Study on the Potential Induced Degradation of Monocrystalline Silicon Photovoltaic Modules
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摘要:
采用单晶硅电池制备两块实验组件A和B，在高温高湿高偏压的条件下进行电势诱导衰减实验。电致发光（EL）缺陷图显示，随着测试进行，两块组件都出现了微裂、断栅等电池缺陷；伏安（IV）性能测试结果显示，电势诱导衰减测试192 h后，实验组件A和B最大功率衰减分别为19.34%和11.02%，表明实验组件在高温高湿高偏压的环境下产生漏电流，导致Na+由玻璃向电池迁移，从而影响电池的性能，这也是实验组件性能发生衰减的主要原因。
Abstract:Two experimental modules A and B are prepared by monocrystalline silicon cells, and the potential-induced degradation (PID) tests are carried out on the two experimental modules under the conditions of high temperature, high humidity and high bias voltage. The electroluminescence (EL) defect diagram of the modules show that the two modules appear the micro-cracks, broken grid and other defects with the progress of the test. The volt ampere (IV) characteristic performance results show that the degradation of the maximum power of modules A and B are 19.34% and 11.02% respectively after 192 h. The analysis results show that the leakage current of the modules is generated under the environment of high temperature, high humidity and high bias voltage, which leads to the migration of Na+ from the glass to the cells and affects the performance of the cells, which is the main reason for the performance degradation of the modules.
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开放科学(资源服务)标识码(OSID):
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0. 引言
在全球能源短缺且愈加昂贵的背景下，中国电力正朝着高质量与绿色低碳方向发展。光伏发电是未来新能源的重要发展对象之一，也是下一代电力的重要组成部分[1-2]。为满足超高压光伏并网系统电压需求，通常需要将一定数量的光伏组件进行串联提高输出电压[3]。另一方面，光伏组件往往依靠铝合金边框固定并接地处理。这些户外光伏组件受电站系统和多变的环境影响，容易出现发电效率下降，组件功能失效、衰退等现象，其中电势诱导衰减(PID效应)对组件功率的衰减影响较大，PID效应是指光伏组件在系统的高压作用下发生输出性能衰减的现象。在实际应用中，水气是发生PID效应的关键因素，较多的水气很容易透过组件缝隙或者背板渗透进光伏电池内部。由于光伏系统实时环境温度及接地方式不同[4]，因此在高压作用下易产生由电池和封装材料与铝合金边框及接地端之间的漏电流[5]。有研究表明，产生PID效应的机制是组件正面玻璃中金属阳离子(以Na+为主)在高电势作用下迁移到电池的表面，导致电池表面镀膜遭到破坏、污染电池表面及内部、腐蚀栅线等副作用，产生的漏电流经过pn结，削弱pn结光生电流作用，最终导致光伏组件的发电性能大幅衰减[6-7]。PID效应发生过程大多是物理反应，与电池镀膜工艺、封装材料和系统接地3个因素密不可分[8]。封装材料中乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)胶膜的高分子基团遇水发生水解是可逆反应，因此通过把实验条件的负偏压改为正向偏压进行PID修复实验，光伏组件的发电性能会得到一定程度的恢复, 但是这种衰减类似于组件的老化依然不能完全消除[9]。另一方面，出现PID效应后，光伏系统有可能发生串联失配问题，极大地影响光伏系统发电效率。因此预防PID效应的主要方法集中在使用不含或含有极少Na+工艺的封装玻璃，或使用抗PID效应的EVA胶膜、改变光伏阵列边框接地方式等[10-11]。
