关于PID现象对光伏组件影响的研究

http://www.paper.edu.cn - 1 - 中国 科技论文在线关于 PID 现象对光伏组件影响的研究金鹏，朱亦鸣 *作者简介： 金鹏（ 1980-），男，工程师，主要研究方向：集成电路方向 . E-mail: wsjinpp@163.com （上海交通大学微电子学院，上海 200240）5 摘要 ： 随着光伏电站规模的不断增大，使用环境的差异及不确定性，出现了一系列的电站发电量降低，组件功率下降的问题。作为众多引发组件功率衰减的主因之一的 PID （ Potential Induced Degradation ）现象引起了广泛的关注。本文利用实验模拟组件的使用环境并成功验证了 PID 现象的存在，并指出了在高温高湿的环境 PID 现象直接会影响到组件的功率，使其下降明显。同时也在现实环境中的电站项目中发现了 PID现象。通过实验证明了 PID 现象是一种可逆的现象，功率可以恢复。这些发现对日后寻找改善并解决此现10 象起到了积极的作用。关键词 ： 光伏；组件；系统； PID 现象中图分类号 ： TK514 The Reseach of The Solar Module PID Effect 15 JIN Peng, ZHU Yiming (School of Microeletronics, Shanghai Jiaotong University, ShangHai 200240) Abstract: With the size of the solar power systems bigger and bigger, the difference and uncertain of the using enviroment, most solar systems appear power output lower and the module power loss issues and these issues become more serious. As one of the main reason of power degradation, PID (Potential 20 Induced Degradation) effect got a lot of attention recently. This article was using the tests in lab to simulate module using enviroment to prove the existence of PID effect and the PID effect in high temperature and high humidity can cause the high power degradation. At same time, this effect exists in the real world solar power stations, By the test proved this effect is reversible, the power can be recovery. These finds give more ideas to solve this effect. 25 Key words: Photovoltaic; Solar Module; System; PID effect 0 引言随着化石能源日益枯竭和地球环境污染的不断严重， 使可再生能源和各种绿色能源得到了越来越多的重视。太阳能发电的使用也越来越普及。随着太阳能组件在不同环境中使用，30 各种不同的因素影响组件的功率， 导致组件功率衰减， 如何发现导致功率损失的因素并如何避免其影响， 也逐渐引起了人们的关注。 PID（ Potential Induced Degradation ） 概念孕育而生。本课题为针对太阳能电池组件级别的 PID 现象进行研究，根据之前多家世界知名实验室及太阳能企业针对太阳能电池片生产工艺、 原材料使用等方面分析的中有关于功率损失的研究结果及实际使用经验，分析 PID 现象的形因，同时从光伏组件的在实验室的模拟 PID35 实验及现实光伏电站项目中产生的功率衰减现象来证明 PID 现象的存在。以便为如何改善PID 现象对于光伏组件的影响的研究奠定基础。 以达到改善光伏发电系统的衰减趋势， 提高组件的使用年限，保证电站系统发电量的目的。1 PID 综述什么是 PID 现象？在 2005 年，美国著名光伏制造商 SUNPOWER 公司提出了一个新的40 发现。这种现象称之为 “ 表面极化 ” [1]，它发生在 SUNPOWER 公司的所有背极接触高效电池片 A-300 上。 当在组件上施加一个反向高压时， 会发生表面极化现象。 如果在组件上施加相对于地面的正向电压，漏电流会立即从电池流向地面。电池的表面会随着时间累积负电荷。http://www.paper.edu.cn - 2 - 中国 科技论文在线这些电荷会将正电荷吸引到电池表面，形成复合中心。