光伏组件封装材料和PID的关系初探

光伏组件封装材料和 PID 的关系初探一、前言目前无论从生产方还是使用方，对晶体硅电池片的极化效应（ PID）的关注越来越多。2011 年 7 月 NREL 在其发表的文章《 System Voltage Potential Induced Degradation Mechanismsin PV Modules and Methods for Test 》中对 PID 进行了详细的说明（ 1）。目前 PID 现象已被更多的人所了解， 并有越来越多的研究机构和组件制造商对其进行了深入的研究和发表文章。 PIDFree 被许多组件厂和电池厂作为卖点之一，许多光伏组件用户也开始只接受 PIDFree 的组件。但真正引起 PID 的原因和如何避免，并没有统一的定论。二、 PID 的表现目前的实验结构和光伏组件制造商较多采用以下两种测试方法， 对组件的 PID 效应进行评估：1) 在 25℃的温度下， 在组件玻璃表面覆盖铝箔， 1000V 直流电施加在组件的输出端和铝框上 168 小时。2) 组件先进性 85%的湿度 85℃高温测试， 然后在 60℃或 85℃的环境下 100 小时， 将 1000V直流电施加在组件输出端和铝框上 100 小时。较多的 PID 衰减被发现发生在实验 2 的老化以后， 根据目前的报道和实验结果发现 PID现象与玻璃、电池和胶膜的关系较大。目前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。（ 2）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。（ 1）胶膜也被发现对 PID 现象有非常密切的关系。 使用 EVA或 PVB封装的组件都被发现在湿热老化非常容易产生 PID 现象。（ 3）其测试方法是在 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。尽管在这个实验中硅胶表现较好 , 但随即又有报道硅胶在更长时间的 PID 测试后也呈现出大幅度功率衰减的现象。 而当将 EVA更换成热塑性弹性体后， 电池功率衰减的现象大幅度减小。电池表面的反射层被发现和 PID 现象有非常密切的关系。 有报道表明薄的减反层更有利于抗 PID 现象。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（ 3）。有电池工厂在做针对电池和 PID 的关系的测试中也发现了类似的现象，结论是当折射率大于 2.13 后，几乎所有的 EVA都能通过 PID 测试，当折射率小于 2.08 后，通过 PID 测试的 EVA寥寥无几。三、 PID 的形成和封装材料的关系NREL 在研究 PID 现象是发现一个有趣的现象，就是光伏组件在早晨露气较多或者下雨时被发现有漏电现象。 而当太阳出来后， 此漏电现象随即减弱。 而与此类似的， 在实验室中，当将已经发生 PID 衰减的组件在 100℃下烘烤 100 小时后， PID 衰减基本消失。 （ 3） 在某组件厂的测试中， 发现 PID 测试后的组件在搁置几天后， 重新测试其电阻率， 电阻率基本都能恢复到 PID 测试前的 60%以上。我们由此可以得出一个结论，引起 PID 衰减的变化应该是一个可逆的变化。根据以上的现象，我们提出一个引起 PID 现象的过程推测，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：水气进入组件水导致 EVA水解产生醋酸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钠离子在电场的作用下移动到电池表面四、避免 PID 的办法以上假设可以较好的解释目前与 PID 有关的各种现象。 采用石英玻璃替代普通玻璃避免了钠离子的析出。 而热塑性弹性体的结构中没有可以水解的基团， 从而也没有如 EVA水解产生的醋酸。而致密的减反层有效防止了钠对电池的破坏。我们也发现使用低醋酸乙烯含量的 EVA可以减缓 PID现象的产生。 由于醋酸乙烯含量低，相应的低醋酸乙烯含量的 EVA可水解的酯基的含量也低， 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。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（ 4）依据上述理论， 只要能阻断四步过程中的任何一个过程都应能有效的消除 PID 现象。 台湾某厂使用特殊的封装技术， 达成了在 85%湿度 85℃的环境下通过 PID 测试的结果。 海优威公司开发出比单纯使用 VA28的 EVA更为减慢水解速度的特殊级别 EVA胶膜，从而可以帮助组件厂减缓 PID 的发生。 而更多的晶硅电池片生产商通过平衡提高减反层折射率和不降低电池效率的关系来开发避免 PID 的电池片。五、总结PID 现象作为光伏技术发展过程中正常出现的一个技术问题， 完全可以通过技术手段解决，而不会成为阻碍光伏事业发展的障碍。而通过解决 PID 问题， 使光伏组件更为可靠，使光伏产业更能长久的发展。