本文针对高效组件的PID效应设计了实验组件A和B，对两个实验组件进行PID测试，并研究了PID测试前后组件性能变化及缺陷模式，对引起PID效应的根本原因进行了分析。
0. 引言
在全球能源短缺且愈加昂贵的背景下，中国电力正朝着高质量与绿色低碳方向发展。光伏发电是未来新能源的重要发展对象之一，也是下一代电力的重要组成部分[1-2]。为满足超高压光伏并网系统电压需求，通常需要将一定数量的光伏组件进行串联提高输出电压[3]。另一方面，光伏组件往往依靠铝合金边框固定并接地处理。这些户外光伏组件受电站系统和多变的环境影响，容易出现发电效率下降，组件功能失效、衰退等现象，其中电势诱导衰减(PID效应)对组件功率的衰减影响较大，PID效应是指光伏组件在系统的高压作用下发生输出性能衰减的现象。在实际应用中，水气是发生PID效应的关键因素，较多的水气很容易透过组件缝隙或者背板渗透进光伏电池内部。由于光伏系统实时环境温度及接地方式不同[4]，因此在高压作用下易产生由电池和封装材料与铝合金边框及接地端之间的漏电流[5]。有研究表明，产生PID效应的机制是组件正面玻璃中金属阳离子(以Na+为主)在高电势作用下迁移到电池的表面，导致电池表面镀膜遭到破坏、污染电池表面及内部、腐蚀栅线等副作用，产生的漏电流经过pn结，削弱pn结光生电流作用，最终导致光伏组件的发电性能大幅衰减[6-7]。PID效应发生过程大多是物理反应，与电池镀膜工艺、封装材料和系统接地3个因素密不可分[8]。封装材料中乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)胶膜的高分子基团遇水发生水解是可逆反应，因此通过把实验条件的负偏压改为正向偏压进行PID修复实验，光伏组件的发电性能会得到一定程度的恢复, 但是这种衰减类似于组件的老化依然不能完全消除[9]。另一方面，出现PID效应后，光伏系统有可能发生串联失配问题，极大地影响光伏系统发电效率。因此预防PID效应的主要方法集中在使用不含或含有极少Na+工艺的封装玻璃，或使用抗PID效应的EVA胶膜、改变光伏阵列边框接地方式等[10-11]。
本文针对高效组件的PID效应设计了实验组件A和B，对两个实验组件进行PID测试，并研究了PID测试前后组件性能变化及缺陷模式，对引起PID效应的根本原因进行了分析。
1. 实验部分
1. 实验部分
1.1 实验组件制备
采用4片单晶硅电池，依次进行单焊、串焊，并按照从下到上依次为背板-EVA胶膜-单晶硅电池片-EVA胶膜-钢化玻璃的顺序进行叠层，如图 1所示。
接着，采用层压机进行层压处理，层压工艺为：温度140 ℃，抽真空时间6 min，层压时间8 min。层压之后检查外观，确保无外观缺陷后四周加上铝边框，最后安装接线盒。其中，实验组件A采用的单晶硅电池电极为常规银浆，实验组件B采用的单晶硅电池电极是抗PID银浆。制备完好的实验组件如图 2所示。
1.1 实验组件制备
采用4片单晶硅电池，依次进行单焊、串焊，并按照从下到上依次为背板-EVA胶膜-单晶硅电池片-EVA胶膜-钢化玻璃的顺序进行叠层，如图 1所示。
接着，采用层压机进行层压处理，层压工艺为：温度140 ℃，抽真空时间6 min，层压时间8 min。层压之后检查外观，确保无外观缺陷后四周加上铝边框，最后安装接线盒。其中，实验组件A采用的单晶硅电池电极为常规银浆，实验组件B采用的单晶硅电池电极是抗PID银浆。制备完好的实验组件如图 2所示。
1.2 实验方法
本研究中，PID测试在环境箱中进行，测试条件为温度85 ℃、相对湿度85%，测试时间为192 h。对实验组件施加反向偏压1000 V直流电压，组件铝边框连接电源正极，组件的两个输出端口进行短接，并一同连接到电源负极。连接方法如图 3所示[12]。
1.2 实验方法
本研究中，PID测试在环境箱中进行，测试条件为温度85 ℃、相对湿度85%，测试时间为192 h。对实验组件施加反向偏压1000 V直流电压，组件铝边框连接电源正极，组件的两个输出端口进行短接，并一同连接到电源负极。连接方法如图 3所示[12]。
2. 结果与讨论
PID实验前，对实验组件A和B进行电致发光(EL)和伏安(IV)性能测试，实验进行96 h及192 h时，分别再次进行EL和IV测试。采用光伏组件最大功率测试仪，在温度25 ℃、AM1.5、辐照度1000 W/m2条件下进行IV性能测试，采用电致发光缺陷测试仪进行EL测试。
2. 结果与讨论
PID实验前，对实验组件A和B进行电致发光(EL)和伏安(IV)性能测试，实验进行96 h及192 h时，分别再次进行EL和IV测试。采用光伏组件最大功率测试仪，在温度25 ℃、AM1.5、辐照度1000 W/m2条件下进行IV性能测试，采用电致发光缺陷测试仪进行EL测试。
2.1 EL分析
图 4为PID测试前后实验组件A和B的EL图像。根据图 4可以观察到，组件A由于手工焊接，导致电池出现少量微裂，但是不影响实验结果。从PID实验后的EL图可以看到，随着实验的进行，组件A和B不同区域的电池亮度有一定的差异。由此可知，EL测试时，在外加电压下，电源从电池的扩散区注入大量的非平衡载流子，与电池内的非平衡少数载流子进行复合发光，电池在任一位置发光强度取决于该位置存活的大量非平衡载流子数目。而在PID测试时，在高温高湿严苛而复杂的环境条件下，Na+会迁移到电池片表面和pn结的不同部位，Na+迁移的程度不同，造成大量非平衡载流子和非平衡少数载流子复合发光程度不同，最终EL图像呈现出不同的明暗程度。颜色越暗，说明电池的性能衰减越严重。从图 4可以看出，组件A的电池多处呈现出较暗的明亮度，组件B的电池边缘位置明显偏暗。