相反，当组件上施加负电压时，极化现象也相应改变，这种情况下组件的性能不会有影响。这是最著名的 PID（ Potential Induced 45 Degradation）现象 [2]。经过研究发现， PID 现象一般是一种可逆的表面极化现象， 即出现 PID 现象的组件在使用 EL（红外）检测设备测试时会发现电池片发黑，功率大幅下降。但通过一定试验方法可将组件功率基本恢复至之前功率值 [3]。2 PID 的现象的验证50 目前众多研究机构已通过实验室使用目前较为广泛认可的测试方法验证了 PID 现象的存在。通过对实验前后组件 I-V 曲线的测量， EL 图像的对比，证实了 PID 现象对组件在功率方面的极大影响。 同时在组件真实环境的实际应用方面即太阳能光伏电站系统中功率衰减很大的问题组件进行了实验验证，验证了 PID 现象的存在，并通过实验的方法加速了 PID现象及反向恢复了 PID 现象对组件的功率影响。验证了 PID 现象的成因。55 2.1 实验室验证2.1.1 实验方法实验计划遵循目前较为广泛认可的关于 PID 的测试方法 [4]（如图 1 所示）。图 1 实验方法图示60 Fig.1 Test Method 目前实验方案分为电池片测试方案及组件测试方案。此处只阐述组件的测试内容。组件方面主要是组件使用环境的温度及湿度及测试不同原材料如玻璃、 EVA（封装材料）对 PID 现象的影响。2.1.2 测试实验描述65 1. 选取单或多晶电池片， 使用相同原材料材料及相同层压工艺制作数块组件作为测试样品，2. 将选取测试组件正面用铜箔覆盖 [5]（如图 2 所示）。目的为增加电荷在组件表面的均匀性， 可较为真实的模拟出组件各处的电荷堆积现象， 最好效果出 PID 对组件的影响。70 http://www.paper.edu.cn - 3 - 中国 科技论文在线图 2 测试组件处理图Fig 2 Sample treatment 3. 按照图 1 所示方法， 在组件加载 -1000V 直流电压， 放置在环境实验箱内， 试验箱内75 温度为 65℃，湿度为 85%，测试时间为 96 小时。实验实拍如图 3 所示 . 图 3 测试环境箱及测试设备图示Fig.3 Test Chamber & test equipment 80 2.1.3 实验结果汇总实验结果分为 2 部分，内容为样品测试组件的功率测量结果和问题组件 EL 图像结果。功率测试结果会将汇总样品 1#和 2#在加载 -1000V 直流电压， 放置在环境实验箱内，试验箱内温度为 65℃，湿度为 85%，测试时间为 96 小时的情况下，利用太阳能组件功率测试仪 [6]（瞬态模拟器）测量其组件的电性能参数，并对比前后的功率损失。结果如表 1 所示。85 表 1 测试样品功率对比Tab. 1 Sample module power comparison Sample States Voc (V) Isc (A) Pmax (W) Vmp (V) Imp (A) Power Degradation (%) 1 # Before test 38.007 8.526 251.762 31.458 8.003 N/A After 96h PID test 36.291 8.542 187.114 26.576 7.041 25.67% 2 # Before test 37.187 8.323 30.952 7.75 239.897 N/A After 96h PID test 33.93 8.313 24.361 7.105 173.118 27.84% EL 图像测试是将样品 1#和 2#组件使用 EL 测试仪 [6]检测，观察样品组件的前后变化，90 如图 4 和图 5 所示。如发现 EL 图像变黑，说明组件出现了功率损失的现象，从而结合功率测试仪测试数据可准去判断组件是否出现功率衰减的现象。http://www.paper.edu.cn - 4 - 中国 科技论文在线图 4 实验前后样品 EL 图像95 Fig. 4 EL pictures before & after test 图 5 2#样品实验前后样品 EL 图像Fig. 5 Sample 2# EL pictures before & after test 100 2.2 真实光伏电站系统验证2.2.1 发电系统项目描述项目规模： 5MW 项目安装时间： 2010 年 9 月项目安装地点： Campania ， Italy 105 项目组件规格： 多晶 230W 组件，http://www.paper.edu.cn - 5 - 中国 科技论文在线问题现象： 部分组件发电效率明显降低。导致系统整体发电量下降明显。2.2.2 问题验证方法：1. 在项目现场通过监控软件寻找问题组件阵列，并锁定功率衰减较大的组件。从中选取 2 块功率衰减明显组件，对比问题组件使用前后 EL 图像、实测功率等相关数据，110 验证是否可能为 PID 现象导致衰减。