光伏组件的PID效应和封装材料的关系

一、前言
随着光伏组件大规模使用一段时间后，特别是越来越多的投入运营的大型光伏电厂运营三四年后，业界对光伏组件的电位诱发衰减效应（PID，PotentialInducedDegradation）的关注越来越多。尽管尚无明确的由PID原因引发光伏电站在工作三、四年后发生大幅衰减的报道，但对一些电站工作几年后就发生明显衰减现象的原因的种种猜测使光伏行业对PID的原因和预防方法的讨论越来越多。一些国家和地区已逐步开始把抗PID作为组件的关键要求之一。很多日本用户明确要求把抗PID写入合同，并随机抽检。欧洲的买家也跃跃欲试提出同样的要求。此趋势也使得国内越来越多的光伏电站业主单位、光伏电池和组件厂、测试单位和材料供应商对PID的研究越来越深入。
其实早在2005年，Sunpower就发现晶硅型的背接触n型电池在组件中施加正高压后存在PID现象。2008年，Evergreen报道了PID出现在高负偏压下的正面连接p型电池组件中。在2010年，SolonSE报道在标准的单晶和多晶电池中都发现了极化效应。很快SolonSE和NREL就提出在负高偏压下使用任何工艺生产的P型电池标准组件都存在发生PID现象的极大风险。而CIGS组件的PID效应也有被报道。
二、PID的检测方式
PID测试有两种加速老化的方式：
1）在特定的温度、湿度下，在组件玻璃表面覆盖铝箔、铜箔或者湿布，在组件的输出端和表面覆盖物之间施加电压一定的时间。
2）在85%湿度85℃或者是60℃或85℃的环境下将-1000V直流电施加在组件输出端和铝框上96小时。
在两种方式测试前，都对组件进行功率、湿漏电测试并EL成像。老化结束后，再次进行功率、湿漏电测试并EL成像。将测试前后的结果进行比较，从而得出PID在设定条件下的发生情况。第一种方式比较多的用于实验机构，而后一种方式比较多的被光伏组件厂采用。当PID现象发生时，从EL成像可以看到部分电池片发黑。光伏组件在上述两种测试方式下表现出的的EL成像图是不同的。第一种方式条件下，发黑的电池片随机的分布在组件内，而在第二种方式中，电池片发黑的现象首先在靠近铝框处发生。
目前IEC尚没有出台有关实验室进行PID测试和评估的正式标准，但有一个工作文件，大致测试方式如下：
（1）取样：按IEC60410要求，从相同批次中抽取，2个组件。
（2）消除组件早期衰减效应，组件开路进行5-5.5Kwh/m2辐照。
（3）目测，按IEC61215章节7，IEC61730-2章节10.1.3。
（4）组件EL成像和最大功率测定。
（5）湿漏电流测试和接地连续性测试。
（6）60+/-2℃、85+/-5%，系统电压施加在组件输出端和铝框之间96小时。
（7）组件EL成像和最大功率测定、湿热电流测定。
（8）合格判定。
合格判定依据于：
（1）最大功率与初始值比，衰减不超过5%。
（2）没有目测不合格现象，按IEC61215章http://chengde.taolegu.cn/节7，IEC61730-2章节10.1.3。
（3）湿漏电流测试，符合IEC61215章节10.15。
（4）试验结束后组件功能完整。
要说明的是，越来越多的组件用户要求组件能通过85+/-2℃、湿度85+/-5%的测试。这个要求对组件厂而言是非常有挑战的，关键在于真正的量产，而不是做一两块可以通过双85测试的组件。
三、PID现象的原因
PID的真正原因到目前为止没有明确的定论，但各个光伏电池组件厂和研究机构的数据表明，PID与电池、玻璃、胶膜、温度、湿度和电压有关。
目前可以明确的是PID现象和电池片表面的反射层有关，提高反射层的折射率可以有效地降低PID现象的发生。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。而当折射率小于2.08后，组件很难通过PID测试。目前有不少的光伏电池厂在做针对电池和PID的关系的测试中也发现了类似的现象，所以改变折射率成为抗PID的手段之一。但改变电池减反层的折射率会改变电池生产成本和电池的发电效率，在不提高成本并且基本不改变效率的情况下做到抗PID对电池厂是一个非常大的难度。
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、MgO。而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。在有Q-Cell参与的PID研究中，非常明确的发现玻璃和胶膜对PID现象的发生有明确的关系。该实验特殊设计了六种非常规的组件，其中五种分别是将玻璃替换成石英玻璃或PVF薄膜、将EVA替换成其它封装材料、将玻璃-EVA-电池的紧密结合改成松散结合。结果发现这五种组件在老化后都没有PID现象。但要降低玻璃中钠离子的含量，成本非常高，可行性不大。选择合适的胶膜变得非常重要。
EVA和PVB封装的组件都被发现在湿热老化非常容易产生PID现象。选用测试方法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。

