封装材料对组件抗PID性能影响研究

封装材料对光伏组件抗 PID 性能影响研究杨江海，董远强，蒋忠伟，龚露，叶心星，孙小菩，彭华（东莞南玻光伏科技有限公司，东莞， 523141）摘要： 随着光伏发电在世界能源中占有的比例越来越高， 发电系统的规模也越来越庞大。 增加系统电压和采用更少的逆变器可以减少整体光伏系统的成本， 但容易使组件暴露在高压下而引起 PID 衰减。 因此，研究和解决光伏组件抗 PID 效应问题可以有效提升光伏电站发电收益。本文系统研究了光伏组件封装材料如太阳能玻璃、 EVA 对组件抗 PID 性能影响，首次提出通过在玻璃表面增加抗 PID 涂层和优化EVA VA 含量以及各种助剂配比可以提高组件抗 PID 性能并对其机理进行了初步探讨。关键词： 光伏组件；封装材料； 抗 PID 效应；太阳能玻璃； EVA引言PID (Potential Induced Degradation) 即电位诱发衰减。一些光伏电站实际经历表明， 光伏发电系统的系统电压存在对晶体硅电池组件有持续的 “ 电位诱发衰减 ” 效用， 基于丝网印刷的晶体硅电池通过封装材料（通常是 EVA 和玻璃的上表面）对组件边框形成的回路所导致的漏电流，被确认为是引起上述效应的主要原因。近年来 PID 已经成为国外买家投诉国内组件质量的重要因素之一， 严重时候它可以引起一块组件功率衰减 50%以上，从而影响整个电站的功率输出 [1~2] 。目前关于组件抗 PID 性能研究多数集中于硅片电阻率、 电池方块电阻、电池氮化硅膜折射率等内容 [3~7] ，对于封装材料如玻璃、 EVA对组件抗 PID 性能影响鲜有报道，本文将从组件封装材料如玻璃、EVA 入手，研究封装材料对组件抗 PID 性能影响，并对其抗 PID 机理进行初步探讨。1 实验1.1 实验原料及仪器实验材料：使用相同厂家硅片相同电池工艺制备的多晶电池片，国内 A 厂家太阳能超白镀膜玻璃 1#及表面增加抗 PID涂层的 2#玻璃；国内外知名 6 个 EVA 厂家的 6 种抗 PID EVA 胶膜 1#~6#；太阳能组件用背板、涂锡带、接线盒及边框等。实验仪器： 3A 级 Spire 测试仪、高分辨率沛德 EL 测试仪、步入式环境试验箱。1.2 实验过程使用 1#、 2#太阳能超白镀膜玻璃和 1# EVA 分别制备 2 块组件，对比玻璃对组件抗 PID 性能影响； 采用 1#太阳能超白镀膜玻璃和 1~6#抗 PID EVA 胶膜制备 6 块组件， 对比 EVA 胶膜对组件抗 PID 性能影响。1.3 抗 PID 性能测试方法试验箱环境： 85℃（温度） ， 85%（湿度） ，组件缆线和边框之间施加负 1000V 直流电压，测试 96 小时，之后测试 EL 图像及组件功率，要求与组件初始功率相比，功率衰减 5%以内。2 结果与讨论2.1 玻璃对组件抗 PID 性能影响表 1 玻璃对组件抗 PID 性能影响图 1 组件 Lot1 初始 EL 图像、 PID 测试 96 小时后 EL 图像图 2 组件 Lot2 初始 EL 图像、 PID 测试 96 小时后 EL 图像表 1列出了玻璃对组件抗 PID 性能影响的数据。可以看出，通过在玻璃表面增加抗 PID 涂层可以极大提高组件抗 PID 性能。经验表明，当相对湿度超过约 40%时，玻璃表面吸附空气中的水分，并与玻序号 玻璃 状态 Voc/V Isc/A Pmax/W Vpm/V Ipm/A 衰减/% Lot1 1# 初始 37.92 8.76 256.7 30.92 8.3 74.80% 96H 后 26.35 8.33 64.59 14.92 4.33 Lot2 2# 初始 37.69 8.55 246.5 30.69 8.03 13.10% 96H 后 37.48 8.65 214.2 29.56 7.25 璃中的 Na 进行离子交换产生 NaOH 或 Na2CO3。另外， EVA 中的酯键在遇到水后也发生分解， 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从导致 PID 现象产生。 因此， 通过在玻璃表面增加涂层， 可以阻止玻璃表面钠离子的产生、迁移从而起到组件抗 PID 作用。2.2 EVA 对组件抗 PID 性能影响表 2 EVA 对组件抗 PID 性能影响序号EVA 状态 Voc/V Isc/A Pmax/W Vpm/V Ipm/A 衰减/% Lot1 1# 初始 37.92 8.76 256.73 30.92 8.30 74.80% 96H 后 26.35 8.33 64.59 14.92 4.33 Lot3 2# 初始 37.99 8.73 250.09 30.49 8.20 67.05% 96H 后 29.72 8.61 82.40 17.22 4.79 Lot4 3# 初始 37.98 8.57 245.87 30.24 8.13 34.73% 96H 后 36.37 8.69 160.49 26.24 6.12 Lot5 4# 初始 37.85 8.67 245.73 30.23 8.13 41.84% 