■ 潘文峰 王加鴻 陸晨 謝英豪 周盛永 裘幼梓

(1.海寧正泰新能源科技有限公司；2.浙江正泰太陽能科技有限公司)

0 引言

近年來，光伏市場發(fā)展迅速，光伏發(fā)電所占的份額越來越大。光伏發(fā)電的體量大了，隨之而來的問題也相繼出現，電勢誘導衰減(Potential Induced Degradation，PID)效應就是其中的重要問題之一。晶體硅光伏組件的內部電路與金屬邊框之間存在高壓，會造成組件功率持續(xù)性的衰減，業(yè)內將這種現象稱之為“PID效應”。

目前，光伏電站多采用金屬邊框接地的方式，這就使靠近逆變器負極的組件與邊框之間存在著負偏壓，靠近逆變器正極的組件與邊框之間存在著正偏壓。大量的實例表明，越靠近逆變器負極的組件，受PID效應的影響越嚴重。此外，還有研究表明，組件PID效應還受溫度、濕度的影響。關于PID效應的部分成因及解決方案，在其他論文有過相關解釋，本文不再贅述。

PID效應會使組件功率大幅下降，在對存在PID效應影響的組件功率進行測試時可以發(fā)現，完全遮擋電致發(fā)光(Electroluminescent，EL)圖像發(fā)黑的太陽電池，EL圖像發(fā)黑程度越嚴重，被遮擋電池對組件功率的影響越小。這可以理解為，EL發(fā)黑程度越嚴重的太陽電池，其在無光照情況下的反向導通能力越大，即漏電流更大。PID效應與漏電流之間有何關系？在熱斑試驗方法中，需要尋找漏電流最大的太陽電池進行熱斑試驗，這說明漏電流對電池發(fā)熱會產生影響，那么會是何種影響？本文將針對這兩個問題進行一系列實驗，尋找其中的關系，并得出實驗結果。

1 EL與漏電流

太陽電池EL原理為：p-n結在平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，當外加一正向偏壓時，此勢壘便降低，勢壘區(qū)內建電場也相應減弱；這樣就促進了多子的擴散，阻礙了少子的漂移運動，即電子由n區(qū)注入到p區(qū)，同時空穴由p區(qū)注入到n區(qū)，這些進入n區(qū)的空穴和進入p區(qū)的電子都是非平衡少數載流子。在p-n結中，擴散長度遠遠大于勢壘寬度，于是在電子和空穴通過勢壘區(qū)時，因復合而消失的概率很小，它們會繼續(xù)向擴散區(qū)擴散。因而在正偏壓下，p-n結勢壘區(qū)和擴散區(qū)注入了少數載流子，這些非平衡少數載流子會不斷與多數載流子復合而發(fā)光[1]。太陽電池EL的波長在800～1300 nm之間，屬于近紅外光；太陽電池EL的亮度跟少子壽命及電流密度有關。拍攝EL用的CCD相機，僅對這些近紅外光有響應。

太陽電池本質上就是一個p-n結，在無光照的條件下，具有正向導電、反向截止的性能，p-n結在處于反向偏置時會有微小的電流，這個電流稱之為漏電流。工藝上造成晶體硅太陽電池的漏電流過大的主要原因有刻蝕不完全或未刻蝕、點狀燒穿、印刷擦片、漏漿等。

太陽電池串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻對填充因子的影響很大，即對光伏組件的最大功率影響很大。理想的太陽電池具有無窮小的串聯(lián)電阻和無窮大的并聯(lián)電阻，電路模型如圖1所示，其中，Rs為串聯(lián)電阻，Rsh為并聯(lián)電阻，RL為外接負載。從模型圖可以看出，并聯(lián)電阻越小，漏電流越大。

圖1 電路模型

2 PID效應的測試方法[2]

關于PID效應的測試方法，在IEC/TS 62804-1：2015中有明確的說明。PID效應的測試條件嚴苛程度不一，本實驗采用的是最嚴苛的測試條件，具體測試方法如下：

待測組件正、負極短接與PID專用電源負極相連，邊框與PID專用電源零電位相連，測試電壓選擇1500 V，使組件內電路與邊框之間產生-1500 V的偏壓。測試組件放在環(huán)境試驗箱中，環(huán)境試驗箱溫度設定為85 ℃，相對濕度設定為85%，持續(xù)施加-1500 V偏壓并保持300 h。

根據測試結果，選取了2塊受PID效應影響較嚴重的組件和1塊受PID效應影響相對較小的組件來進行后續(xù)實驗。

3 PID效應對漏電流的影響

由于太陽電池本質上就是一個p-n結，因此理想的電池在無光照的情況下處于反向截止的狀態(tài)，即完全遮擋單串太陽電池中的任何一塊太陽電池，該回路將處于斷路狀態(tài)，沒有電流，該串電池對組件功率也就沒有貢獻。但是，電池往往會有反向漏電流，所以在完全遮擋電池的情況下，也會有電流流過，而漏電流越大，遮擋單塊電池后對組件整體輸出功率的影響也就越??；反之，遮擋整塊電池后對組件整體輸出功率的影響越小，則該電池的漏電流越大。

