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PID说明概要
电池和组件的电势诱导衰减
摘要
光伏应用越来越多,电站规模越来越大,组件串联的数目不断增大。
这样,太阳能组件承受高对地势能的几率越来越大。
2005年,NREL首次进行了组件内部与大地之间泄漏电流对组件可靠性方面的研究。
这个测试没有在IEC61215标准中列出。
不同的电势诱导衰减(PID)有不同的衰减激励。
本文研究标准P型硅电池片的PID效应,主要目的是为了提高组件长期对地高压的寿命。
本文在实验室中模拟PID效应,研究电池性能在PID方面的影响,揭示电池是组件PID的先决条件。
同时本文还对既有组件和系统水平下减少PID的方法。
背景
最著名的关于晶硅电池PID效应的研究是Sunpower的极化效应。
过去,也有研究对a-硅和带硅技术的电池等不同的PID也进行了研究,有的是恢复的,例如极化,有的是不可恢复的,如电化学腐蚀等。
不论何种现象,他们的共性是PID与极性和组件内度的对地电势大小有关。
不同的标准导致了不同的系统结构,例如,欧洲和美国的系统电压不同,欧洲是1000V,美国是600V。
有些国家要求系统接地,而另一些国家则没有要求。
无变压器的逆变器技术在欧洲被广泛应用,而在美国,省掉变压器的逆变器并不被常用,因为组件大多是接地的。
组件寿命期内的严重衰减是与对地电势、易于PID的电池片和组件的封装结构等多个因素有关。
H图纹结构的电池片衰减研究的比较清楚。
为了更清楚的研究PID效应,本文分别对系统,组件和电池片进行了研究。
系统层面
从系统层面上来讲,电池片与大地之间的电势差是PID效应的一个关键的因素。
系统电压决定于组件串联的数量、辐照度和温度等因素。
根据不同的接地方式,组件内部对地的电压呈正向或反向。
有三种接地方式,系统的正极接地,系统负极接地,系统不接地,相应形成三种电压状态,对地呈负电势,对地呈正电势,对地呈漂浮电势。
漂浮电势状态下,一部分组件对地呈正电势,一部分组件对地呈负电势。
图1给出了组件内部对地的接地状态。
组件层面:
环境的温、湿度影响了电池片和大地之间的泄漏电流,如果水汽深入组件,那么封装材料(ENC)的导电率上升,相应组件的泄漏电流增大。
封装材料、背板、玻璃、边框、硅胶的相互作用影响了泄漏电流的路径。
另外,组件的制备工艺和结构设计都对组件的PID起到一定的作用。
电池层面
电池所用材料和制备工艺都对PID有一定的影响,我们后续将对影响PID的参数进行详细的研究。
实验
电池片和组件的I-V性能和EL图片在PID测试前和测试后都需要拍摄。
本文中对单电池片组件和六电池片组件进行了PID测试,组件表面需要放水或用湿布盖上。
在本文的测试中,组件表面的导电湿布连上电源的正极,电池板的内部导电体连上电源的负极,电源提供1000V的电压,模拟欧洲常用的组件工作状态。
这是p型电池片的标准状态,电池板内部对地是呈负电压状态。
通常的测试时间是100小时,漏电流的测试记录装置串联在电路中,用以评价环境、温度因素对泄漏电流的影响,组件需要被放入特定环境的老化箱中。
实验结果
系统层面:
图3中给出了漂浮接地状态受PID测试后的EL照片,从左向右方向,对地的电势从负压向正压不断变化,从图中可以看出,当内部电压低于大地电压时,组件会出现一定程度的衰减。
如果系统不是漂浮接地状态,而是一端接地,比如负极接地,那么,PID可以被很好的防止或改善。
然而,由于最近几年基于不用变压器的高效逆变器的使用,导致系统处于不接地状态,因此必须采用其他办法降低PID效应。
电池板水平
下图中给出了组件经受1000V电压100小时测试前后的EL照片。
从图中可以看出,首先,电池片亮度有一定程度的降低,另一方面,所有电池片并不是均匀的受影响,这个还需在后续的电池片影响环节中进行研究。
