太阳能电站PID恢复及分析

提升电能质量· 普及绿色电力太阳能电站 PID恢复分析1. 引言本文回顾了太阳能电站 PID 现象产生的原因及影响因素， 介绍了避免太阳能电站 PID现象的方法。 列举了上海质卫环保科技有限公司开发的 ANTIPID电站 PID恢复设备在太阳能电站的应用情况。2. PID现象简介光伏应用越来越多， 电站规模越来越大， 组件串联的数目不断增大。 太阳能组件承受高对地势能的几率越来越大， 由于高压的存在， 内部导电体与大地之间（通过边框） 之间存在泄漏电流。 这种泄漏电流可能引起组件功率的衰减， 一般把这种衰减叫势能诱导衰减（ PID）。对组件来说，泄漏电途径如图 1 所示。图 1.太阳能电池组件泄露电途径示意图泄漏电的途径主要经过玻璃（ I1）、 EVA 与玻璃的界面（ I2）、 EVA （ I3）、背板材料（ I4）和边框密封材料等到达边框。2005年， NREL首次进行了组件内部与大地之间泄漏电流对组件可靠性方面的研究 [1]， 认为由组件内外电势差引起的电池片表面电荷的聚集是导致组件功率衰减的重要原因。 在内外高压存在的情况下， 组件电池片的上下表面， 特别是上表面的材料中出现的离子迁移现象，电池片表面出现离子聚集， PN结中出现电荷再分配的现象，引起了组件功率的降低，这种 PID现象是可以恢复的。泄露电产生过程中， 还可能导致组件封装材料产生电化学腐蚀， 导致组件串提升电能质量· 普及绿色电力联电阻增大、透光率降低、脱层等现象，引起组件功率衰减，这种 PID现象是不可以恢复的。PID现象与系统的安装状态、组件的封装材料及工艺、电池片的材料及工艺都有很大的关系 [2]。近年来 PID已经成为国内外买家投诉组件质量的重要因素之一， 它可以引起一块组件功率衰减 50%以上（见图 2） ，严重影响整个电站的功率输出。国际上已经许多企业对组件的 PID现象进行分析。图 2 实际电站中的 PID 组件 EL图像3. PID的研究概况3.1 电池层面的研究从电池片层面上讲， 电池片功率随 PID时间的延长而变化的情况如图 3 和表1 所示。图 3 电池片 IV 曲线随 PID 时间延长的变化情况提升电能质量· 普及绿色电力表 1. 电池片功率数据随 PID 时间延长的变化情况Time[hr] Uoc[V] Isc[A] P[W] FF[%] Rsh[ Ω]Initial 40 1.06 30 71.4 80.4 After 45 33.4 1.05 25 71.3 51.1 After 90 28.3 1.05 16.2 54.6 0.5 After 160 24.4 1.04 9.82 38.7 0.2 Deg. -4% -1.8% -67% -46% -100% 从上图 3 可以看出，在 PID过程中，并联电阻和 FF变化比较明显，同时开路电压也在不断下降，意味着 pn 结分离电子和空穴的能力降低了。短路电流 Isc 受影响比较小，但也在不断降低。随着 PID的延长， pn 结的反向阻隔特性不断减少或几乎完全丧失， 这个可从并联电阻参数可以看出。 这种现象也可从 PID过程中的 EL照片（图 4）中看出， 40 小时后，边缘漏电现象可以明显的看出， 从二极管状态转换为导体状态， 也可从反向偏压的照片中看出。 随着时间的延长，电池片由边缘亮的状态变化为全黑状态。图 4 电池片 EL图片随 PID 时间延长的变化情况泄漏电流以电子和空穴的状态集中在封装材料中的电池片上， 这些电荷与发射极和耗尽层相互作用， 扰乱了他们的工作状态， 半导体行业的绝缘体损坏和表面倒置也有类似的结果。载流子的电场不断影响 pn 结，导致 pn 结导电性增加，pn 结并联电阻丧失。 Sunpower 在他们的 n 型背接触电池模拟了一个晶体管模型来验证这种极化效应， 在 p 型电池中也可应用这种模型， 不过需要从 pnp 型二极管变为 npn 型晶体管。影响电池片 PID效应的因素有很多，这里列举几个主要因素。3.1.1 硅片材料的影响SOLON测试了不同电池片厂家来找到原材料对 PID的影响， 最明显的影响是体积电阻了。提升电能质量· 普及绿色电力图 5 不同的基体电阻率对 PID 的影响在图 5 中， 电池片的基体电阻率有很大的变化， 当基体的电阻率变大时， 当扩散层做的一样时，中间的耗尽层较宽，导致 PID过程有较大的电阻。相同制备工艺制备的不同硅片电池片， 经过大批量测试后， 可以找到影响 PID的一些蛛丝马迹。一般来说，低硅片质量和高的缺陷率导致较为明显的 PID。3.1.2 发射极制备电池片工艺一般是从清洗开始， 根据硅片的不同， 可以采用酸洗和碱洗工艺，这方面没有看出对 PID影响的因素， 但如果硅片表面制绒不完全或有残余物留在硅片表面，将影响后续的工艺步骤，同时影响 PID。一般来说，硅片清洗过后是扩散工艺，扩散工艺对 PID有一定的影响。