光伏组件的PID效应和封装材料的关系

光伏组件的 PID 效应和封装材料的关系一、前言随着光伏组件大规模使用一段时间后，特别是越来越多的投入运营的大型光伏电厂运营三四年后，业界对光伏组件的电位诱发衰减效应（ PID， PotentialInducedDegradation ）的关注越来越多。 尽管尚无明确的由 PID 原因引发光伏电站在工作三、 四年后发生大幅衰减的报道， 但对一些电站工作几年后就发生明显衰减现象的原因的种种猜测使光伏行业对 PID的原因和预防方法的讨论越来越多。 一些国家和地区已逐步开始把抗 PID 作为组件的关键要求之一。 很多日本用户明确要求把抗 PID 写入合同， 并随机抽检。 欧洲的买家也跃跃欲试提出同样的要求。 此趋势也使得国内越来越多的光伏电站业主单位、 光伏电池和组件厂、 测试单位和材料供应商对 PID 的研究越来越深入。其实早在 2005 年， Sunpower 就发现晶硅型的背接触 n 型电池在组件中施加正高压后存在 PID 现象。 2008 年， Evergreen 报道了 PID 出现在高负偏压下的正面连接 p 型电池组件中。在 2010 年， SolonSE 报道在标准的单晶和多晶电池中都发现了极化效应。很快 SolonSE 和NREL就提出在负高偏压下使用任何工艺生产的 P型电池标准组件都存在发生 PID 现象的极大风险。而 CIGS组件的 PID 效应也有被报道。二、 PID 的检测方式PID 测试有两种加速老化的方式：1）在特定的温度、湿度下，在组件玻璃表面覆盖铝箔、铜箔或者湿布，在组件的输出端和表面覆盖物之间施加电压一定的时间。2）在 85%湿度 85℃或者是 60℃或 85℃的环境下将 -1000V 直流电施加在组件输出端和铝框上 96 小时。在两种方式测试前，都对组件进行功率、湿漏电测试并 EL成像。老化结束后，再次进行功率、湿漏电测试并 EL 成像。将测试前后的结果进行比较，从而得出 PID 在设定条件下的发生情况。 第一种方式比较多的用于实验机构， 而后一种方式比较多的被光伏组件厂采用。当 PID 现象发生时，从 EL 成像可以看到部分电池片发黑。光伏组件在上述两种测试方式下表现出的的 EL 成像图是不同的。第一种方式条件下，发黑的电池片随机的分布在组件内，而在第二种方式中，电池片发黑的现象首先在靠近铝框处发生。目前 IEC 尚没有出台有关实验室进行 PID 测试和评估的正式标准， 但有一个工作文件，大致测试方式如下：（ 1）取样：按 IEC60410 要求，从相同批次中抽取， 2 个组件。（ 2）消除组件早期衰减效应，组件开路进行 5-5.5Kwh/m2 辐照。（ 3）目测，按 IEC61215 章节 7， IEC61730-2 章节 10.1.3 。（ 4）组件 EL 成像和最大功率测定。（ 5）湿漏电流测试和接地连续性测试。（ 6） 60+/-2 ℃、 85+/-5% ，系统电压施加在组件输出端和铝框之间 96 小时。（ 7）组件 EL 成像和最大功率测定、湿热电流测定。（ 8）合格判定。合格判定依据于：（ 1）最大功率与初始值比，衰减不超过 5%。（ 2）没有目测不合格现象，按 IEC61215 章 http://chengde.taolegu.cn/ 节 7，IEC61730-2 章节 10.1.3 。（ 3）湿漏电流测试，符合 IEC61215 章节 10.15 。（ 4）试验结束后组件功能完整。要说明的是，越来越多的组件用户要求组件能通过 85+/-2 ℃、湿度 85+/-5% 的测试。这个要求对组件厂而言是非常有挑战的， 关键在于真正的量产， 而不是做一两块可以通过双85 测试的组件。三、 PID 现象的原因PID 的真正原因到目前为止没有明确的定论， 但各个光伏电池组件厂和研究机构的数据表明， PID 与电池、玻璃、胶膜、温度、湿度和电压有关。目前可以明确的是 PID 现象和电池片表面的反射层有关，提高反射层的折射率可以有效地降低 PID 现象的发生。含 Si 多的减反层比含 N多的减反层更可以抵抗 PID 现象。当减反层的折射率大于 2.2 后， PID 现象不再被观察到。