晶硅PID组件弱光性能研究

16 《SOLARZOOM光伏杂志》05/2014 光伏系统中组件的PID现象引起了整个光伏行业内各企业、研究单位和相关测试机构 的广泛关注，目前关于PID的形成机理、测试方法和条件等国内外均展开了大量的研究和 实验，影响PID衰减的影响因素比较复杂，一般需要从环境、组件封装材料和系统三方面 综合分析，高温高湿的环境因素，玻璃表面的导电性、组件内部材料的绝缘性能等均会 影响PID发生的速率 [1,2] 。在系统层面而言，目前接地系统一般采取两种形式，第一种是功 能性接地（Function grounded PV system），即光伏组件边框、组串正极或负极接 地，如薄膜组件目前都需要采用正极接地，以防TCO腐蚀。另一种为保护性接地 （Ungrounded PV system），即光伏组件的边框接地，而组件阵列的正极或负极均不 接地 [3,4] ，这种是目前普遍采用的方式，但晶硅组件负极（如P型电池组件）和接地边框将 存在一定的负偏压，组件负偏压的大小跟处在组串中的位置有关，且越靠近组串负极的组 件负偏压越高，而且在潮湿的环境中，玻璃面的导电性增加，容易诱导发生PID现象 [5] 。 在实际电站中若发生了PID，对于业主和组件供应商，都需要通过快速有效的方法排 查PID组件，文献中介绍的有使用手持EL测试、户外IV测试、Dark -IV测试、红外热像 仪、开路电压测试等等方法 [6] ，在这几种方法中，开路电压测试法由于其操作简便、省时 等特点较为常用，但此种方法并不适用与全天任何时间测试，需要寻找一个合适的时间 点或辐照值作为参考进行操作。 本文基于晶硅组件的弱光效应为出发点，结合PID组件的基本特点，通过对不同PID 江苏舜天国际集团机械进出口股份有限公司光伏事业部 陈坚 陈建国 王希晨 庄榕玲 摘 要：PID（Potential Induced Degradation电势诱导衰减）是一种因光伏组件负极和边 框及玻璃之间存在负偏置电压而出现的电性能衰减现象。本文对PID 组件弱光性能的影响 因素，户外弱光下不同衰减程度PID组件和正常组件的开路电压的表现进行了相应的研 究，得出了开路电压和弱光辐照的对应关系，旨在实际电站中如何快速有效地查找PID组 件提供参考。 关键词： 弱光性能；PID ；光伏组件；开路电压 技术工艺 / Technical Process 2014年五月刊 SOLARZOOM光伏杂志 晶硅PID组件弱光性能研究 引言《SOLARZOOM光伏杂志》05/2014 17 技术工艺 / Technical Process 2014年五月刊 SOLARZOOM光伏杂志 一.弱光效应的分析 众所周知，在国内大部分地区，户外实际的太阳光辐射强度很难达到STC测试要求 下的1000W/m2，因此组件在户外下的实际输出性能的表现和影响因素的分析显得尤为 重要，相关文献理论模拟和测试机构的实际测试结果均表明：组件的并联电阻对弱光效 应的影响很大。如全球知名光伏机构Photon Lab曾对来自超过100家制造商的170多个组 件产品进行实地测试，其组件弱光性能可在发行的Photon杂志上查阅 [7] 。一般并联电阻 越低，其弱光效应越差，Voc下降也就越明显，而并联电阻直接影响的是填充因子，因此 组件的功率也将随之越低，但在标准测试条件下（STC），Rsh的高低对其电性能相对 于弱光下影响较小 [8,9,10] 。 在标准光强下并联电阻对太阳能电池的影响如图1所示，该图采用数据来源于新南威 尔士大学晶硅太阳电池 [11] ，并以1cm2的面积为标准来讨论，从图可知当并联电阻在100 Ω以下，对开路电压的影响较大。图2为不同Rsh值的电池片在弱光下对组件效率的影响 [10]，也从侧面反映组件Rsh对弱光效应的影响。 程度的组件和正常组件作为实验对象，放置户外弱光下对其进行开路电压测试，得到了 不同PID程度组件和正常组件的弱光性能的测试数据，得到了些初步的结论，为在户外对 PID组件进行快速查找提供参考。 图1 标准光强下并联电阻对开路电压的影响对比（T=300K） 图2弱光下不同并联电阻对电池效率的影响对比18 《SOLARZOOM光伏杂志》05/2014 技术工艺 / Technical Process 2014年五月刊 SOLARZOOM光伏杂志 二.