摘要：相比于传统发电方式而言，光伏发电具有更高的环保性与效益性，与之对应的光伏电站数量持续增加，带来了系统电压的显著上升，进而在很大程度上影响光伏组件的综合性能。其中，PID效应在多数光伏电站中普遍存在，它是影响组件功率的主要因素。对此，本文则以PID效应为研究对象，从其发生机理出发，综合围绕温度、湿度等因素展开分析；论述了PID效应所对应的测试机制；最后从工艺、材料等角度展开分析，提出具有针对性的预防机制。
关键词：光伏电站；PID效应；改善方法
纵观整个光伏行业，所需要攻克的难题较多，其中又以PID效应问题最为突出；它对组件电性能造成严重影响，使组件开路电压下降，进而降低光伏电站的实际发电量，这也随之凸显了与之对应的预防与消除机制的重要性，显然已经是当下行业内研究的热门话题。
1. PID效应的产生机理
对于并网光伏系统而言，随着光伏阵列对应的最大功率跟踪电压的不同，其对应的输出端大小以及正负均会发生变化，此外诸如电网电压等均会对输出端造成影响。在所有组件中，与逆变器距离最近的将会承受最大系统电压，具体可参见下图：
图2 光伏阵列输出端对地电压示意图
水汽具有较强的渗透能力，可以经由封边硅胶等结构由外界进入组件内，而后EVA键结构被迫分解，并形成大量的醋酸。具有高度自由性的醋酸会与玻璃表面的碱性物质相遇，进而形成Na+，并伴有少量Ca+与 Fe+。
由于Na+可以进行自由的移动，因此在系统电压的作用下最终移动至金属边框，随之形成漏电流。此时Na+将普遍存留在电池片表面，其中以减反射膜层的密集程度最大，以此形成钝化效应，导致组件出现短路等现象，最终影响组件输出功率，其整个流程可参见图3。
图3 组件截而漏电流路径
由于PID效应具有可逆性，因此伴随着水汽的减少，醋酸根将会与EVA中的乙烯醇发生化学反应，随之生成酷键并不具有移动性，此时酸根的减少将会使得Na+无法发生移动。组件内部的导电离子数量随之减少，组件性能随之得到一定程度恢复。
2.影响组件PID效应的因素
从组件内部结构考虑，内部方块电阻不均匀现象将会催生PID效应。此外，减反射层厚度的不同对PID现象也具有一定的影响机制。从实验数据可知，当减反射层对应的Si/N比率处于较高水平时，所出现PID效应的可能性小。
从系统角度考虑，光伏系统接地方式多种多样，因此各方式所带来的偏压类型也不尽相同。随着偏置电压的逐步上升，载流子运动速度加快，此时表现出明显的漏电流现象，进而提升PID效应；当表现为负偏压特性时，基于电压增大的影响，PID效应的随之突显；在正偏压状态下，PID现象有所减弱。
从环境角度考虑，随着温度的升高，将会在很大程度上致使半导体反向饱和电流密度的上升，进而表现出明显漏电流现象。随着湿度的增加，Na+产生速度快，组件PID效应明显。
3. PID效应解决方案
3.1封装材料
组件封装材料主要包括背板、EVA、玻璃，目前玻璃里面的钠离子被认为是PID问题产生的诱因，背板透水率也被认为对PID有一定的影响，但是在行业内普遍应用的玻璃、背板材料都难以解决PID问题，所以本文所描述的封装材料主要是指EVA以及与EVA类似的高分子材料比如聚烯烃、离子膜等。
使用不同封装材料组件的抗PID性能差异很大，对于常规折射率（2.06）电池而言，普通EVA封装的组件衰减很大，96 h时超过了50%，而对于抗PID的EVA，使用普通电池折射率也很难保证96 h衰减小于5%，考虑测试温度的影响，单靠EVA封装材料不能解决组件PID衰减的问题。