而当折射率小于 2.08 后，组件很难通过 PID 测试。 目前有不少的光伏电池厂在做针对电池和 PID 的关系的测试中也发现了类似的现象， 所以改变折射率成为抗 PID 的手段之一。 但改变电池减反层的折射率会改变电池生产成本和电池的发电效率， 在不提高成本并且基本不改变效率的情况下做到抗 PID 对电池厂是一个非常大的难度。使用于光伏组件的玻璃是含钠离子的玻璃。有文献报道，在高温高湿情况下硅酸盐玻璃表面会有碱析出，主要成分是 Na2O、 MgO。而当把玻璃更换成石英玻璃后，在同样的测试条件下，没有 PID 现象被发现。在有 Q-Cell 参与的 PID 研究中，非常明确的发现玻璃和胶膜对 PID 现象的发生有明确的关系。 该实验特殊设计了六种非常规的组件， 其中五种分别是将玻璃替换成石英玻璃或 PVF薄膜、将 EVA替换成其它封装材料、将玻璃 -EVA-电池的紧密结合改成松散结合。 结果发现这五种组件在老化后都没有 PID 现象。 但要降低玻璃中钠离子的含量，成本非常高，可行性不大。选择合适的胶膜变得非常重要。EVA和 PVB封装的组件都被发现在湿热老化非常容易产生 PID 现象。 选用测试方法 85%湿度 85℃下， 在组件表面覆盖铜箔并连接 200V 的正极， 电池连接负极， 48 小时后即发现电池效率大幅度衰减。表 1 封装材料与 PID尽管在上述数据中硅胶表现很好 , 但在继续老化后， 使用硅胶的组件从 190 小时开始衰减，并在 240 小时后衰减达到 90%。有研究表明将封装更换成热塑性弹性体后，电池功率衰减的现象大幅度减小。 但热塑性弹性体带来了另两个风险， 即在实际使用中透光率的变化和蠕变。2011 年 7 月 NREL发表文章报道在 1000 小时 85℃ 85%的湿度 -600V 的老化后，在 SiNx表面发现发现 Na 富集。 SimonKoch[11] 等提出 http://cangzhou.taolegu.cn/ 认为 PID 现象和胶膜、 电池表面的关系很大， 并提出一个可能的假设： Na+在电压下从玻璃向电池片移动，正离子移动的速度受胶膜、 温度、 湿度和电压的影响， 钠离子扩散进入电池起到供应原子的作用，在发射极 Na离子富集， p-n 结被中和，从而影响电池的光伏效应。可以确认光伏组件在玻璃、胶膜、电池确定时，测试后 PID 的程度受到温度、湿度和电压的影响。也有研究认为是正价离子 (H2O)nH+而非金属离子才是 PID 现象的原因。四、 PID 的解决方式从目前的研究表明， PID 可以从三个方面进行预防，分别是系统、组件和电池。从系统上而言，可以采用串联组件的负极接地或是在晚间对组件和大地之间施加正电压。另一个可能的情况是，随着微逆变器的使用， 系统电压降低， 产生的 PID 效应是否可以忽略不计。以上的三个方案都带来额外的设备成本和效率的下降。从组件而言，由于湿度是 PID 现象产生的因素之一，所以封装的方式也非常关键。一些组件厂在选择背板、 硅胶方面提出了新的要求， 以期降低水气进入组件的程度。 在组件中替换玻璃是一个为达到抗 PID 的最佳选择， 但成本太高几乎不可行。 替换 EVA是也选择之一，但新材料带来成本提高和使用中的持续风险。以 POE为例， POE以碳 - 碳链为主链，有辛烯和丁烯，分子中有大量的支链，柔软而透明。但其熔点在 50-70 ℃之间，为能使用在光伏组件中，不得不加入以直链分子为主的聚乙烯（ PE）以提高熔融温度范围中的峰值到 100℃以上。但 PE的引入导致体系容易在交变的温度循环中逐渐结晶而使透明度缓慢下降。 POE-PE的分子重排温度低于光伏组件的最高工作温度， 在日夜交替的循环的温度变化下， 透光率是否还能长期保持尚无实验数据的支持。另外蠕变也是一个令人担心的问题，即使加入 PE使熔融温度的峰值提高到 100℃以上，但其在 80℃以下通过 DSC仍然可以观察到有吸热现象，表明在光伏组件的使用温度范围中仍然有部分分子熔融或移动。 在目前没有更好的选择的情况下， 选择合适的 EVA变得非常关键。 但要指出的是目前除非对组件进行 PID 测试， 尚无直接的测试方法可以判断哪种 EVA可以减小 PID 效应。