本文还研究了不同材料组合,配合相同的易于PID电池片的研究。
如果电池片是反PID的,那么任何材料组合的测试都没有PID效应。
如果电池片不是反PID的,那么不同的材料组合将会产生不同的降低PID效应的效果。
下图中给出了泄漏电流随材料的不同而不同,图中给出了不同材料在相同环境(50%RH,温度从-20℃上升到40℃)中泄漏电随时间的变化关系。
数据显示,不同的原材料,泄漏电有很大的差距。
图中可以看出,组件相当与一个电容,当不断的充电,电流不断的上升,当到达一个顶点的时候,电流逐渐下降。
作为不同原材料封装易于PID效应电池片组件加电压后的结果,电池片的衰减结果也有很大的差别,见下图所示。
图中可以看出,A材料衰减最严重,几乎是100%,C材料的衰减在10%左右,而B材料几乎没有衰减。
因此选用不同原材料对降低PID效应也非常重要,主要方法是降低材料的泄漏点效果。
不同原材料对降低PID有改善,但也应同时考虑价格、可操作性、长期稳定性、实用性等其他因素。
因此,尽管原材料对易于PID的电池片有一定的作用,但更重要的是提高电池片的反PID效果。
电池片层面:
下面将介绍电池片功率随PID时间的延长而变化的情况。
下图中给出了电池片IV曲线和功率随PID时间的延长而变化的情况。
从电池参数可以看出,在PID过程中,并联电阻和FF变化比较明显,同时开路电压也在不断下降,意味着pn结分离电子和空穴的能力降低了。
短路电流Isc受影响比较小,但也在不断降低。
随着PID的延长,pn结的反向阻隔特性不断减少或几乎完全丧失,这个可从并联电阻参数可以看出。
这种现象也可从PID过程中的EL照片中看出,40小时后,边缘漏电现象可以明显的看出,从二极管状态转换为导体状态,也可从反向偏压的照片中看出。
随着时间的延长,电池片由边缘亮的状态变化为全黑状态。
泄漏电流以电子和空穴的状态集中在封装材料中的电池片上,这些电荷与发射极和耗尽层相互作用,扰乱了他们的工作状态,半导体行业的绝缘体损坏和表面倒置也有类似的结果。
载流子的电场不断影响pn结,导致pn结导电性增加,pn结并联电阻丧失。
Sunpower在他们的n型背接触电池模拟了一个晶体管模型来验证这种极化效应,在p型电池中也可应用这种模型,不过需要从pnp型二极管变为npn型晶体管。
影响电池片PID效应的因素有很多,这里列举几个比较确定的主要因素。
硅片材料
SOLON测试了不同电池片厂家来找到原材料对PID的影响,最明显的影响是体积电阻了。
在两个实验中,电池片的基体电阻率有很大的变化,当基体的电阻率变大时,当扩散层做的一样时,中间的耗尽层较宽,导致PID过程有较大的电阻。
相同制备工艺制备的不同硅片电池片,经过大批量测试后,可以找到影响PID的一些蛛丝马迹。
一般来说,低硅片质量和高的缺陷率导致较为明显的PID,不过还需要被证实。
发射极制备
电池片工艺一般是从清洗开始,根据硅片的不同,可以采用酸洗和碱洗工艺,这方面没有看出对PID影响的因素,但如果硅片表面制绒不完全或有残余物留在硅片表面,将影响后续的工艺步骤,同时影响PID。
一般来说,硅片清洗过后是扩散工艺,扩散工艺对PID有一定的影响,见下图所示:
上图显示,较高的发射极电阻导致电池片比较易于PID,这些结果显示过去几年比较流行的增大发射极电阻的做法将导致电池片易于PID。
选择性发射极对电池片PID的影响还需要被继续研究,发射极制备的不均匀也会对电池片PID效果产生影响。
上图给出了单晶硅电池片扩散后的发射极电阻分布图(四探针方法测试),表面呈现较高的层电阻,同时表面不是很均匀。
我们的研究表明,这将导致较高的PID。
背腐蚀和边分离
有些电池厂家用背腐蚀方法进行边分离工艺,或进行所谓去死层工艺。
按照工艺参数的不同,层电阻会提高,进而PID效果将会增强,如图10所示。
