PID效应(Potential Induced Degradation)又称电势诱导衰减,是光伏电站中一种常见问题,主要表现为存在于晶体硅光伏组件中的电路与其接地金属边框之间的高电压,造成电池组件的封装材料和其上表面及下表面的材料,电池片与其接地金属边框之间出现离子迁移,使开路电压的降低、输出功率大幅衰减,进而严重影响光伏电站发电量及电费收益。

图1 正常组件与pid问题组件IV曲线变化对比
PID现象及影响
电池组件的封装材料和其上表面及下表面的材料,电池片与其接地金属边框之间的高电压作用下出现离子迁移,而造成组件性能衰减的现象。近年来PID效应已经成为组件性能退化的主要原因之一,引发业内高度关注,由此引起的组件功率衰减有时甚至超过50%,并且该问题很难通过外观或一般的检测手段判断。目前已有越来越多的投入运行的光伏电站在投入运行三四年后发生效率的显著衰减,给业主造成了重大的损失。

图2 PID组件的EL测试结果
PID效应产生机理
目前,对于PID效应的产生机理,目前尚无严格定义,国际标准对于pid效应的判断标准也不尽相同,如IEC62804中最新测试条件为在-1000V电压60°C环境温度85%环境湿度环境下持续96小时,衰减小于5%即判定为该组件合格,而UL的测试的测试要求为-1000V,25°C,85%湿度的环境下,加铝箔覆盖168/336小时后衰减小于5%/10%。
则鸣新能源技术有限公司的团队成员自2014年起进行pid问题研究,从环境、系统、组件几方面进行分析,总结出衰减形成的因素,有助于解决并预防pid效应的产生。
1、 电池
电池片掺杂浓度:半导体掺杂浓度会影响p-n结的耗尽区宽度,实验表明,电池片掺杂浓度较高时,光伏电池能输出更高的电压和电流,因此为提高光伏电池的转换效率,但同时也容易引起衰减。
减反射层:PID现象和电池片表面的反射层有直接关系,提高反射层的折射率可以有效地降低PID现象的发生。通过实验证明,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。
2、 组件
光伏组件玻璃的主要成份为二氧化硅和纯碱(主要成分Na2O),在潮湿环境下,EVA水解产生醋酸,与玻璃发生化学反应产生Na+。当光伏组件正向偏压时,会导致带正电的载流子穿透玻璃,通过接地边框流向地面,光伏组件表面就会累积负电荷,这些负电荷会与空穴复合聚在组件表面,会吸引正电荷Na+聚集在玻璃表面,导致分层现象。

图3 PID问题的微观产生机理
3、 环境
我们知道环境温度变化会明显影响组件中离子的迁移速度。试验证明温度越高,出现PID问题的速度会越快,当然高温环境下修复PID问题的速度也会比较快(如下图)。图中可见当温度升高至85℃时,极为严重的PID问题也只需500小时即可完全修复。
类似的,湿度会影响PID问题的严重程度。特别是EVA层压工艺参数不佳时,EVA的水解会产生较为明显的PID问题。

图4 温度对pid效应的影响
4、 系统
通过测试表明,电压越高对组件的衰减影响越大(如下图),组件在正向偏压下PID影响相对于负偏压下影响很小,因此一种方法是使任意一块组件均处于正偏压。从系统上而言,可以采用串联组件的负极接地方式来降低PID影响;将逆变器直流侧接地,但是由于现在的逆变器技术因为无变压器的逆变器对直流、交流不能进行隔离,所以负极接地的方式通常不被采纳。

图5 光伏系统中电压对pid效应的影响