有文献建议使用电阻率的高低来判断EVA的优劣，但没有足够的实验数据支持。电池本身毋庸置疑是最重要的抵抗 PID 的关键因素，可以考虑改变发射极和 SiN 减反层，但两个改进都带来发电效率的变化和额外设备的增加。五、 PID 的形成和封装材料的关系在不替换 EVA和改变电池的情况下，是否可以通过 EVA的改进而提高组件的抗 PID 效果？我们的研究结果是可能的、至少是部分可行的。首先我们提出一个引起 PID 现象原因的假设，如下图：图 1 水气对组件的影响水气通过封边的硅胶或背板进入 http://langfang.taolegu.cn/ 组件内部。 EVA的酯键在遇到水后按下面的过程发生分解，产生可以自由移动的醋酸。可以自由移动的醋酸（ CH3COOH）和玻璃表面析出的碱反应后，产生了可以自由移动的Na+。 Na+在外加电场的作用下向电池片表面移动并富集到减反层而导致 PID 现象的产生。 当加热组件一段时间后， 水气离开组件。 由于 EVA上酯键的水解是一个可逆过程， 失去水分后，可以自由移动的羧酸根（ CH3COO-）与 EVA上的乙烯醇（ -CH2-CHOH-）反应而重新成为酯键并连接到 EVA主链上而无法移动。相应的 Na+也因失去羧酸根无法移动。此时在组件中，由于没有了可以导电的小分子，而导致 PID 衰减部分恢复甚至全部恢复。以上的假设，可以总结成四步过程：（ 1）水气进入组件（ 2）水导致 EVA水解产生醋酸（ 3）醋酸与玻璃表面析出的碱反应产生可以自由移动的钠离子（ 4）钠离子在电场的作用下移动到电池表面基于以上的假设，我们认为通过原料的筛选和工艺的优化，使 EVA中含有的醋酸含量降低可以减缓 PID 现象的发生。一个最简单的方法是适当的降低 EVA中 VA的含量。 我们发现使用低醋酸乙烯含量的 EVA可以减缓 PID 现象的产生。 合理的解释是低醋酸乙烯含量的 EVA中可水解的酯基含量相对低，从而其水解速度也低于高醋酸乙烯含量的 EVA。以下实验是在 85%湿度 60℃环境下施加-1000V 电压老化 100 小时而得到的。图 2PID 老化后对比图表 2 使用不同 VA含量 EVA作为封装材料的组件的 PID 测试结果优化生产工艺也可以部分阻止 PID 现象发生。采用减反层折光指数是 2.08 的电池片，对使用同样配方的 EVA胶膜 D、 F 进行测试。 E、 F 的差别只是改变生产工艺， D为使用优化生产工艺的 EVA制成组件， F 为使用未优化生产工艺的 EVA制成的组件。除 EVA外，光伏组件的其它部件完全一样。 测试条 http://hengshui.taolegu.cn/ 件为 85%湿度 65℃环境下施加 -1000V 电压老化 96 小时、 192 小时。表 3 使用优化工艺的 EVA作为封装材料的组件的 PID 测试结果组件 D，测试前、 96 小时老化后、 192 小时老化后。组件 F，测试前、 96 小时老化后、 192 小时老化后。在不改变基本配方的情况下， 筛选原料和优化原料的配比， 也能大幅度改善组件抗 PID的效果。同样采用减反层折光 http://taiyuan.taolegu.cn/ 指数是 2.08 的电池片， G、 H为筛选原料和优化原料配比后生产的 EVA胶膜。 测试条件为 85%湿度 65℃环境下施加 -1000V电压老化 96 小时、 192 小时。表 4 使用筛选原料优化配方的 EVA作为封装材料的组件的 PID 测试结果组件 G，测试前、 96 小时老化后、 192 小时老化后。组件 H，测试前、 96 小时老化后、 192 小时老化后。由以上现象可以看出， 优化 EVA生产工艺、 筛选原料和优化原料的配比， 可以提高 EVA胶膜对组件抗 PID 的效果。六、结论PID 现象作为光伏技术发展过程中出现的一个技术问题， 是非常值得重视。 由于影响到光伏组件的长期使用寿命，所以必须尽快解决。通过技术手段的改进， PID 现象将不会成为阻碍光伏事业发展的障碍。 通过解决 PID 问题， 对光伏发电的可靠性的了解将更为彻底， 由此将使光伏组件更为可靠，从而促进光伏产业更能健康长久的发展。