2. 选取 2 块组件制定不同的 PID 恶化实验及恢复试验，对比试验前后 EL 图像、实测功率等先关数据，验证 PID 现象的影响。恶化实验条件（ Further Test）： -1000V 直流电压、 65℃、 RH85%、 96h 恢复实验条件（ Recovery Test）： +1000V 直流电压、 65℃、 RH85% 、 96h 115 2.2.3 测试结果汇总测试结果分为 2 部分， 内容为电站现场选取的问题样品测试组件的功率测量结果 I-V 曲线及组件 EL 图像结果。功率测试结果将样品 1#在经过 PID 恶化实验前后的电性能参数及 I-V 曲线的数据和 2#样品经过 PID 恢复实验前后的电性能参数及 I-V 曲线的数据进行对比 ，并对比前后的功率120 损失。结果如表 2 和图 6 所示表 2 测试样品功率对比Tab. 2 Sample module power comparison Sample States Voc (V) Isc (A) Vmp (V) Imp (A) Pmax (W) Power Degradation (%) 0 # Label 37.37 8.31 29.32 7.84 230.00 N/A 1 # Initial 36.27 8.23 26.55 6.80 180.48 21.53% After PID 96h 21.01 8.07 12.39 5.34 66.13 71.28% 2 # Initial 35.88 8.21 25.17 6.74 169.73 26.20% After Recovery 96h 36.82 8.13 28.97 7.31 211.86 7.89% 注： 功率衰减的百分比均基于组件标签所对应功率对比计算。125 图 6 问题组件实验前后 I-V 曲线对比Fig. 6 samples I-V curve EL 图像测试是将样品 1#和 2#组件使用 EL 测试仪 [6]检测，观察样品组件的前后变化，如图130 7 所示，结合功率测试仪测试数据可准去判断组件是否出现功率衰减的现象。http://www.paper.edu.cn - 6 - 中国 科技论文在线图 7 问题组件实验前后 EL 图像对比Fig. 7 samples EL picture 3 结论135 本文通过实验室以及太阳能组件在现实环境使用过程中出现功率下降的现象， 利用实验对比验证了 PID 现象的存在，同时发现了 PID 现象对组件的使用存在一定影响。实验结果证明，在高温高湿的环境中，所有 PID 测试样品功率均下降了 20%以上，在继续使用恶化实验（延长 PID 测试时间）的过程中，加剧了 PID 现象对组件功率影响，组件功率衰减了 70%以上。由此可以发现， PID 现象对组件功率的影响是较为明显的。140 同时也通过实验证明 PID 现象是一种可逆现象，在将实验所加 1000V 直流电压由负压变为正压，进行恢复性试验。已出现 PID 现象影响的问题组件功率得到绝大部分的恢复。综上所述，发现 PID 现象是对降低组件在现实环境中使用中的影响有着积极的作用。对如何改善此现象并降低其对组件功率的影响， 提高光伏电站系统的可靠性， 保证组件的使用年限也成为了后续主要的研究方向。145 [参考文献 ] (References)[1] R. Swanson et al., The Surface Polarization Effect in High-Efficiency Silicon Solar Cells[R], Shanghai:15th PVSEC, 2005. [2] S. Pingel et al., Potential Induced Degradation of Solar Cells and Panels[R]. Honolulu, 35th IEEE PVSC, 2010. [3] G.R. Mon and R.G. Ross. Electrochemical Degradation of Amorphous-Silicon Photovoltaic Modules[R]. 150 Vegas, NV:18th IEEE PVSC, Las , 1985. [4] J.H. Wohlgemuth, M. Conway, D.H. Meakin, Reliability and performance testing of photovoltaic modules,“ Austin, Texas: 28th IEEE PVSC, 2000. [5] I. Rutschmann, Auch Module von Evergreen zeigen Polarizationsverhalten[J]. Photon, 2008,January: 122-123 [6] 吴翠姑，于波，韩帅，何永红 .《晶硅光伏组件功率衰减的原因分析以及优化措施》 [J]. 电气技术 ,2009, 155 8: 113-114