实验内容 本部分以实际电站中的同批次245W普通多晶PID组件为例，按其测试好的电性能功 率大小、Rsh和EL下的严重程度进行筛选，共计6片PID组件，并选择2片正常组件作为 参考组件进行实验。 2.1 电性能测试结果 选择的实验对象组件如表1所示，从表1可知，在STC条件下的测试结果，PID组件1 至PID组件6其衰减程度逐渐变大，功率和Rsh逐渐降低。和正常组件相比，Voc的差异 并不明显，最大差异约在3V左右，尤其是发生轻微PID的组件，如PID组件1和2，和正 常组件相比，Voc差异非常小。 2.2 EL测试结果 图2为上述PID组件的EL图像，一般的，PID组件的衰减从四周开始，四周的电池片 比中间的电池片要严重很多，随着衰减程度的增加，四周和中间电池片逐渐变黑。 表1 PID组件与正常组件电性能测试结果对比 Eff 15.21% 15.31% 13.42% 12.22% 10.88% 9.79% 8.61% 7.15% Rsh 220.66 141.15 122.78 95.95 33.98 22.42 13.79 9.54 Rs 0.59 0.58 0.58 0.62 0.78 0.86 1.14 1.45 FF 73% 73% 67% 61% 56% 51% 46% 41% Isc 8.98 9.01 8.65 8.66 8.58 8.52 8.59 8.34 Voc 37.63 37.68 37.65 37.48 37.00 36.67 35.76 34.06 Imax 8.35 8.38 7.41 6.84 6.45 6.02 5.73 5.21 Vmax 29.63 29.71 29.46 29.09 27.42 26.45 24.45 22.34 Pmax 247.42 249.06 218.32 198.86 176.95 159.26 140.06 116.34 衰减比例 10.89% 18.83% 27.77% 35.00% 42.83% 52.51% 名称 正常组件1 正常组件2 PID组件1 PID组件2 PID组件3 PID组件4 PID组件5 PID组件62.3 户外弱光测试结果 由于开路电压和环境温度、辐照度有一定的关系，我们将上述组件放置户外，各组 件倾角一致，玻璃面干净，无遮挡。测试当天天气晴朗，测试从12:30至17:18。在测试 中，我们使用万用表测试Voc，辐照仪记录辐照值，每块组件同时测试，保证每块组件的 环境温度、辐照一致，Voc值每块组件采样10个数据，绘制曲线如图3所示，对各组件进 行横向比较。 技术工艺 / Technical Process 2014年五月刊 SOLARZOOM光伏杂志 图2（a） PID组件1 图2（b）PID组件2 图2（c）PID组件3 图2（d） PID组件4 图2（e）PID组件5 图2（f）PID组件6 《SOLARZOOM光伏杂志》05/2014 19技术工艺 / Technical Process 2014年五月刊 SOLARZOOM光伏杂志 我们发现，随着辐照度逐渐下降后，可看到PID组件呈现明显的弱光效应。当辐照 673W/m 2 降至643W/m 2 时，各组件的开路电压差异较小，而当辐照低于643W/m 2 后 PID组件和正常组件的开路电压差异开始慢慢变大。辐照值小于464.38W/m 2 ，PID严重 的组件（如PID3至PID6）和正常组件有明显的差异，Voc衰减基本呈现线性关系，而正 常组件从从始至终，电压变化很小，基本维持在35V左右。同时PID1至PID6组件的并联 电阻是逐渐降低的，也反映出弱光下Voc大小和Rsh高低的变化关系。而Rsh相对较高的 如PID1和PID2，在辐照325.65W/m 2 时和正常组件的差异开始变化，由于测试数据有 限，需要通过拟合对辐照区间进行更细化的分析，我们对实测离散数据按照300W/m 2 以 下进行拟合如图4所示，对于PID2组件（Rsh低于100Ω以下），辐照低于300W/m 2 和 正常组件有1.4V左右的差异，对于PID1组件（Rsh高于100Ω以上），辐照低于 160W/m 2 以下和正常组件1约有1.5V左右的差异，拟合值参考表2。 