表1封装材料与PID
尽管在上述数据中硅胶表现很好,但在继续老化后，使用硅胶的组件从190小时开始衰减，并在240小时后衰减达到90%。有研究表明将封装更换成热塑性弹性体后，电池功率衰减的现象大幅度减小。但热塑性弹性体带来了另两个风险，即在实际使用中透光率的变化和蠕变。
2011年7月NREL发表文章报道在1000小时85℃85%的湿度-600V的老化后，在SiNx表面发现发现Na富集。SimonKoch[11]等提出http://cangzhou.taolegu.cn/认为PID现象和胶膜、电池表面的关系很大，并提出一个可能的假设：Na+在电压下从玻璃向电池片移动，正离子移动的速度受胶膜、温度、湿度和电压的影响，钠离子扩散进入电池起到供应原子的作用，在发射极Na离子富集，p-n结被中和，从而影响电池的光伏效应。可以确认光伏组件在玻璃、胶膜、电池确定时，测试后PID的程度受到温度、湿度和电压的影响。也有研究认为是正价离子(H2O)nH+而非金属离子才是PID现象的原因。
四、PID的解决方式
从目前的研究表明，PID可以从三个方面进行预防，分别是系统、组件和电池。
从系统上而言，可以采用串联组件的负极接地或是在晚间对组件和大地之间施加正电压。另一个可能的情况是，随着微逆变器的使用，系统电压降低，产生的PID效应是否可以忽略不计。以上的三个方案都带来额外的设备成本和效率的下降。
从组件而言，由于湿度是PID现象产生的因素之一，所以封装的方式也非常关键。一些组件厂在选择背板、硅胶方面提出了新的要求，以期降低水气进入组件的程度。在组件中替换玻璃是一个为达到抗PID的最佳选择，但成本太高几乎不可行。替换EVA是也选择之一，但新材料带来成本提高和使用中的持续风险。以POE为例，POE以碳-碳链为主链，有辛烯和丁烯，分子中有大量的支链，柔软而透明。但其熔点在50-70℃之间，为能使用在光伏组件中，不得不加入以直链分子为主的聚乙烯（PE）以提高熔融温度范围中的峰值到100℃以上。但PE的引入导致体系容易在交变的温度循环中逐渐结晶而使透明度缓慢下降。POE-PE的分子重排温度低于光伏组件的最高工作温度，在日夜交替的循环的温度变化下，透光率是否还能长期保持尚无实验数据的支持。另外蠕变也是一个令人担心的问题，即使加入PE使熔融温度的峰值提高到100℃以上，但其在80℃以下通过DSC仍然可以观察到有吸热现象，表明在光伏组件的使用温度范围中仍然有部分分子熔融或移动。在目前没有更好的选择的情况下，选择合适的EVA变得非常关键。但要指出的是目前除非对组件进行PID测试，尚无直接的测试方法可以判断哪种EVA可以减小PID效应。有文献建议使用电阻率的高低来判断EVA的优劣，但没有足够的实验数据支持。
电池本身毋庸置疑是最重要的抵抗PID的关键因素，可以考虑改变发射极和SiN减反层，但两个改进都带来发电效率的变化和额外设备的增加。
五、PID的形成和封装材料的关系
在不替换EVA和改变电池的情况下，是否可以通过EVA的改进而提高组件的抗PID效果？我们的研究结果是可能的、至少是部分可行的。
首先我们提出一个引起PID现象原因的假设，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http://langfang.taolegu.cn/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：
（1）水气进入组件
（2）水导致EVA水解产生醋酸
（3）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
（4）钠离子在电场的作用下移动到电池表面
基于以上的假设，我们认为通过原料的筛选和工艺的优化，使EVA中含有的醋酸含量降低可以减缓PID现象的发生。
一个最简单的方法是适当的降低EVA中VA的含量。我们发现使用低醋酸乙烯含量的EVA可以减缓PID现象的产生。合理的解释是低醋酸乙烯含量的EVA中可水解的酯基含量相对低，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。

图2PID老化后对比图

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
优化生产工艺也可以部分阻止PID现象发生。采用减反层折光指数是2.08的电池片，对使用同样配方的EVA胶膜D、F进行测试。E、F的差别只是改变生产工艺，D为使用优化生产工艺的EVA制成组件，F为使用未优化生产工艺的EVA制成的组件。除EVA外，光伏组件的其它部件完全一样。测试条http://hengshui.taolegu.cn/件为85%湿度65℃环境下施加-1000V电压老化96小时、192小时。

表3使用优化工艺的EVA作为封装材料的组件的PID测试结果
组件D，测试前、96小时老化后、192小时老化后。

组件F，测试前、96小时老化后、192小时老化后。

在不改变基本配方的情况下，筛选原料和优化原料的配比，也能大幅度改善组件抗PID的效果。同样采用减反层折光http://taiyuan.taolegu.cn/指数是2.08的电池片，G、H为筛选原料和优化原料配比后生产的EVA胶膜。测试条件为85%湿度65℃环境下施加-1000V电压老化96小时、192小时。

表4使用筛选原料优化配方的EVA作为封装材料的组件的PID测试结果
组件G，测试前、96小时老化后、192小时老化后。

组件H，测试前、96小时老化后、192小时老化后。

由以上现象可以看出，优化EVA生产工艺、筛选原料和优化原料的配比，可以提高EVA胶膜对组件抗PID的效果。
六、结论
PID现象作为光伏技术发展过程中出现的一个技术问题，是非常值得重视。由于影响到光伏组件的长期使用寿命，所以必须尽快解决。通过技术手段的改进，PID现象将不会成为阻碍光伏事业发展的障碍。通过解决PID问题，对光伏发电的可靠性的了解将更为彻底，由此将使光伏组件更为可靠，从而促进光伏产业更能健康长久的发展。