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            深圳导电硅胶:光伏组件的PID效应和封装资料的联系

            发布时间:[2015-1-14]  查看次数:747

            深圳导电硅胶:光伏组件的PID效应和封装资料的联系

            一、前言
            跟着光伏组件大规模运用一段时间后,特别是越来越多的投入运营的大型光伏电厂运营三四年后,业界对光伏组件的电位诱发衰减效应(PID,PotentialInducedDegradation)的注重越来越多。虽然尚无清晰的由PID缘由引发光伏电站在作业三、四年后发作大幅衰减的报导,但对一些电站作业几年后就发作明显衰减表象的缘由的各种猜测使光伏行业对PID的缘由和预防方法的讨论越来越多。一些国家和地区已逐步开始把抗PID作为组件的要害要求之一。很多日本用户清晰要求把抗PID写入合同,并随机抽检。欧洲的买家也跃跃欲试提出相同的要求。此趋势也使得国内越来越多的光伏电站业主单位、光伏电池和组件厂、测验单位和资料供应商对PID的研究越来越深入。
            其实早在2005年,Sunpower就发现晶硅型的背接触n型电池在组件中施加正高压后存在PID表象。2008年,Evergreen报导了PID出现在高负偏压下的正面衔接p型电池组件中。在2010年,SolonSE报导在规范的单晶和多晶电池中都发现了极化效应。很快SolonSE和NREL就提出在负高偏压下运用任何技术生产的P型电池规范组件都存在发作PID表象的极大风险。而CIGS组件的PID效应也有被报导。
            二、PID的检测方式
            PID测验有两种加速老化的方式:
            1)在特定的温度、湿度下,在组件玻璃外表覆盖铝箔、铜箔或者湿布,在组件的输出端和外表覆盖物之间施加电压一定的时间。
            2)在85%湿度85℃或者是60℃或85℃的环境下将-1000V直流电施加在组件输出端和铝框上96小时。
            在两种方式测验前,都对组件进行功率、湿漏电测验并EL成像。老化结束后,再次进行功率、湿漏电测验并EL成像。将测验前后的成果进行比较,从而得出PID在设定条件下的发作状况。第一种方式比较多的用于试验机构,而后一种方式比较多的被光伏组件厂采用。当PID表象发作时,从EL成像能够看到部分电池片发黑。光伏组件在上述两种测验方式下表现出的的EL成像图是不相同的。第一种方式条件下,发黑的电池片随机的分布在组件内,而在第二种方式中,电池片发黑的表象首先在接近铝框处发作。
            目前IEC尚没有出台有关试验室进行PID测验和评估的正式规范,但有一个作业文件,大致测验方式如下:
            (1)取样:按IEC60410要求,从相同批次中抽取,2个组件。
            (2)消除组件早期衰减效应,组件开路进行5-5.5Kwh/m2辐照。
            (3)目测,按IEC61215章节7,IEC61730-2章节10.1.3。
            (4)组件EL成像和最大功率测定。
            (5)湿漏电流测验和接地连续性测验。
            (6)60+/-2℃、85+/-5%,系统电压施加在组件输出端和铝框之间96小时。
            (7)组件EL成像和最大功率测定、湿热电流测定。
            (8)合格断定。
            合格断定依据于:
            (1)最大功率与初始值比,衰减不超过5%。
            (2)没有目测不合格表象,按IEC61215章http://chengde.taolegu.cn/节7,IEC61730-2章节10.1.3。
            (3)湿漏电流测验,符合IEC61215章节10.15。
            (4)试验结束后组件功用完整。
            要说明的是,越来越多的组件用户要求组件能经过85+/-2℃、湿度85+/-5%的测验。这个要求对组件厂而言是十分有挑战的,要害在于真正的量产,而不是做一两块能够经过双85测验的组件。
            三、PID表象的缘由
            PID的真正缘由到目前为止没有清晰的结论,但各个光伏电池组件厂和研究机构的数据标明,PID与电池、玻璃、胶膜、温度、湿度和电压有关。
            目前能够清晰的是PID表象和电池片外表的反射层有关,进步反射层的折射率能够有效地下降PID表象的发作。含Si多的减反层比含N多的减反层更能够反抗PID表象。当减反层的折射率大于2.2后,PID表象不再被观察到。而当折射率小于2.08后,组件很难经过PID测验。目前有不少的光伏电池厂在做针对电池和PID的联系的测验中也发现了类似的表象,所以改变折射率成为抗PID的手段之一。但改变电池减反层的折射率会改变电池生产成本和电池的发电功率,在不进步成本并且基本不改变功率的状况下做到抗PID对电池厂是一个十分大的难度。
            运用于光伏组件的玻璃是含钠离子的玻璃。有文献报导,在高温高湿状况下硅酸盐玻璃外表会有碱析出,主要成分是Na2O、MgO。而当把玻璃更换成石英玻璃后,在相同的测验条件下,没有PID表象被发现。在有Q-Cell参与的PID研究中,十分清晰的发现玻璃和胶膜对PID表象的发作有清晰的联系。该试验特殊设计了六种十分规的组件,其间五种分别是将玻璃更换成石英玻璃或PVF薄膜、将EVA更换成其它封装资料、将玻璃-EVA-电池的紧密结合改成松懈结合。成果发现这五种组件在老化后都没有PID表象。但要下降玻璃中钠离子的含量,成本十分高,可行性不大。挑选合适的胶膜变得十分重要。
            EVA和PVB封装的组件都被发现在湿热老化十分简略发作PID表象。选用测验方法85%湿度85℃下,在组件外表覆盖铜箔并衔接200V的正极,电池衔接负极,48小时后即发现电池功率大幅度衰减。