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图 4 PID实验前后实验组件的EL图像(a)组件A；(b)组件BFigure 4. EL images of the modules before and after the PID test(a) module A; (b) module B2.1 EL分析
图 4为PID测试前后实验组件A和B的EL图像。根据图 4可以观察到，组件A由于手工焊接，导致电池出现少量微裂，但是不影响实验结果。从PID实验后的EL图可以看到，随着实验的进行，组件A和B不同区域的电池亮度有一定的差异。由此可知，EL测试时，在外加电压下，电源从电池的扩散区注入大量的非平衡载流子，与电池内的非平衡少数载流子进行复合发光，电池在任一位置发光强度取决于该位置存活的大量非平衡载流子数目。而在PID测试时，在高温高湿严苛而复杂的环境条件下，Na+会迁移到电池片表面和pn结的不同部位，Na+迁移的程度不同，造成大量非平衡载流子和非平衡少数载流子复合发光程度不同，最终EL图像呈现出不同的明暗程度。颜色越暗，说明电池的性能衰减越严重。从图 4可以看出，组件A的电池多处呈现出较暗的明亮度，组件B的电池边缘位置明显偏暗。
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图 4 PID实验前后实验组件的EL图像(a)组件A；(b)组件BFigure 4. EL images of the modules before and after the PID test(a) module A; (b) module B2.2 IV分析
通过实验组件的IV特性进一步分析其性能衰减。表 1为PID实验前后两块实验组件的IV参数。由IV参数可以看出，组件A在PID测试96 h时组件最大功率(Pm)和开路电压(Voc)就出现了明显衰减，其中Pm衰减了19.34%，Voc衰减了23.08%。而组件B在PID测试192 h后，Voc才开始明显衰减，衰减值为5.01%, 而Pm衰减了11.02%。
表 1 PID实验组件A和B的IV参数Table 1. IV parameter for the PID module A and B组件 时间/h Voc/V Isc/A Pm/W Vm/V Im/A A 0 2.574 9.940 14.121 1.733 8.149 96 2.296 9.844 12.705 1.556 8.166 192 1.980 9.521 11.390 1.428 7.974 B 0 1.996 10.562 14.078 1.465 9.607 96 1.998 10.341 13.748 1.466 9.378 192 1.896 10.271 12.526 1.371 9.138 注：Isc为短路电流，Vm为最大功率点电压，Im为最大功率点电流 图 5是组件A和B在PID测试前后的IV参数变化图。从图 5(a)可以看出, 组件A在PID测试后其开路电压和最大功率衰减趋势一致。经过相关性分析可以得出, 组件A的最大输出功率衰减的主要原因来自开路电压的下降。
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图 5 PID测试前后实验组件的IV参数变化(a)组件A；(b)组件BFigure 5. The IV parameter change of the modules before and after PID test(a) module A; (b) module B由图 5(b)可以看出，组件B在PID 96 h测试后，最大功率衰减与组件A相比较小。根据其EL可知，PID测试后其电池缺陷不明显，这是其最大功率衰减较小的原因之一。PID测试192 h后，最大功率衰减加剧。组件A和组件B的衰减说明电池缺陷会加剧PID效应。
为了进一步分析实验组件PID测试后衰减机理，针对实验前后组件的串联电阻和并联电阻进行了研究，结果如表 2所示。
表 2 实验组件的Rs和RshTable 2. Rs and Rsh of modulesPID实验时间/h 组件A 组件B Rs/Ω Rsh/Ω Rs/Ω Rsh/Ω 0 0.067 2.650 0.039 82.883 96 0.059 2.686 0.038 75.215 192 0.047 2.477 0.037 35.844 对于光伏组件而言，低的串联电阻(Rs)和高的并联电阻(Rsh)可以提升组件的发电效率。192 h PID实验后，组件A的Rs降低29.85%，Rsh降低6.53%。而组件B的Rs降低5.13%，Rsh降低56.70%。光伏组件的Rs损失来源于半导体材料体积电阻、表面电阻、金属导体的接触与互连等，并联电阻是由于硅片边缘不清洁或内部缺陷引起的旁漏电阻。在PID实验中，随着实验的进行，Na+在高温高湿和高电压环境下，会通过封装材料扩散至电池表面甚至内部，硅片被Na+污染，电池表面涂层和栅线附近容易遭到污染及腐蚀，电池内部由于金属离子的扩散，容易产生漏电流。实验组件的Rsh降低说明发生了漏电现象，而Rs因为杂质离子的扩散而升高，Rsh的降低导致Voc降低，最终导致最大功率衰减。由于Rs较小，Rsh无法忽略，因此Rsh对组件功率衰减影响更大。