96H 后 36.24 8.60 142.92 25.55 5.59 Lot6 5# 初始 37.95 8.63 247.44 30.29 8.17 29.70% 96H 后 37.25 8.69 173.96 28.26 6.16 Lot7 6# 初始 37.76 8.74 253.96 30.80 8.25 32.73% 96H 后 37.12 8.79 170.83 28.01 6.10 图 3 组件 Lot3 初始 EL 图像、 PID 测试 96 小时后 EL 图像图 4 组件 Lot4 初始 EL 图像、 PID 测试 96 小时后 EL 图像图 5 组件 Lot5 初始 EL 图像、 PID 测试 96 小时后 EL 图像图 6 组件 Lot6 初始 EL 图像、 PID 测试 96 小时后 EL 图像图 7 组件 Lot7 初始 EL 图像、 PID 测试 96 小时后 EL 图像表 2 列出了国内外知名抗 PID EVA 胶膜对组件抗 PID 性能的影响数据。 可以看出， 部分胶膜确实可以提高组件抗 PID 性能。 目前提高 EVA 抗 PID 性能主要从降低组件水解时醋酸含量以及优化各种助剂，提高 EVA 胶膜交联后高温时的体积电阻率进行解决。因此，通过优化 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。3 结论（ 1） 通过在玻璃表面增加抗 PID 涂层减少表面钠离子移动可以使组件具备一定的抗 PID 性能；（ 2）通过优化 EVA 生产工艺、筛选原料和优化原料的配比，也可以提高组件的抗 PID 的效果。参考文献[1] P. Hacke, M. Kempe, K. Terwilliger, S. Glick, N. Call, S. Johnston et al., “ Characterization of Multicrystalline Silicon Modules with System Bias Voltage Applied in Damp Heat ” , 25th EUPVSEC, Valencia, Spain, 2010. [2] S. Pingel, O. Frank, M. Winkler, S. Daryan, T. Geipel, H. Hoehne et al., “ Potential Induced Degradation of solar cells and panels ” , 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, USA, 2010. [3] P. Hacke, K. Terwilliger, R. Smith, S. Glick, J. Pankow, M. Kempe et al., “ System Voltage Potential-Induced Degradation Mechanisms in PV Modules and Methods for Test ” , 37th IEEE PVSC, Seattle, Washington, USA, 2011. [4] J. Berghold, O. Frank, H. Hoehne, S. Pingel, B. Richardson, and M. Winkler, “ Potential Induced Degradation of solar cells and panels ” , 25th EUPVSEC, Valencia, Spain, 2010. [5] H. Nagel, A. Metz and K. Wangemann, “ Crystalline Si solar cells and modules featuring excellent stability against potential induced degradation ” , 26th EUPVSEC, Hamburg, Germany, 2011.[6] M. Sch ütze, M. Jungh?nel, M.B. Koentopp, S. Cwikla, S. Friedrich, J.W. M ü ller et al., “ Laboratory study of potential induced degradation of silicon photovoltaic modules ” , 37th IEEE PVSC, Seattle, Washington, USA, 2011. [7] M. Sch ütze, M. Jungh?nel, O. Friedrichs, R. Wichtendahl, M. Scherff, J. M ü ller et al., “ Investigations of potential induced degradation of silicon photovoltaic modules ” , 26th EUPVSEC, Hamburg, Germany, 2011.