙烯—乙酸乙烯酯共聚物，酯键在水汽作用下分解断裂后生成可自由移动的不饱和乙酸基，这个过程被称为EVA脱乙酰反应[14]，该反应产生的乙酸会腐蚀太阳电池背板、电极和焊带等含金属离子或金属的部分，严重时造成电池片斷路失效。研究表明[4]，PID效应的形成与组件所处环境的温湿度[4]、酸碱度[4]、杂质离子、偏置电压特性等外界因素[5]有关，也与不同偏置电压下组件本身电池结构、接地金属边框等封装材料的类型、封装设计方式等有关。这些内外部因素综合作用导致上述EVA材料脱乙酰反应、封装、粘合材料水解反应等不良反应发生，何登虎团队的研究表明上述反应产物中的酸性物质或金属离子等易使电池片表面发生极化现象，改变电池片表面态电荷分布并造成电池片表面高电势。电池片表面态极化现象的发生正是PID效应的根本诱因[6]。因此探究PID效应的微观机理，要从电池片表面态极化现象的成因出发，目前有以下两种解释从这一角度论述PID效应的微观机理：

本文主要从造成电池片表面电荷异常分布的因素出发研究PID效应的微观形成机理，主要有以下两点：

（1）钠离子迁移导致：

相关研究表明电池片表面Na+杂质的存在和迁移是PID效应主要诱因。2017年，马逊博士[5]及其团队的研究表明高温高湿环境更易激发晶体硅光伏组件的PID效应，他们利用泊松方程和载流子连续性方程建立数学模型研究PID现象与载流子在界面处复合的关系，以及发生PID效应前后组件电流-电压特性变化[6]，经过数学模型剖析及对比试验研究推论，认为氮化硅与晶硅界面处大量Na+的存在使界面态密度增加，这是由于PID效应的发生改变了界面态的电荷分布，在界面上形成电势差，促进界面态正负电荷重新排布，使此时界面处的表面复合速度远大于没有发生PID效应时的复合速度。该研究证明Na+在界面处的迁移是PID效应发生的根本原因之一。追究Na+的来源，第一，晶体硅光伏组件封装用钢化玻璃的主要成分除了起着网络形成体的作用二氧化硅，还有大量纯碱（NaCO3），用于提供氧化钠来降低玻璃的熔制温度，这是在界面态引入Na+的原因之一;第二，制造流程中，硅片清洗制绒工艺在为硅片进行初步抛光时会引入浓度0.8%—1.2%的KOH溶液，若后期处理不到位导致K+的残留[7]，也会导致界面态电荷分布异常，加剧PID效应的发生。

（2）PN结漏电流影响机制

光伏组件运行时，电池片内部PN结因光热辐射或加电被激发后会产生的漏电流，在曾雪华团队的研究[4]中，PID效应与漏电流有关[4，8]。在漏电流的作用下，电池片表面载流子重新排布，带正电的载流子受电池片表面高电势影响获得而被激发获能穿过玻璃层形成定向移动，这些正电荷载流子通过边框流向地面，使得负电荷在电池片表面堆积，吸引光电载流子（空穴）流向硅的表面聚集起来，而不是像正常状态下一样流向正极（P极），这种表面极化现象引起的输出功率衰减，就是PID效应的机理。电子为多数载流子的N型硅表面更易吸引空穴的聚集，因此从这一机理分析可知N型硅更易发生PID效应[11，12]。

因此从本质上说，PID效应的微观形成机理都与EVA脱乙酰反应产生乙酸、金属离子等迁移等引起的电池片表面电荷异常分布有关。

四.抑制PID效应的措施

研究表明，PID现象是可逆的[2]，中国科学院大学的研究[9]指出发生PID现象的组件在承受高温烘干时功率会出现不同程度的回升，证明该效应的损害不是损毁性的，是可以通过一定方式抑制或减弱的。结合近几年相关研究资料，发现可从以下几个方面抑制PID效应。

1.原材料选取

从晶体硅光伏组件封装材料的选取出发，可以采用不含Na、Ca离子的钢化玻璃、提高玻璃的体电阻，或采用非乙烯—醋酸乙烯共聚物的封装材料[10]，抑制正电荷穿过钢化玻璃形成通向边框的漏电流通路，都可以从根源上抑制PID效应形成。选用良好绝缘性能的封装材料，或选择无边框晶体硅光伏组件，以此来增加外部电路与内部电池片间的绝缘电阻，减小漏电流，也能有效抑制PID效应。

2.电池镀膜工艺优化

2016年，梁吉连等人在研究中[16]优化等离子体化学气相沉积（PECVD）工艺，用硅烷及氨气作为反应气体，氢气稀释后在等离子体放电下沉积出双层SiNx：H膜电池片，H离子起到补偿SiNx膜中能级缺陷的作用，这种薄膜具有优良的减反射特性，通过改变薄膜成分配比[17]可将电池片表面折射率控制在大于2.16的水平，能达到较高的光电转化效率并实现抗PID效果。双层减反射膜是指在硅片表面沉积的两层折射率大于硅片的SiNx膜，底层为折射率较大的薄膜，而顶层为折射率较小的较厚的膜，这种双层膜结构可以有效降低硅电池表面反射率，也起到表面钝化作用，可降低电荷在电池片表面的异常聚集。通过优化太阳电池工艺，改变减反射膜的厚度及折射率，在保证光电转化效率的同时能时电池片具备抗PID特性。

3.1500V光伏系统

晶体硅光伏组件在电站使用时串并联方式、逆变器的选择等也对该效应产生影响[5]，目前光伏逆变器 PID 效应解决方案大致分为负极接地、反向偏压恢复、负极电位抬升、交流电压中性点电位抬升 4 类。

五.结论

本文从PID效应的研究进程出发，重点从Na+等活泼金属离子迁移及PN结漏电流方面讨论晶体硅光伏组件PID效应产生的微观机理，通过论述对比得出被广泛认可的两种微观机理其共性，得出从晶体硅光伏组件端抑制PID效应产生的措施。

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