光伏组件PID问题知多少？

1引言

太阳能是未来具有广泛应用前景的新能源，近几年的研究表明，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，会造成组件的光伏性能的持续衰减，业内称之为电位诱导衰减（PID）。本文揭示PID形成机理并依据相关测试标准，在实验室再现了PID现象，探讨温度、湿度及电压等因素对组件PID效应的影响，从而为降低甚至避免组件PID效应提供支持。

2 PID的形成机理

PID效应现象最容易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，也与上述衰减现象发生有关。在实际的应用场合，晶体硅光伏组件的PID现象已经被观察到，基于其电池结构和其他构成组件的材料及设计型式的不同，PID现象可能是在其电路与金属接地边框存在电压偏置的条件下发生。

到目前为止，漏电流形成的机理实际上还不是十分的清楚。总体而言，由于封装材料对电池进行封装后所形成的绝缘系统对于上述漏电流而言是不完善的，同时推测来自于钠钙玻璃的金属离子是形成上述具有PID效应的漏电流的主要载流介质（如图1）。

图1漏电流路径

3实验室再现

本中心进行PID主要方式有两种：一种是高温高湿环境下给组件内部电路和边框施加负电压，另一种是将玻璃表面覆盖铜箔置于高温环境中并给组件内部电路和边框施加负电压，覆盖铜箔可以提供相对高湿环境更良好的导电介质，加速PID效应。本文试验中使用的均是P型晶硅组件，故施加的偏置电压均为负电压。

试验设备：电压源、数据采集仪、定值电阻、环境箱。

3.1将组件A表面覆盖铜箔至边框，将组件A的正负极引出端短接后接到电压源的负极，电压源的正极连接到组件的接地孔，利用环境箱加热组件至75℃，并通过电压源施加负压1000V至组件内部电路和边框上持续19小时后试验停止，组件功率变化如表1：

由表中数据得出A组件在PID19h后功率衰减为54.44%，衰减相当严重，由此可见PID效应对组件功率的输出影响很大，试验过程中通过引入定值电阻监控PID漏电流曲线如图2所示：

3.2将经过PID试验后组件如3.1步骤连接，此时更改电压源输出为+1000V，持续3h后试验停止，组件功率变化如表2：

由表2可以得出PID效应是可以恢复的，组件功率升高了98.8W，实现了功率的部分恢复，恢复过程漏电流曲线如图3所示：

试验前后对组件EL图像进行追踪，如图4所示：

由上图可发现，组件在PID测试后EL图像出现较大面积的暗片，组件的串联电阻增大，并联电阻减小，填充因子降低；在恢复试验后暗片消失，组件的串联电阻减小，并联电阻增大，填充因子升高。上述现象能反应电池片少子的分布情况，暗片部位少子跃迁机率降低，而电致发光强度随少子的扩散长度的增加而增加，所以EL图像变化与外界偏压的改变导致少子扩散长度的变化有关。

4偏置电压对PID效应的影响

选取相同批次、相同材料的3件组件（X、Y、Z），组件玻璃面无铜箔覆盖，组件按3.1步骤进行连接，在60℃85%RH环境中分别施加500V、1000V、1500V的偏压1.5小时后测试组件功率，组件功率变化如表3所示：

测试过程中漏电流监控曲线如图5：

图5漏电流曲线

由图5可得出，漏电流随着偏置电压的升高而增大，Z组件功率衰减了14.2%，X、Y组件功率并没有明显的变化。

5温度对PID效应的影响

选取相同批次、相同材料的4件组件(B、C、D、E)，B、C、D组件玻璃面均用铜箔覆盖至边框，组件按3.1步骤进行连接，分别在35℃、60℃、85℃环境中施加负压1000V1小时后，测试组件功率及拍EL图片，然后再进行2小时相同的试验；E组件玻璃面不覆盖铜箔，组件按3.1步骤进行连接，在85℃环境中（无湿度控制）施加负压1000V4小时，组件功率变化如表4所示：

测试过程中漏电流监控曲线如图6：

图6漏电流曲线

由图6可得出，单一组件温度由常温升到设定温度时，漏电流值不断增大；组件设定温度由35℃升高到85℃时，对应的漏电流值也不断增大；漏电流随着试验的进行并不会无限制的增大，在组件温度趋于稳定时也慢慢平稳；E组件和D组件相比说明了铜箔的作用是非常明显的，高湿表面或含良好导电介质的表面PID效应会比干燥的玻璃表面强很多，另外从E组件和D组件漏电流曲线和功率情况衰减来看，我们可以推测玻璃在形成漏电流回路中起着重要的作用。