2.2 IV分析
通过实验组件的IV特性进一步分析其性能衰减。表 1为PID实验前后两块实验组件的IV参数。由IV参数可以看出，组件A在PID测试96 h时组件最大功率(Pm)和开路电压(Voc)就出现了明显衰减，其中Pm衰减了19.34%，Voc衰减了23.08%。而组件B在PID测试192 h后，Voc才开始明显衰减，衰减值为5.01%, 而Pm衰减了11.02%。
表 1 PID实验组件A和B的IV参数Table 1. IV parameter for the PID module A and B组件 时间/h Voc/V Isc/A Pm/W Vm/V Im/A A 0 2.574 9.940 14.121 1.733 8.149 96 2.296 9.844 12.705 1.556 8.166 192 1.980 9.521 11.390 1.428 7.974 B 0 1.996 10.562 14.078 1.465 9.607 96 1.998 10.341 13.748 1.466 9.378 192 1.896 10.271 12.526 1.371 9.138 注：Isc为短路电流，Vm为最大功率点电压，Im为最大功率点电流 图 5是组件A和B在PID测试前后的IV参数变化图。从图 5(a)可以看出, 组件A在PID测试后其开路电压和最大功率衰减趋势一致。经过相关性分析可以得出, 组件A的最大输出功率衰减的主要原因来自开路电压的下降。
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图 5 PID测试前后实验组件的IV参数变化(a)组件A；(b)组件BFigure 5. The IV parameter change of the modules before and after PID test(a) module A; (b) module B由图 5(b)可以看出，组件B在PID 96 h测试后，最大功率衰减与组件A相比较小。根据其EL可知，PID测试后其电池缺陷不明显，这是其最大功率衰减较小的原因之一。PID测试192 h后，最大功率衰减加剧。组件A和组件B的衰减说明电池缺陷会加剧PID效应。
为了进一步分析实验组件PID测试后衰减机理，针对实验前后组件的串联电阻和并联电阻进行了研究，结果如表 2所示。
表 2 实验组件的Rs和RshTable 2. Rs and Rsh of modulesPID实验时间/h 组件A 组件B Rs/Ω Rsh/Ω Rs/Ω Rsh/Ω 0 0.067 2.650 0.039 82.883 96 0.059 2.686 0.038 75.215 192 0.047 2.477 0.037 35.844 对于光伏组件而言，低的串联电阻(Rs)和高的并联电阻(Rsh)可以提升组件的发电效率。192 h PID实验后，组件A的Rs降低29.85%，Rsh降低6.53%。而组件B的Rs降低5.13%，Rsh降低56.70%。光伏组件的Rs损失来源于半导体材料体积电阻、表面电阻、金属导体的接触与互连等，并联电阻是由于硅片边缘不清洁或内部缺陷引起的旁漏电阻。在PID实验中，随着实验的进行，Na+在高温高湿和高电压环境下，会通过封装材料扩散至电池表面甚至内部，硅片被Na+污染，电池表面涂层和栅线附近容易遭到污染及腐蚀，电池内部由于金属离子的扩散，容易产生漏电流。实验组件的Rsh降低说明发生了漏电现象，而Rs因为杂质离子的扩散而升高，Rsh的降低导致Voc降低，最终导致最大功率衰减。由于Rs较小，Rsh无法忽略，因此Rsh对组件功率衰减影响更大。
3. 结论
采用单晶硅电池利用常规组件制备工艺制作了两个实验组件, 模拟户外光伏组件在运行过程中出现的PID效应。实验前后的EL缺陷分析表明，PID测试导致实验组件出现不同位置电池隐裂和断栅的现象。IV测试结果表明，高温、高湿和高压下实验组件发生PID衰减，IV特性参数大幅衰减，尤其是最大功率和开路电压，组件A和组件B在PID测试192 h后，最大功率分别衰减了19.34%、11.02%，开路电压分别衰减了23.08%、5.01%。PID测试后实验组件的Rs和Rsh的变化进一步表明，在高温、高湿度和高偏压下，组件受光面玻璃的Na+在反向偏压的作用下通过封装材料在太阳电池表面堆积，在铝边框-玻璃-封装材料-电池片路径出现漏电流是造成组件PID效应的主要原因。
3. 结论
采用单晶硅电池利用常规组件制备工艺制作了两个实验组件, 模拟户外光伏组件在运行过程中出现的PID效应。实验前后的EL缺陷分析表明，PID测试导致实验组件出现不同位置电池隐裂和断栅的现象。IV测试结果表明，高温、高湿和高压下实验组件发生PID衰减，IV特性参数大幅衰减，尤其是最大功率和开路电压，组件A和组件B在PID测试192 h后，最大功率分别衰减了19.34%、11.02%，开路电压分别衰减了23.08%、5.01%。PID测试后实验组件的Rs和Rsh的变化进一步表明，在高温、高湿度和高偏压下，组件受光面玻璃的Na+在反向偏压的作用下通过封装材料在太阳电池表面堆积，在铝边框-玻璃-封装材料-电池片路径出现漏电流是造成组件PID效应的主要原因。