图12中给出了背腐蚀后电池片经过20小时PID后的EL照片,其中下方照片是在电池片两端加12V偏压的照片。
从EL照片中可以看出,边缘比较黑,从加偏压后的照片可以看出,边缘在PID后变亮了,这可解释为边分离不太好的结果。
上图显示,背腐蚀工艺中不但进行了边分离,而且正面的发射极也有一定程度的腐蚀,造成了较高的发射极电阻。
这个例子显示,电池片工艺调整后,人们并没有考虑到当电池片经受长期对地电压情况下的衰减情况,PID测试显示了电池片PID方面的脆弱性。
减反射膜
整个电池片工艺中,对PID影响最明显的就是减反射膜的制备工艺,Sunpower的研究结果表明,减反射膜对背接触电池片影响非常明显。
常见的电池片制备工艺中,减反射膜中包含Si和N两个元素,两者的比例、减反射膜的制备方法、膜的厚度、等因素决定了该层膜的特性。
半导体工艺中,类似的钝化层的绝缘层崩溃效果与此类似,但也不能完全应用与太阳能电池中。
下图中给出了Si与N的比例与PID的关系,Si与N的比例引起了膜的折射率(RI)和光学性能变化。
减反射膜与PID的关系在组件和单片电池片上进行了研究。
富Si膜较富N膜的PID效应小。
影响PID效应的另一个因素是减反射的膜厚,因为这两个是影响减反射膜减反射效果的重要因素,所以一定要引起重视。
研究显示较薄的减反射膜PID效应较好,因此较高的Si/N比例和较薄的膜厚对降低PID有所帮助。
另一个重要因素是膜的均匀性,这会由于制备工艺的不同有很大的不同,较均匀的减反射膜会有较低的PID效果。
电池工艺的总结:
就目前的知识状态下,在最终分档把PID严重分出是不可能的,但选择较好的硅片,严格控制电池制备工艺降低PID效果是可能的。
恢复方法
反向电势
就像实验室中的电化学腐蚀能逆反应一样,Sunpower也在背接触电池片中加反向电压后发现功率恢复的现象。
当把系统中正电极接地时电池片功率可重新恢复,恢复时间和程度取决于电势大小和温度、湿度等环境因素。
温度
实验中模拟高温下组件功率恢复实验,可将组件放置100℃环境下,10小时后,恢复几乎100%,但不能到达最初的功率水平。
这个研究说明,温度不但在组件PID中起到增加泄漏电的作用,而且对组件功率的恢复也很重要。
但高温恢复工艺并不适合实际情况,因为高温会对封装材料造成影响,影响餐品长期稳定性。
温度对基体中缺陷的稳定性有一定的影响,有文献报道高温可造成半导体的恢复。
除了将组件放入热板或高温炉中,其他方法,如紫外处理、环境箱、组件上加反向电压等方法都能在一定程度上恢复组件的性能。
结论
本篇文章指出随着组件越来越多的串联,组件内部电压不断升高,组件的PID越来越明显。
尽管PID的根本原因是由于电池片的原因,但可通过在系统、组件、电池等各个层面上减少PID。
系统上可进行接地点的变化,组件上可进行封装材料的选择改善PID。
在电池片层面上,有很多因素影响PID,除了基体材料电阻率、发射极的层电阻外,减反射膜起的作用最明显,可改变减反射膜减少PID。
组件的功率可通过在组件上加反向电压恢复,另外,高温也可恢复。
通过上述研究,在电池制备、组件制备、系统集成等各个方面进行减少PID的措施以延长系统的长期稳定性,因此可在使系统在25年或更长的时间持续发电。
室外高电压测试系统的能力
摘要
我们知道,独立屋顶电站和大型并网电站都能使组件内部产生较高的电压,接近600V或1000V。
这么高的电压将会使电池片和大地之间产生泄漏电流,通常是在电池片和边框或安装支架之间产生。
由于组件内部和边框之间的泄漏电流造成的电化学腐蚀对组件长期户外工作有负面影响。
通过加高压测试,我们分析组件在不同环境条件下的泄漏电量,来分析HVST产生的影响。
目的:
作为多年太阳能极化项目,到2020年,组件的商业话应用将提高至30年,每年的组件衰减控制在0.5%以内,光伏电价与常规商业电价一致。
