【刘博士原创】热词“PID效应”，你怎么理解？

PID现在是光伏界的流行词，很多人常常提起。然而，PID产生的原因是什么，应该如何避免呢？
 

1什么是PID？
 

PID的英文全称是：Potential Induced Degradation，即电势诱导衰减。
 

2005年美国SunPower公司首次发现并提出PID效应，自此，光伏界同仁开始关注PID的研究和讨论；近年来，随着光伏应用的大规模铺开，PID频繁进入大家的视线，我们对它的研究也逐步深入。
 

相对于研究文献中对PID复杂难懂的解释，本文试图通过通俗的表述，使大家对PID的产生及相应的解决办法有一个直观的理解。
 

2PID效应的产生原因？

1) 最早的原因解释

SunPower公司于2005年最先发现PID效应时提出：
组件串联后可形成较高的系统电压（以美国为代表的600V，以欧洲为代表的1000V），组件长期在高电压工作，在盖板玻璃、封装材料、边框之间存在漏电流，大量电荷聚集在电池片表面，使得电池片表面的钝化效果恶化，导致填充因子（FF）、短路电流（Isc）、开路电压（Voc）降低，使组件性能低于设计标准。SunPower称此现象为表面极化效应，但此衰减是可逆的。
 

上述研究思路和结论被后来诸多研究者所引用， 再详细解释一下。
 

下图为SunPower电池的结构示意图。

多个（例如现在常用的是22个）光伏组件串联之后，处于组串末端的光伏组件的工作电压会比较高（400V~900 V之间），且组件边框一般都是接地的（电压为0V）。因此，高压组件的电池片和地面之间有可能会形成电流，此电流称为漏电流。
 

然而，电池片和地面之间还隔着EVA和玻璃。一般情况下这两种材料是不导电的（或者其导电性非常差），但电池片电压较高时，也会有很小的电流从电池流向地面（如图一的步骤1所示），其大小在微安量级；
 

封装材料流向地面的漏电流形成后，在电池减反膜（ARC）表面（如图一中2所示）留下了负离子（也可以看成一定数量的电子从地面流到电池的减反膜表面），造成了负电荷的积累；负电荷积累之后，将会吸引pn结中的一部分空穴（带正电）。
根据光伏效应的原理，空穴应该流向电池的p区（正极），所以部分空穴被吸引后，电池将不能达到设计的功率输出，太阳电池的填充因子（FF）、短路电流（Isc）和开路电压（Voc）降低，组件性能低于设计标准值。
 

2)第二种原因解释

组件在受到负偏压时，由漏电流阳极离子（一般为Na离子）流入电池片（如图二所示），降低电池的并联电阻。即，半导体内出现了杂质，这些杂质会形成电池内部的导电通道，降低了组件的电流输出。

3) 第三种原因解释
 

光伏组件的边缘部分容易有水气进入， EVA发生水解后会生成醋酸，醋酸和玻璃中的Na反应，可以生成大量的自由移动的Na离子，会与电池片表面的银栅线发生反应，从而腐蚀电池栅线，导致串联电阻的升高，导致组件性能衰减，此类衰减不可恢复（如图三所示）。

4）PID形成原因小结

关于光伏系统中产生的PID效应的完整机理仍有待研究，但可以比较确定的是：
 

单个电池片或组件的电压比较低，但多个组件串联之后，形成了较高的电压，经过长时间的作用，产生了两类意外的问题：
 

1）原PN结电场情况改变，或存在其它的电流通道，造成实际流过PN结的光生电流减小；
 

2）器件受到离子迁移的影响，材料性能发生了不可恢复的变化，和原始制造出的组件相比，输出功率变小。
 

PID也说明了单个产品和由多个产品构成的系统之间性能的巨大差异。
 

3如何减缓或避免PID效应

1、组件接地
如果给组件施加负偏压（电池片电压相对边框为负值），则可以把上述积累的负电荷排出到地面上，电池性能得到恢复，这就是电池性能可恢复的极化效应。
基于上述分析，在组件进行串联使用时，为了避免极化效应，SunPower提出n型前表面太阳电池的组件采取正极接地，p型前表面电池的组件采用负极接地。
 

2、增强组件的绝缘和防水性能，减小漏电流： 例如采用稳定性能更好的封装材料，不使用金属边框，增加电池的体电阻，改进钝化膜的厚度和特性，在器件中增加阻挡层等；
 

3、杜绝离子产生的源头：采用石英玻璃，低钠玻璃等
 

4、降低组串电压
 

小规模项目可考虑使用微型逆变器，降低组串电压。
 

4设想和建议

尽管可分别从电池、组件和系统端减弱或避免PID，但PID效应的影响最终还是体现在电池片上。因此，建议电池厂家对产品进行更全方位的研究，上下游结合，整体考虑性价比高的解决方案。比如，系统集成商如果采用负极接地，则需要使用带隔离变压器的逆变器，采用这种逆变器首先成本高，其次效率也会降低，造成整体系统的PR（系统效率）值降低，这是大家不愿意看到的结果，因此建议由组件厂家为终端客户提供建议方案。
 

进行组件PID测试时，除了验证新产品之外，还建议定期从系统现场取部分样品进行检验，这样才能清楚地了解组件实际使用时的情况。此外，建议根据不同的使用场合，例如风沙大的地区，高温高湿地区，海岛高腐蚀性地区等，制备不同标准的产品，而并不一定非要采用性能最好的原材料。因此，建议电池（组件）厂家在保证安全、可靠的基础上，综合考虑性价比。

文章作者：刘松民