图 6 发射极扩散方块电阻对 PID 的影响图 6 显示，较高的发射极电阻导致电池片比较易于 PID，这些结果显示过去几年比较流行的增大发射极电阻的做法将导致电池片易于 PID。但是现在高效电池的高方阻密栅工艺是提高效率的有效途径，这对矛盾还需研究者进一步研究，以便寻找既能制备高效太阳能电池片， 又能避免 PID效应的工艺。 选择性发射极提升电能质量· 普及绿色电力对电池片 PID的影响还需要被继续研究， 另外， 发射极制备的不均匀也会对电池片 PID效果产生影响。3.1.3 边缘刻蚀的研究有些电池厂家用背腐蚀方法进行边刻蚀工艺， 或进行所谓去死层工艺。 按照工艺参数的不同，层电阻会提高，进而 PID效果将会增强，如图 7 所示。图 7 背腐蚀后电池片经过 20 小时 PID 后的 EL照片和反向偏压照片从 EL照片中可以看出，边缘比较黑，从加偏压后的照片可以看出，边缘在PID后变亮了，这可解释为边分离不太好的结果。图 7 显示，背腐蚀工艺中不但进行了边分离，而且正面的发射极也有一定程度的腐蚀，造成了较高的发射极电阻。这个例子显示，电池片工艺调整后，人们并没有考虑到当电池片经受长期对地电压情况下的衰减情况， PID测试显示了电池片 PID方面的脆弱性。3.1.4 减反射膜的研究通过大量的实验可以得出， 整个电池片工艺中， 对 PID影响最明显的就是减反射膜的制备工艺， Sunpower 的研究结果表明，减反射膜对背接触电池片影响非常明显。常见的电池片制备工艺中，减反射膜中包含 Si 和 N 两个元素，两者的比例、减反射膜的制备方法、膜的厚度等因素决定了该层膜的特性。图 8 中给出了 Si与 N 的比例与 PID的关系， Si 与 N 的比例引起了膜的折射率（ RI）和光学性能变化。减反射膜与 PID的关系在组件和单片电池片上进行了研究。富 Si膜较富 N 膜的 PID 效应小；折射率越高， PID的影响也就越小。提升电能质量· 普及绿色电力图 8 减反膜折射率对 PID 的影响影响 PID效应的另一个因素是减反射的膜厚， 因为这两个是影响减反射膜减反射效果的重要因素， 所以一定要引起重视。 研究显示对于较薄的减反射膜的电池片， PID效应较好，因此较高的 Si/N 比例和较薄的膜厚对降低 PID有所帮助。3.2 组件层面的研究从组件层面上来讲，环境的温、湿度影响了电池片和大地之间的泄漏电流，如果水汽深入组件，那么封装材料（ ENC）的导电率上升，相应组件的泄漏电流增大。封装材料、背板、玻璃、边框、硅胶的相互作用影响了泄漏电流的路径，如图 9。另外，组件的制备工艺和结构设计都对组件的 PID起到一定的作用。图 9 PID 漏电流与衰减机理示意图3.3 系统应用层面的研究从系统层面上来讲， 电池片与大地之间的电势差是 PID效应的一个关键的因素。 系统电压决定于组件串联的数量、 辐照度和温度等因素。 根据不同的接地方式，组件内部对地的电压呈正向或反向。有三种接地方式，系统的正极接地，系提升电能质量· 普及绿色电力统负极接地，系统不接地，相应形成三种电压状态，对地呈负电势，对地呈正电势，对地呈漂浮电势。漂浮电势状态下，一部分组件对地呈正电势，一部分组件对地呈负电势，如图 10。图 10 组件内部对地的接地状态通常， 组件的一个子回路都设计为 20 块个串联， 得到约 700V的电压， 如果采用悬浮接地的方式，越靠近输入端的组件所承受的系统电压越大，其产生 PID的几率也就最大，如图 11。图 11 组件在系统的中位置PID 效应现象大多数最容易出现在潮湿的条件下发生， 且其活跃程度与潮湿程度相关， 同时组件表面被导电性、 酸性、 碱性以及带有离子的物体的污染程度也有很大的关系。4. PID可恢复性研究研究造成 PID衰减分为极化效应的模式和电化学作用。 极化效应为封装材料中离子迁移导致硅片表面积累大量电荷或带电离子， 影响电池活性层表面电场， 破坏钝化层。严重时，可移动离子如 Na+在玻璃 / 活性层界面积累会导致界面分层，这种模式通常是可以恢复的、可逆的。提升电能质量· 普及绿色电力同样准备造成 PID效果的组件进行 85℃， 85%， +1000， 48H 的恢复试验，如图 12 和表 2：Initial After Recovery图 12 PID 组件恢复前后对照表 2 PID 组件恢复前后数据Temperature 85℃ Humidity 85%RH Voltage +1000V Duration ITEM Voc [V] Isc [A] Pmp [W] Vmp [V] Imp [A] F.F.[%] Initial 37.34 8.66 240.15 29.70 8.09 74.26 After PID 37.06 8.66 211.92 27.46 7.72 66.01 After Recovery 37.15 8.62 232.51 29.41 7.91 72.60 Recovery rate 99.49% 99.5% 96.8% 99.02% 97.7% 97.8 从 EL测试结果看， 阴影的 1*1 、 1*2 、 1*3 片位亮度与相邻片位达成一致，恢复正常，功率恢复到了 96.8%。