80年代,JetPropulsion实验室对泄漏电量与电接触的影响进行了研究,建立了晶体硅和薄膜太阳电池的累计泄漏电量与衰减之间的关系,纵坐标是衰减百分比,横坐标是泄漏电量与组件周长的比值,范围是1-10C/cm,当泄漏电与周长的比值在0.1-1C/cm时,组件衰减达到50%之多。
技术方案
本实验是在组件上长期加高压,监控电池和大地之间的泄漏电流,并通过温度和湿度参数更正,另外,还将研究累计泄漏电量对电化学腐蚀以及对组件性能方面的影响。
在组件和大地之间加正反电压。
监控泄漏电流,并且监控温度和湿度情况。
2005年,我们又搭建了一套系统,建立了24块CIS组件串联的系统,使用多通道可编程电子负载,可跟踪组件的I-V曲线,跟踪最大功率点,跟踪电压和电流的变化。
同时监控组件的泄漏电流。
研究表明,泄漏电流由下式决定。
i(RH,Vb,T)=i0(RH,Vb)e-EA(RH)/KBT
上述公式中,泄漏电流i是由所加偏压Vb和环境参数如温度T和湿度RH决定的。
方程式的右边的i0是与RH和Vb有关的常数,EA是与湿度有关的能量常数,KB是玻尔兹曼常数。
研究表明在高湿情况下,晶体硅和薄膜组件的EA的大小分别为~0.9ev和~0.7ev,泄漏电的途径主要是通过玻璃,低湿度情况下,晶体硅和薄膜组件EA大小分别为~0.4ev和~0.6ev,泄漏电的途径主要是通过玻璃和EVA的界面。
下图中给出了对组件I-V的跟踪结果,
上图给出了泄漏电,功率、效率、偏压随时间的变化,正极电池串较负极电池串的效果明显。
组件的加压衰减测试
摘要
不同电池进行了分析,电极也有所变化。
最初的5年中,组件两边持续加600V的电压,最后两年中,组件加周期性的10V和600V电压。
研究了不同环境下泄漏电与电压之间的关系,分析电流的泄漏电路线。
同时分析泄漏电与功率的关系。
加压的组件较未加压组件衰减大0.1%/年,对于薄膜电池,有的加压和未加压没有太大差别,对于有些组件,加压较未加压衰减率大0.2%/年-0.6%/年。
简介
加高压系统包括多个串联的组件,离接地端最远的组件显示出对地的较高电压。
组件封装的电池片与组件边框之间的泄漏电流通过安装支架流入到大地。
这种状态下工作的组件由于电化学腐蚀降低了长期使用的稳定性。
高压泄漏电流(LC)会导致接触电阻的衰减、腐蚀吸收材料本身或导致组件分层,导致较高的串联电阻、较低的发电量、甚至失效。
高温和高湿环境会加重这种现象,特别是对薄膜电池组件比较明显。
泄漏电流的途径主要是经过玻璃(I1),EVA与玻璃的界面(I2),EVA(I3)、背板材料(I4)和边框密封材料到达边框。
泄漏电路径会根据组件所处环境的变化而变化,这是由于水汽渗入组件的路径不同导致。
组件的结构包括前板材料,背板材料,粘结前板、背板和电池片的EVA,方便安装和保护组件的边框,粘结边框和层压件的密封材料,另外还有焊带和引出线。
薄膜组件的结构类似,只是由于薄膜直接沉积在玻璃表面,比晶硅组件少了一层EVA。
有些组件比如CIS和一些a-薄膜组件,电池是直接沉积在下层上。
CIS是直接在玻璃上沉积,a-薄膜是在柔性材料比如钢材上。
在高湿的状态下,泄漏电的能量常数EA在0.8左右,与玻璃的激活能量接近,因此大部分应该是从正表面流出。
因此通过玻璃的泄漏电是由玻璃的导电情况决定的。
背表面也是同样的情况。
一些组件的结构比较特殊,例如没有任何边框。
这样组件的泄漏电流就要经过更大的电阻,通过背面的安装点进行漏电。
另一些组件的结构也比较特殊,电池直接沉积在柔性沉底上,表面是绝缘的透明材料。
实验
组件安装好后,在组件加正向偏压或负向偏压。
测试在纳安水平。
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