選取A、B、C 3塊組件，分別在無遮擋、完全遮擋組件中受PID效應影響程度不同的電池的情況下測試組件的I-V特性，并對比分析組件的功率數據。

組件A在無遮擋，以及分別遮擋該組件中的1#、2#、3#、4#太陽電池(電池分布見圖2)后的I-V曲線如圖3所示，功率變化如表1所示。其中，3#與4#電池的差別在于：拍攝EL圖片時，通4 A電流，2塊電池都發(fā)黑不亮；但通9 A電流，3#電池的 EL圖片亮度有所增加，而4#電池無變化。結果表明，4#電池比3#電池受到PID效應的影響程度更大。

圖3 遮擋不同電池情況下，組件A的I-V曲線

表1 組件A被遮擋后的功率變化

組件B在無遮擋，以及分別遮擋該組件中的5#、6#、7#太陽電池(電池分布見圖4)后的I-V曲線如圖5所示，功率變化如表2所示。

圖4 組件B中被遮擋電池的分布圖

圖5 遮擋不同電池情況下，組件B的I-V曲線

表2 組件B被遮擋后的功率變化

組件C在無遮擋，以及分別遮擋8#、9#、10#太陽電池(電池分布見圖5)后的I-V曲線如圖6所示，功率變化如表3所示。

圖6 組件C中被遮擋電池的分布圖

圖7 遮擋不同電池情況下，組件C的I-V曲線

表3 組件C被遮擋后的功率變化

通過實驗可以看出，圖2～圖5中EL圖像顯示越黑的太陽電池，其完全被遮擋后，對功率衰減的影響越小，對I-V曲線形變的影響越小。即受PID效應影響越大的太陽電池，其反向導通能力越強，漏電流越大。

受PID效應影響的太陽電池，其EL圖像之所以會發(fā)暗甚至發(fā)黑，筆者認為是因為PID效應對少子壽命及電流密度都有影響。但由于目前PID效應具體的機理尚不明確，因此其如何影響少子壽命，本文不做闡述。PID效應對電流密度的影響，可以理解為對對EL有作用的有效電流密度的影響。從上述測試可以看出，總輸入電流雖然一致，但是電池部分存在分流，一部分經電池，另一部分經漏電流回路，即圖1中Rsh所在回路。EL的明暗取決于經過電池分路的電流大小，Rsh越小，則通過該回路的電流越大，通過電池的電流越小，所以EL的有效電流密度降低，導致電池EL圖像發(fā)暗甚至發(fā)黑。

4 PID效應對電池發(fā)熱的影響

IEC中，熱斑試驗在選擇測試電池時，會選擇3片漏電流最大的太陽電池和1片漏電流最小的太陽電池。如此選擇的目的是因為漏電流大的電池會更容易發(fā)熱，在產生熱斑效應時會具有更高的溫度[3]。針對PID效應所導致的漏電流是否也有同樣的熱斑風險這一問題進行如下實驗。

在晴朗天氣時，將選取的3塊受PID效應影響的光伏組件A、B、C連接微型逆變器，然后在陽光下曝曬2 h；2 h后用紅外熱像儀拍攝紅外圖片，結果如圖8～圖10所示。

圖8 組件A的紅外圖片與EL圖片

圖9 組件B的紅外圖片與EL圖片

圖10 組件C的紅外圖片與EL圖片

對比圖7～圖9可以發(fā)現，紅外圖片中溫度較高的太陽電池，都對應著EL圖片中發(fā)暗、發(fā)黑的太陽電池，并且發(fā)黑越嚴重的太陽電池，其溫度越高。實驗結果表明，PID效應會對組件造成熱斑風險，受PID效應影響越大的太陽電池越容易產生熱斑效應。

5 總結

本文選取了3塊受PID效應影響的光伏組件，通過完全遮擋組件中受PID效應影響程度不同的太陽電池，利用I-V曲線及功率的變化，得出PID效應影響程度與漏電流的關系。根據實驗結果得出結論：受PID效應影響越大的電池，其漏電流越大，功率衰減也越多。

觀測這3塊組件在正常發(fā)電情況下各電池的發(fā)熱情況，得出結論：受PID效應影響越大的電池，其發(fā)熱越嚴重，產生熱斑效應的風險越大。

綜上所述，PID效應不僅對組件功率存在很大的影響，熱斑帶來的局部高溫對封裝材料也存在較大的威脅。對于如何盡量減少PID效應帶來的危害，本文未作詳細分析，可參照文獻[4]的研究結論，采用逆變器負極(直流側)接地的方式來應對。