光伏组件封装材料和PID的关系初探

光伏组件封装材料和PID的关系初探

一、前言

目前无论从生产方还是使用方，对晶体硅电池片的极化效应（PID）的关注越来越多。2011年7月NREL在其发表的文章《System Voltage Potential Induced Degradation Mechanismsin PV Modules and Methods for Test》中对PID进行了详细的说明（1）。目前PID现象已被更多的人所了解，并有越来越多的研究机构和组件制造商对其进行了深入的研究和发表文章。PIDFree被许多组件厂和电池厂作为卖点之一，许多光伏组件用户也开始只接受PIDFree的组件。但真正引起PID的原因和如何避免，并没有统一的定论。

二、PID的表现

目前的实验结构和光伏组件制造商较多采用以下两种测试方法，对组件的PID效应进行评估：

1)在25℃的温度下，在组件玻璃表面覆盖铝箔，1000V直流电施加在组件的输出端和铝框上168小时。

2)组件先进性85%的湿度85℃高温测试，然后在60℃或85℃的环境下100小时，将1000V 直流电施加在组件输出端和铝框上100小时。

较多的PID衰减被发现发生在实验2的老化以后，根据目前的报道和实验结果发现PID 现象与玻璃、电池和胶膜的关系较大。

目前使用于光伏组件的玻璃是含钠离子的玻璃。有文献报道，在高温高湿情况下硅酸盐玻璃表面会有碱析出，主要成分是Na2O。（2）当把玻璃更换成石英玻璃后，在同样的测试条件下，没有PID现象被发现。（1）

胶膜也被发现对PID现象有非常密切的关系。使用EVA或PVB封装的组件都被发现在湿热老化非常容易产生PID现象。（3）其测试方法是在85%湿度85℃下在组件表面覆盖铜箔并连接200V的正极，电池连接负极。48小时后即发现电池效率大幅度衰减。

尽管在这个实验中硅胶表现较好,但随即又有报道硅胶在更长时间的PID测试后也呈现出大幅度功率衰减的现象。而当将EVA更换成热塑性弹性体后，电池功率衰减的现象大幅度减小。

电池表面的反射层被发现和PID现象有非常密切的关系。有报道表明薄的减反层更有利于抗PID现象。含Si多的减反层比含N多的减反层更可以抵抗PID现象。当减反层的折射率大于2.2后，PID现象不再被观察到（3）。有电池工厂在做针对电池和PID的关系的测试中也发现了类似的现象，结论是当折射率大于2.13后，几乎所有的EVA都能通过PID测试，当折射率小于2.08后，通过PID测试的EVA寥寥无几。

三、PID的形成和封装材料的关系

NREL在研究PID现象是发现一个有趣的现象，就是光伏组件在早晨露气较多或者下雨时被发现有漏电现象。而当太阳出来后，此漏电现象随即减弱。而与此类似的，在实验室中，当将已经发生PID衰减的组件在100℃下烘烤100小时后，PID衰减基本消失。（3）在某组件厂的测试中，发现PID测试后的组件在搁置几天后，重新测试其电阻率，电阻率基本都能恢复到PID测试前的60%以上。我们由此可以得出一个结论，引起PID衰减的变化应该是一个可逆的变化。

根据以上的现象，我们提出一个引起PID现象的过程推测，如下图：

图1水气对组件的影响

水气通过封边的硅胶或背板进入组件内部。EVA的酯键在遇到水后按下面的过程发生分解，产生可以自由移动的醋酸。

可以自由移动的醋酸（CH3COOH）和玻璃表面析出的碱反应后，产生了可以自由移动的Na+。Na+在外加电场的作用下向电池片表面移动并富集到减反层而导致PID现象的产生。当加热组件一段时间后，水气离开组件。由于EVA上酯键的水解是一个可逆过程，失去水分后，可以自由移动的羧酸根（CH3COO-）与EVA上的乙烯醇（-CH2-CHOH-）反应而重新成为酯键并连接到EVA主链上而无法移动。相应的Na+也因失去羧酸根无法移动。此时在组件中，由于没有了可以导电的小分子，而导致PID衰减部分恢复甚至全部恢复。

以上的假设，可以总结成四步过程：

水气进入组件

水导致EVA水解产生醋酸

醋酸与玻璃表面析出的碱反应产生可以自由移动的钠离子

钠离子在电场的作用下移动到电池表面

四、避免PID的办法

以上假设可以较好的解释目前与PID有关的各种现象。采用石英玻璃替代普通玻璃避免了钠离子的析出。而热塑性弹性体的结构中没有可以水解的基团，从而也没有如EVA水解产生的醋酸。而致密的减反层有效防止了钠对电池的破坏。

我们也发现使用低醋酸乙烯含量的EVA可以减缓PID现象的产生。由于醋酸乙烯含量低，相应的低醋酸乙烯含量的EVA可水解的酯基的含量也低，从而其水解速度也低于高醋酸乙烯含量的EVA。以下实验是在85%湿度60℃环境下

施加1000V电压老化100小时而得到的。

表2 使用不同VA含量EVA作为封装材料的组件的PID测试结果（4）

依据上述理论，只要能阻断四步过程中的任何一个过程都应能有效的消除PID现象。台湾某厂使用特殊的封装技术，达成了在85%湿度85℃的环境下通过PID测试的结果。海优威公司开发出比单纯使用VA28的EVA更为减慢水解速度的特殊级别EVA胶膜，从而可以帮助组件厂减缓PID的发生。而更多的晶硅电池片生产商通过平衡提高减反层折射率和不降低电池效率的关系来开发避免PID的电池片。

五、总结

PID现象作为光伏技术发展过程中正常出现的一个技术问题，完全可以通过技术手段解决，而不会成为阻碍光伏事业发展的障碍。而通过解决PID问题，使光伏组件更为可靠，使光伏产业更能长久的发展。