也就能验证文献中报道的如图 13：图 13 组件的 PID 和反压下的 PID 恢复提升电能质量· 普及绿色电力目前比较常用的两种电站现场恢复方法是负极接地法和向组件内部施加正向电压的方法。两种方法的优劣对比见下表 3 所示：表 3. 两种恢复方法的对比表PID 恢复方法 优势 劣势电 池 串 直 流侧 负 极 接 地处理适用于易于产生 PID现象的组件；不适用于不含变压器的逆变器；不适用于高效逆变器；不适用现有电站的改造；不适用于 N型硅材料电池片；需对逆变器的绝缘检测进行彻底改造；改造后电站支架与负极相连，如正极线缆破损， 可能造成正极与支架直接短路， 严重可能引起火灾。如人员与支架接触， 则人体内将会有大电流通过，造成人身伤害；可能引起电站内部金属导体腐蚀；在 晚 间 给 系统 施 加 反 向电压适用于易于产生 PID现象的组件；适用于现有电站的改造，操作简单；适用于所有逆变器；适用于所有太阳能电池电站；需增加设备。5. ANTIPID 资料介绍提升电能质量· 普及绿色电力5.1 简介ANTIPID 设备是 上海质卫环保科技有限公司 专门为太阳能电站现场进行 PID恢复而设计的系统。 设备安装在逆变器的直流侧， 适用于分布式电站及大型地面并网电站。通过时控、光控、系统电压控制等方式自动运行，实现在太阳能电池不发电时对太阳能电池组件进行 PID恢复。6. ANTIPID应用案例6.1 背景介绍ANTIPID设备在国内某电站进行了应用，本应用中对第 12 个逆变器恢复前后的相关参数进行了对比提升电能质量· 普及绿色电力6.2 测试数据及分析6.2.1 电池串开路电压对比对比了 ANTIPID应用后电站中第 12 个逆变器第 4 个汇流箱的开路电压。12-4 电池串开路电压表电池串号 未恢复前电压（ V） 恢复后电压（ V）1 732 7772 733 7863 7864 709 7865 690 7826 708 7847 712 7828 716 7809 680 77410 662 77511 685 78012 696 77813 719 78214 704 777提升电能质量· 普及绿色电力由上表可以看出，恢复后，第 12 逆变器的第 4 个汇流箱中电池串电压都有不同程度的增加。 （由于测试过程中的辐照度和温度不稳定，测试结果可能有少许偏差。 ）6.2.2 组件开路电压对比对比了 12-4-10 电池串负极端和正极端的部分组件进行了开路电压测试，具体见下表所示。第 10 串电池串部分组件开路电压值组件序号（从负极向正极依次排列）未恢复前电压（ V） 恢复后电压（ V）1 18.95 362 21.41 373 21.15 374 25.27 3718 35.08 3719 34.9 3720 35.9 3821 35.15 39从上表可以看出，通过一段时间的恢复，第 10 串负极端的电压都升高到了正常水平，说明 PID 恢复起到了的效果。 （由于测试过程中的辐照度和温度不稳定，测试结果可能有少许偏差）6.2.3 发电量提升情况对第 10 个逆变器（未做恢复）和第 12 个逆变器（做恢复）的发电量进行了统计。发电量对比表发电量（ KWh）逆变器序号恢复前（多云） 恢复后（多云）10 3616 2874 12 3469 2947 提升电能质量· 普及绿色电力从上表可以看出，通过对第 12 号逆变器进行一段时间 PID恢复后， 12 号逆变器发电量由较 10 号逆变器发电量少 147KWh，变为 12 号逆变器发电量较 10号逆变器发电量增加 73KWh。6.3 结论从恢复的效果来看，使用 PID恢复的方法能有效的提高电站的发电量。7. 结论本文简单介绍了太阳能电池 PID产生的机理， 回顾了影响 PID产生的原因及避免的方法。 介绍了上海质卫环保科技有限公司设计开发的 ANTIPID的技术资料，并介绍了该设备应用于国内某电站进行 PID恢复的实际效果。 ANTIPID设备应用后，电站的 PID组件得到了很好的恢复，提升了电站的发电量。参考文献：[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. 以上资料解释权归上海质卫环保科技有限公司所有上海质卫环保科技有限公司地址：上海市闵行区中辉路 18 号 17#厂房邮编： 201111 电话： 086-21-54322103 传真： 086-21-54322101 网站： www.zhiwei-sh.com联系人：任先生 18017927302/13817421726 李先生 18017926458/13916581281 提升电能质量· 普及绿色电力刘先生 13918020601 Email： zhiwei-sh@foxmail.com