图3 不同PID程度组件与正常组件弱光下开路电压比较（测试时间：2014.3.5晴天） 图4辐照度300W/m2以下的Voc拟合曲线对比 20 《SOLARZOOM光伏杂志》05/2014技术工艺 / Technical Process 2014年五月刊 SOLARZOOM光伏杂志 三.讨论 本文对不同PID衰减程度的组件在弱光下的开路电压进行了测试和简单分析，PID效 应导致组件并联电阻降低后，将对弱光性能带来较大影响，不同PID程度的组件因其并联 电阻的不同，其弱光性能具有明显的差异性。根据户外测试结果，我们发现对于严重PID 组件（Rsh＜50Ω），轻微PID组件（50Ω＜Rsh＜100Ω）和轻微PID组件（Rsh＞ 100Ω），跟正常组件的Voc相比较，差值较为明显时的辐照值分别为464.38W/m2， 300W/m2和160W/m2。由于实际电站发生PID后，存在不同衰减程度的组件，因此在 现场PID组件排查时，可选轻微PID组件（Pm衰减5%-10%左右）和正常组件的Voc变 化明显时所对应的时间（或辐照度）作为参考测试时间（辐照度）。 四.参考文献 [1] Simon Koch, JulianeBerghold, ObinnaOkoroafor, Stefan Krauter and Paul Grunow, Encapsulation influence�onthe� potential induced degradation�of�crystalline silicon cells�with�selective emitter structures�Proc. ,�27th EU PVSEC,Hamburg. Germany 2012. [2]Koehl, M., Hoffmann, S., Effect of humidity and temperature on the potential-induced degradation,Progress In Photovoltaics: Research And Applications,2012. [3] Flicker J, Johnson J. Solar America Board for Codes and Standards [J]. 2013. [4] Wiles, John. 1996. Photovoltaic Power Systems and The National Electrical Code: Suggested Practices. SAND96-2797.Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM. [5]S. Pingel et al., Potential Induced Degradation of Solar Cells and Panels[R]. Honolulu, 35th IEEE PVSC, 2010. [6] F. Martínez-Moreno , E. Lorenzo , J. Mu oz , R. Parra , T.Espino,On-site tests for the detection of potential indeuced degradation in modules. [7]Christian Haase,.ChristophPodewils, Weak-light behavior counts, Photon International, April, 2011, pp.148 151. 表2 PID组件Voc电压拟合值 PID组件1 35.04 34.85 34.42 33.77 33.52 31.68 辐照度 （W/m 2 ） 299.95 250.08 199.58 160.45 149.72 100.48 PID组件2 33.96 33.43 32.27 30.69 30.12 26.71 PID组件3 31.12 30.02 28.48 26.82 26.25 22.84 PID组件5 26.55 24.76 22.51 20.29 19.58 15.53 正常组件1 35.36 35.27 35.24 35.23 35.22 35.00 PID组件1和正常组件1比较（V） 差值 0.31 0.42 0.82 1.46 1.70 3.32 Voc拟合值（V） 《SOLARZOOM光伏杂志》05/2014 21