如果将电池折射率控制在2.10以上，再配合抗PID的EVA组件，衰减得到了很好的控制，测试的4块组件经过96 h测试后的衰减小于5%。在不同的封装材料中，由于聚烯烃具有独特的分子结构及材料体系，使得其具有良好的抗PID性能。聚烯烃材料目前主要有两类：一是不具有交联体系的热塑性聚烯烃材料；二是具有交联体系的热固性聚烯烃材料。这2种材料除了有交联体系的区别之外，其抗PID性能在匹配电池后效果都非常好，能够稳定控制PID，极限条件（85°温度，85%的相对湿度，1 000 V电压、1 000 h）的测试功率衰减在5%以内。聚烯烃在抗PID性能方面非常优异，与EVA相比聚烯烃材料具有很多优势，比如良好的抗老化性能和抗紫外性能。但是其在户外长期可靠运行是否会有其他问题发生则需要时间验证，尤其是热塑性聚烯烃，由于没有交联体系，组件在户外综合老化的使用条件下存在脱层的风险。
对于生产工艺而言，由于聚烯烃熔融指数较EVA低，EVA为80℃，聚烯烃为60℃，因此其在层压过程中容易产生气泡。近几年虽然研究人员加大了对聚烯烃的研发力度，很多物理参数也己经非常接近EVA，相信聚烯烃的使用量将会越来越大。
3.2电池表面镀膜工艺
随着折射率的提高，组件的抗PID性能明显提高，如果继续提高电池折射率，组件抗PID的效果会更好，如果折射率达到2.2以上，组件即使用普通EVA封装材料，其抗PID性能也能够达到较好的效果，但是如果折射率太高，电池效率会下降，所以单纯提高电池折射率解决PID问题的方法没有被大范围应用。此外，从电池结构考虑，在进行电池减反射膜处理前，在硅片表面增加1层二氧化硅的膜或叠层氮化硅的薄膜，使电池具有良好的抗PID性能，这2种技术工艺实现较为简单且几乎不增加电池的成本，因此被广泛应用。氧化硅膜层实现的方式主要有以下2种：一是采用臭氧工艺，即通过臭氧发生器在硅片表面形成几个纳米的二氧化硅膜层；二是通过一氧化氮工艺在电池表面形成二氧化硅膜层。SIO2在电池表面形成致密的抗PID氧化硅薄膜；SINX：H通过PECVD沉积多叠层的SiNX，H形成多减反射钝化薄膜，采用叠层氮化硅工艺是为了既保证电池良好的抗PID效果，又保证电池较好的减反射效果。
3.3接地系统
尽管PID问题产生的根源在电池，但是解决的途径既可以通过电池、组件封装材料的改进来解决，也可以从组件方阵系统加以避免。常规电站目前有3种接地方式（直流侧）：一是正极接地；二是悬浮接地，即正、负极不接地；三是负极接地。
不同系统接地方式对组件发生PID的影响很大，主要是不同的接地方式可能会在组件正面形成不同作用方向的电场，从而产生促使或抑制玻璃中的钠离子向电池PN结迁移的效果。当铝边框正极接地时，若组件的玻璃表面有湿气，则会在组件表面形成一个带正电荷的水膜，这个带电水膜就会形成一个正电场，此时玻璃表面带正电荷钠离子在电场作用下通过EVA向电池方向迁移，从而发生PID现象。如果采取铝边框和方阵负极接地的方式，则带电水膜的电场方向正好相反，从而抑制了钠离子向电池方向迁移，达到避免PID现象发生的目的。
4.结论
近几年的研究表明，PID问题出现比较频繁，严重影响了组件产品质量以及客户的收益，各个企业以及研究机构投入了很多精力加以研究和解决。目前主流技术还停留在电池和组件封装材料层面，由于涉及到标准及安全、设计等方面的问题，系统负极接地方式还没有被广泛应用，只是应用在己经发生PID问题的电站。通过实际验证，电站负极接地改造己取得了良好效果。随着对此问题的深入认识，相信负极接地会逐渐被业界认可和采纳。
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论文作者:孟伟芳
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/10/18
标签：组件论文; 电池论文; 效应论文; 材料论文; 光伏论文; 电压论文; 性能论文; 《基层建设》2019年第18期论文;