光伏（PV）能源生产是增长最快的可再生能源，2018年安装量约为100 GW，累计总量超过500 GW。[1]这是PV的平均电力成本（LCOE）不断下降的结果，主要归因于：i）提高效率，ii）降低光伏组件生产成本，以及iii）改善寿命。[2]

特别是光伏系统的寿命和可靠性，最近变得越来越重要。研究了不同类型的退化以评估模块寿命期间的发电量。PV模块的电位诱导退化（PID）是由驱动离子漂移到太阳能电池的高系统电压引起的重要降级机制。这些离子影响硅太阳能电池的正常运行，并且已经显示在现场一年内在模块水平下引起高达50％的快速且显着的性能损失。[3]

什么是潜在诱导的退化？

今天，1000伏及以上的光伏系统电压往往成为普遍的做法。随着光伏电站的规模不断扩大，光伏电站的规模越来越大，这有助于实现更高的系统电压：对于更大的功率值，当提高电压并保持低电流时，需要的铜更少，损耗也会减少。然而，高系统电压在接地的PV模块框架和太阳能电池矩阵之间感应出电场，导致碱金属离子（主要是Na +）漂移到太阳能电池中，如图2所示。这种现象导致严重的功率损耗，称为电位引起的降级（PID）。Na +起源尚不清楚; 一些人说钠钙玻璃作为来源，其他人在没有前玻璃的情况下在PV模块中启动PID并且假设在制造过程之后Na +存在于太阳能电池上。[4]

图2：碱性金属离子在强电场的影响下向太阳能电池漂移。

该失效模式的发生取决于电场的大小和极性。当查看系统中的PV模块时，位于串的正极的那些不受PID的影响，因为Na +偏离太阳能电池。位于弦的负极的模块受PID的影响，如图3中的深色太阳能电池所示。PID开始围绕PV模块的周边发展，并随着PID的进展逐渐远离PV模块框架。进一步的定量测量还显示电压对PID进展具有超线性效应。

图3：一个PV串内的PID发生。只有朝向PV模块框架负向偏置的太阳能电池才会受到PID的影响。[5]

在模块级，可以在制造阶段使用诸如无PID封装材料或铝硅酸盐玻璃的替代材料，使得它们使PV模块具有PID抗性（或所谓的“无PID”）。这些材料由于其高电阻率而主要有助于PID缓解，因此抵消了朝向太阳能电池的电荷漂移。

在系统级，PV系统的接地配置可以以这样的方式调整，即电场使碱金属离子从太阳能电池迁移出去。然而，使用高效无变压器逆变器并不总是允许这种方法。此外，由于太阳能电池矩阵和接地的PV模块框架之间的电压建立有限，使用模块级逆变器或功率优化器可显着降低PID的风险。

在新的太阳能电池，光伏组件和系统中采用预防措施非常有意义。然而，他们没有为已经安装在现场并遭受PID的光伏电站带来解决方案。因此，研究了PID恢复技术并将其转化为工业应用。在现场，这是通过在夜间将太阳能电池矩阵放置在PV模块框架的正偏压下来实现的。这使得碱金属离子的向外扩散过程消除了其在白天出现的细胞水平的不利影响。这种方法已商业化，可以轻松安装在PV系统中。但是，PID在全尺寸模块上的可逆性取决于PID引起的劣化水平。如图4所示，其中介绍了 49种不同光伏组件的可逆性。在40％的性能损失下，降解水平具有很高的可恢复性。当PV模块性能损失超过85％时，它们表现出不可逆转的行为。从这个角度来看，重要的是在不返回之前检测和恢复PID。

图4：PID可逆性：当性能损失不超过85％时，通过反转高压极性可以重新获得几乎所有的性能损失。[6]

图5：白天V MPP在一个PV公园的不同串之间的大幅度传播是PID的良好指标。[5]

然而，只有在大型光伏园区才能比较不同琴弦的电气特性。仅有一个或两个琴弦的住宅装置不允许这种方法。对于这种住宅区的PID检测，电致发光（EL）成像是一种很好的PID检测技术。通过在太阳能电池中施加电流（在夜间），载流子的辐射重组导致近红外光谱中的光发射，这可以通过简单的CCD相机可视化。受PID影响的PV电池表现出降低的EL信号，因此可以观察到PV模块内的暗区。PID影响字符串的典型EL图像如图6所示。注意，只有负向偏置到PV模块框架的太阳能电池正在遭受PID。

图6：受PID影响的字符串的EL信号。只有位于负极的PV模块才会受到影响。[5]

尽管如此，后两种技术对于检测PID非常有用，但它们无法用于量化出现的性能损失。为了实现这一点，应在标准测试条件（STC）下进行电流 - 电压（IV）跟踪。这是通过扫描电压并测量PV模块在1000 W / m 2照度下的输出电流来进行的。然而，这些测量是耗时的，因为每个待测PV模块都是单独测量的，并且必须与串断开。在图7中示出了在（初始）和之后（应力）PID之前具有标准晶体硅n + / p太阳能电池的全尺寸PV模块的归一化IV曲线。

图7：PID之前和之后的全尺寸PV模块的归一化IV曲线。[6]

未来的挑战

从理论上和实验上彻底了解PID机制的物理特征和基本特征，对于开发适应的表征方法和缓解解决方案至关重要。在过去的15年中，PID研究主要集中在晶体硅n + / p太阳能电池，这是当今光伏市场的主导技术。精心研究已经导致预防和恢复解决方案，这些解决方案正在进入工业化阶段。然而，增加的系统电压（高达1500 V或更高）以及新的PV技术（例如双面PERC和PERT太阳能电池）的出现的组合产生了新的（并且可能是不可逆的）PID机制。

双面太阳能电池以这样的方式制造，即它们可以通过捕获太阳能电池的前侧和后侧的入射光来发电。为此，它们在太阳能电池的整个后侧上没有金属接触。因此，它们的后侧看起来与它们的前侧相似。因此，发现了由PID引起的其他退化机制，如图8所示。这种新的退化机制同时发生在前侧和后侧，呈现出复杂的行为。然而，用于证明根本原因和可能的缓解解决方案的微观结构研究尚未针对这些新的双面技术得到解决。

除了双面晶体硅市场之外，PID还需要研究薄膜光伏技术，如钙钛矿太阳能电池，这些材料的PID灵敏度和机制知之甚少。当这些技术将在未来光伏园区的串联电池中组合时，这将变得更加重要。

图8：使用玻璃/玻璃模块配置时双面p-PERC太阳能电池的双面PID。[7]

关键要点

• PV模块的PID由接地的PV模块的框架和太阳能电池矩阵之间的高电压差（大约1000V或更高）引起;

• 在强电场的影响下，将碱性金属离子（主要是Na +）漂移到太阳能电池中被证明是这种失效模式的根本原因;

• 可以在单元，模块和系统级别减轻PID;

• 性能损失高达85％的光伏组件完全可以恢复，这突显了早期PID检测的重要性。

• 随着系统电压的增加和新PV技术的出现，需要新的PID机制和进一步的研究。

参考