光伏元件PID效應的機理研究與防護措施

2023-02-11 16:39:06 字數 1114 閱讀 4421

作者:閔堅

**:《神州·中旬刊》2023年第09期

光伏元件在長期使用過程中其輸出功率會逐漸下降,主要是由光照衰減和材料老化導致,已成為共識。在2023年,美國sunpower公司發現晶矽元件的電路與其接地金屬邊框之間的高電壓會造成元件的效能明顯衰減,後來在其他光伏元件也發生類似情況。,這會造成元件效能的衰退,稱之為pid效應,即電勢誘導衰減效應。

本文針對pid效應的機理及防護措施進行系統的研究分析。

1. pid效應的機理

所謂電勢誘導衰減就是高壓情況下由於洩漏電流導致光伏元件功率損失,元件長期在高電壓作用下,使得玻璃、封裝之間產生漏電流,大量電荷積聚在電池片表面,使得太陽電池的鈍化效果變差,少數載流子在矽片表面的復合嚴重,導致其開路電壓、短路電流和填充因子都下降,輸出功率明顯下降,衰減最大可超過30%。。

2023年,位於美國科羅拉多州的國家可再生能源實驗室(nrel)就研究了hvs對太陽能元件長期穩定性的影響。測量出在一定的相對濕度和高壓下元件有四種主要的漏電電流途徑(如圖1),通過元件玻璃並沿著玻璃表面的漏電流i1,沿著玻璃和eva介面的漏電流i2,穿過eva的漏電流i3和透過背板的漏電流i4。

關於pid效應的作用機理提出了很多的衰減模型,有人認為半導體活性層中的電荷或帶電離子遷移聚集到表面,影響半導體活性層表面的勢壘,嚴重情況下,鈉離子在玻璃表面聚集,導致分層現象;同時也有人認為半導體活性層中離子遷移會造成pn結的衰減,導致漏電;另外也有人發現如果水汽滲入到封裝層中,會造成電化學腐蝕,大量金屬離子發生遷移。

pid效應最早是在sunpower的高效n型背接觸電池中發現,即對地產生正電勢的n型電池的輸出功率會持續衰退,而很快在實驗室中也發現對p型光伏元件施加對地負電壓同樣會造成元件功率輸出衰減,這說明電勢對太陽電池的基體材料的影響導致太陽電池效率衰退。首先我們分析一下n型太陽電池的pid效應,太陽電池的基體材料是n型矽片,矽片表面沉積了一層氮化矽薄膜和氧化矽薄膜,起到減反鈍化的效果。減反射效應是利用光學原理,在折射率和厚度匹配的條件下光程疊加形成的一種減反增透效果。

薄膜對矽片鈍化機制有兩個:乙個是場效應鈍化,另乙個是氫鈍化。所謂場效應鈍化,是由於在氮化矽薄膜和氧化矽薄膜層含有高密度的固定正電荷,從而會排斥空穴,使在矽片表面的空穴密度減小,這種變化引起表面的能帶向下彎曲形成少數載流子勢壘,排斥流向表面的光生少子,從而減少了少子的復合損失。

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