            表1封装资料与PID
            虽然在上述数据中硅胶表现很好,但在继续老化后,运用硅胶的组件从190小时开始衰减,并在240小时后衰减达到90%。有研究标明将封装更换成热塑性弹性体后,电池功率衰减的表象大幅度减小。但热塑性弹性体带来了另两个风险,即在实际运用中透光率的变化和蠕变。
            2011年7月NREL发表文章报导在1000小时85℃85%的湿度-600V的老化后,在SiNx外表发现发现Na富集。SimonKoch[11]等提出http://cangzhou.taolegu.cn/认为PID表象和胶膜、电池外表的联系很大,并提出一个也许的假设:Na+在电压下从玻璃向电池片移动,正离子移动的速度受胶膜、温度、湿度和电压的影响,钠离子扩散进入电池起到供应原子的作用,在发射极Na离子富集,p-n结被中和,从而影响电池的光伏效应。能够确认光伏组件在玻璃、胶膜、电池确定时,测验后PID的程度受到温度、湿度和电压的影响。也有研究认为是正价离子(H2O)nH+而非金属离子才是PID表象的缘由。
            四、PID的解决方式
            从目前的研究标明,PID能够从三个方面进行预防,分别是系统、组件和电池。
            从系统上而言,能够采用串联组件的负极接地或是在晚间对组件和大地之间施加正电压。另一个也许的状况是,跟着微逆变器的运用,系统电压下降,发作的PID效应是不是能够忽略不计。以上的三个方案都带来额外的设备成本和功率的下降。
            从组件而言,由于湿度是PID表象发作的要素之一,所以封装的方式也十分要害。一些组件厂在挑选背板、硅胶方面提出了新的要求,以期下降水气进入组件的程度。在组件中更换玻璃是一个为达到抗PID的最佳挑选,但成本太高几乎不可行。更换EVA是也挑选之一,但新资料带来成本进步和运用中的持续风险。以POE为例,POE以碳-碳链为主链,有辛烯和丁烯,分子中有大量的支链,柔软而透明。但其熔点在50-70℃之间,为能运用在光伏组件中,不得不加入以直链分子为主的聚乙烯(PE)以进步熔融温度范围中的峰值到100℃以上。但PE的引入导致体系简略在交变的温度循环中逐渐结晶而使透明度缓慢下降。POE-PE的分子重排温度低于光伏组件的最高作业温度,在日夜交替的循环的温度变化下,透光率是不是还能长期保持尚无试验数据的支持。另外蠕变也是一个令人担心的问题,即使加入PE使熔融温度的峰值进步到100℃以上,但其在80℃以下经过DSC仍然能够观察到有吸热表象,标明在光伏组件的运用温度范围中仍然有部分分子熔融或移动。在目前没有更好的挑选的状况下,挑选合适的EVA变得十分要害。但要指出的是目前除非对组件进行PID测验,尚无直接的测验方法能够判断哪种EVA能够减小PID效应。有文献建议运用电阻率的高低来判断EVA的优劣,但没有足够的试验数据支持。
            电池本身毋庸置疑是最重要的反抗PID的要害要素,能够考虑改变发射极和SiN减反层,但两个改善都带来发电功率的变化和额外设备的添加。
            五、PID的形成和封装资料的联系
            在不更换EVA和改变电池的状况下,是不是能够经过EVA的改善而进步组件的抗PID效果?我们的研究成果是也许的、至少是部分可行的。
            首先我们提出一个引起PID表象缘由的假设,如下图:

            图1水气对组件的影响
            水气经过封边的硅胶或背板进入http://langfang.taolegu.cn/组件内部。EVA的酯键在遇到水后按下面的过程发作分解,发作能够自由移动的醋酸。

            能够自由移动的醋酸(CH3COOH)和玻璃外表析出的碱反响后,发作了能够自由移动的Na+。Na+在外加电场的作用下向电池片外表移动并富集到减反层而导致PID表象的发作。当加热组件一段时间后,水气脱离组件。由于EVA上酯键的水解是一个可逆过程,失掉水分后,能够自由移动的羧酸根(CH3COO-)与EVA上的乙烯醇(-CH2-CHOH-)反响而重新成为酯键并衔接到EVA主链上而无法移动。相应的Na+也因失掉羧酸根无法移动。此时在组件中,由于没有了能够导电的小分子,而导致PID衰减部分康复甚至全部康复。
            以上的假设,能够总结成四步过程:
            (1)水气进入组件
            (2)水导致EVA水解发作醋酸
            (3)醋酸与玻璃外表析出的碱反响发作能够自由移动的钠离子
            (4)钠离子在电场的作用下移动到电池外表
            基于以上的假设,我们认为经过质料的挑选和技术的优化,使EVA中含有的醋酸含量下降能够减缓PID表象的发作。
            一个最简略的方法是适当的下降EVA中VA的含量。我们发现运用低醋酸乙烯含量的EVA能够减缓PID表象的发作。合理的解释是低醋酸乙烯含量的EVA中可水解的酯基含量相对低,从而其水解速度也低于高醋酸乙烯含量的EVA。以下试验是在85%湿度60℃环境下施加-1000V电压老化100小时而得到的。

            图2PID老化后对比图

            表2运用不相同VA含量EVA作为封装资料的组件的PID测验成果
            优化生产技术也能够部分阻挠PID表象发作。采用减反层折光指数是2.08的电池片,对运用相同配方的EVA胶膜D、F进行测验。E、F的差别仅仅改变生产技术,D为运用优化生产技术的EVA制成组件,F为运用未优化生产技术的EVA制成的组件。除EVA外,光伏组件的其它部件完全相同。测验条http://hengshui.taolegu.cn/件为85%湿度65℃环境下施加-1000V电压老化96小时、192小时。

            表3运用优化技术的EVA作为封装资料的组件的PID测验成果
            组件D,测验前、96小时老化后、192小时老化后。

            组件F,测验前、96小时老化后、192小时老化后。

            在不改变基本配方的状况下,挑选质料和优化质料的配比,也能大幅度改善组件抗PID的效果。相同采用减反层折光http://taiyuan.taolegu.cn/指数是2.08的电池片,G、H为挑选质料和优化质料配比后生产的EVA胶膜。测验条件为85%湿度65℃环境下施加-1000V电压老化96小时、192小时。

            表4运用挑选质料优化配方的EVA作为封装资料的组件的PID测验成果
            组件G,测验前、96小时老化后、192小时老化后。

            组件H,测验前、96小时老化后、192小时老化后。

            由以上表象能够看出,优化EVA生产技术、挑选质料和优化质料的配比,能够进步EVA胶膜对组件抗PID的效果。
            六、结论
            PID表象作为光伏技术开展过程中出现的一个技术问题,是十分值得注重。由于影响到光伏组件的长期运用寿命,所以必须赶快解决。经过技术手段的改善,PID表象将不会成为阻碍光伏事业开展的障碍。经过解决PID问题,对光伏发电的可靠性的了解将更为完全,由此将使光伏组件更为可靠,从而促进光伏产业更能健康长久的开展。


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