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图 4 PID实验前后实验组件的EL图像
(a)组件A；(b)组件B
Figure 4. EL images of the modules before and after the PID test
(a) module A; (b) module B
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图 4 PID实验前后实验组件的EL图像
(a)组件A；(b)组件B
Figure 4. EL images of the modules before and after the PID test
(a) module A; (b) module B
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图 5 PID测试前后实验组件的IV参数变化
(a)组件A；(b)组件B
Figure 5. The IV parameter change of the modules before and after PID test
(a) module A; (b) module B
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图 5 PID测试前后实验组件的IV参数变化
(a)组件A；(b)组件B
Figure 5. The IV parameter change of the modules before and after PID test
(a) module A; (b) module B
表 1 PID实验组件A和B的IV参数
Table 1 IV parameter for the PID module A and B
组件 时间/h Voc/V Isc/A Pm/W Vm/V Im/A A 0 2.574 9.940 14.121 1.733 8.149 96 2.296 9.844 12.705 1.556 8.166 192 1.980 9.521 11.390 1.428 7.974 B 0 1.996 10.562 14.078 1.465 9.607 96 1.998 10.341 13.748 1.466 9.378 192 1.896 10.271 12.526 1.371 9.138 注：Isc为短路电流，Vm为最大功率点电压，Im为最大功率点电流 
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表 1 PID实验组件A和B的IV参数
Table 1 IV parameter for the PID module A and B
组件 时间/h Voc/V Isc/A Pm/W Vm/V Im/A A 0 2.574 9.940 14.121 1.733 8.149 96 2.296 9.844 12.705 1.556 8.166 192 1.980 9.521 11.390 1.428 7.974 B 0 1.996 10.562 14.078 1.465 9.607 96 1.998 10.341 13.748 1.466 9.378 192 1.896 10.271 12.526 1.371 9.138 注：Isc为短路电流，Vm为最大功率点电压，Im为最大功率点电流
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表 2 实验组件的Rs和Rsh
Table 2 Rs and Rsh of modules
PID实验时间/h 组件A 组件B Rs/Ω Rsh/Ω Rs/Ω Rsh/Ω 0 0.067 2.650 0.039 82.883 96 0.059 2.686 0.038 75.215 192 0.047 2.477 0.037 35.844
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表 2 实验组件的Rs和Rsh
Table 2 Rs and Rsh of modules
PID实验时间/h 组件A 组件B Rs/Ω Rsh/Ω Rs/Ω Rsh/Ω 0 0.067 2.650 0.039 82.883 96 0.059 2.686 0.038 75.215 192 0.047 2.477 0.037 35.844
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期刊类型引用(3)
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百度学术
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