试验前后对B、C、D组件EL图像进行追踪，如图7所示：

图7组件EL变化图

6湿度对PID效应的影响

选取相同批次、相同材料的3件组件（F、G、H），组件玻璃面无铜箔覆盖，组件按3.1步骤进行连接，分别在30℃35%RH、30℃60%RH、30℃85%RH环境中施加负压1000V1小时后测试组件功率，其功率变化如表5：

测试过程中漏电流监控曲线如图8：

图8漏电流曲线

由图8可得出，3件组件在第1小时内组件的漏电流随湿度的升高而增大，但由于温度较低功率几乎没变；H组件在30℃85%RH下经历了66小时的试验后功率衰减了30.3%，可以推测在相同组件温度下，较低湿度的情况下功率衰减需要更长的时间；结合温度对PID的影响来看，高温高湿环境组件的PID效应更剧烈。

7边框对PID效应的影响

试验选取4件相同批次、相同材料的双玻组件（无金属边框）进行PID测试，测试分别按以下方式进行：

L组件：组件背面中间贴40cm*20cm的铜箔，组件短接后连到电压源的负极，正极用夹子接触铜箔；

M组件：组件背面中间贴40cm*20cm的铜箔，正面全覆盖铜箔至距离边缘1cm处，组件短接后连到电压源的负极，正极用夹子接触40cm*20cm的铜箔；

N组件：组件背面中间贴40cm*20cm的铜箔，正面全覆盖铜箔至背面2cm，类似形成铜箔边框，组件短接后连到电压源的负极，正极用夹子接触40cm*20cm的铜箔；

P组件：组件正面全覆盖铜箔至背面2cm，类似形成铜箔边框，组件短接后连到电压源的负极，正极用夹子接触铜箔边框；

每一件组件测试时都保持在75℃环境下，持续施加4小时的偏压1000V，监控漏电流曲线如图9所示：

图9漏电流曲线

试验后进行功率测试，L、M、N组件测试前后功率波动在1%以内，只有P组件衰减了14.54%，对比P组件前后EL图片如图10：

图10组件EL变化图

由L、M、N组件漏电流不断增大可认为组件表面贴铜箔、装金属边框都提高了漏电回路的导通性，铜箔和金属边框都是良好的电导体，降低了漏电回路的电阻值；P组件正极用夹子接触铜箔边框，相比N组件减小了铜箔边框至40cm*20cm的铜箔的电阻值，从而导致漏电流升高明显，引起了组件功率的衰减。无金属边框的组件很难形成外电路与内部电池之间的漏电回路，即使形成漏电回路可能效应也是十分微弱的，因此我们推断无金属边框组件具有一定的抗PID特性。

8结论与展望

本文通过实验室模拟组件外界使用环境，重现了组件的PID效应。大自然气候变化多端，组件的PID效应随着温度，湿度，偏压的升高会不断增强、输出功率会随之下降，这显然不是我们所希望见到的，但是PID效应对组件功率输出并不是毁灭性的，在特定条件下是可以恢复的。通过本文的研究，从组件层面上降低PID效应，我们需要增加外部电路与内部电池片间的绝缘电阻，减小漏电流，或许选用良好绝缘性能的封装材料是不错的选择，另外无边框的双波组件在试验中体现了一定的抗PID特性，因此边框也是解决PID效应的一个考虑因素；但是从组件层面上解决问题是不完善的，组件很大范围都是在电站中使用，这就要求组件在电站中使用时如何避免引起PID效应的偏压的出现。在室外进行组件PID试验也是以后研究的一个方向，可以更真实的体现组件在户外PID效应的情况。任重而道远，笔者相信在业界同仁的一起努力下PID效应很快会得到彻底解决。

参考文献

[1] IEC 82_685_NP System voltage durability test for crystalline silicon modules-Qualification and type approval

[2] J.Berghold Potential Induced Degradation of solar cells and panels

[3] J.A.del Cueto Analysis of Leakage Currents in Photovoltaic Modules under High-Voltage Bias in the field