2005年，Swanson等首次報(bào)道了美國(guó)SunPower公司生產(chǎn)的n型IBC光伏組件在戶外使用過程中出現(xiàn)顯著的輸出功率衰減是由高電勢(shì)引起的，之后行業(yè)內(nèi)和學(xué)術(shù)界對(duì)光伏組件的電勢(shì)誘導(dǎo)衰減(PID)現(xiàn)象給予了高度重視。

近年來，隨著p型PERC雙面光伏組件市場(chǎng)份額的逐步擴(kuò)大，越來越多的研究聚焦于該類光伏組件的PID機(jī)理方面。

研究者普遍認(rèn)為p型PERC雙面光伏組件在電勢(shì)誘導(dǎo)下會(huì)存在2種PID機(jī)理：

1)因光伏組件的正面發(fā)射極存在分流而引起的輸出功率衰減(即PID-s)。光伏用鈉鈣玻璃中的正離子(主要是Na⁺)作為雜質(zhì)粒子在電勢(shì)誘導(dǎo)下可以穿過封裝材料進(jìn)入p型太陽(yáng)電池的正面發(fā)射極，造成其局部分流，從而引起PID-s。

2)因光伏組件背面的減反射/鈍化層極化引起的輸出功率衰減(即PID-p)。PID-p最先被美國(guó)SunPower公司發(fā)現(xiàn)，其認(rèn)為，低電導(dǎo)率的減反射/鈍化層妨礙了漏電流的自由流動(dòng)，從而導(dǎo)致電荷在減反射/鈍化層累積，然后會(huì)吸引少數(shù)載流子到達(dá)太陽(yáng)電池表面，從而導(dǎo)致表面復(fù)合的增加，最終造成光伏組件輸出功率衰減。

有研究認(rèn)為，來自雙面雙玻光伏組件背面玻璃和太陽(yáng)電池鈍化層的雜質(zhì)正離子，比如Na+，在電勢(shì)驅(qū)使下進(jìn)入AlOx/SiNx鈍化層后破壞了AlOx層的場(chǎng)鈍化效應(yīng)；而且隨著越來越多的正離子(比如Na+)在AlOx/SiNx鈍化層堆積，會(huì)造成太陽(yáng)電池表面復(fù)合增加，從而進(jìn)一步促使光伏組件輸出功率衰減。

p型PERC雙面光伏組件的PID機(jī)理如圖1所示。

圖1 p型PERC雙面光伏組件的PID機(jī)理

雖然光伏組件在實(shí)際使用過程中會(huì)同時(shí)受到光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓、工作溫度、環(huán)境濕度和光照的影響，但行業(yè)內(nèi)對(duì)晶體硅光伏組件的PID測(cè)試一般都是參考IECTS62804-1:2015，即在高溫高濕環(huán)境箱中以在光伏組件兩端施加高電壓的方式進(jìn)行測(cè)試，并未考慮光照對(duì)PID的影響。

而學(xué)術(shù)界一直都有關(guān)于光照對(duì)光伏組件PID影響的研究，比如：

• 紫外光(波長(zhǎng)為315~400nm，輻照度為5W/m2)可以阻止或減緩PID-s和PID-p的進(jìn)程；

• 2類晶體硅光伏組件的PID-p對(duì)光照的響應(yīng)大不相同。

因此，忽視光照對(duì)PID的影響會(huì)導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用過程中對(duì)光伏組件的PID表現(xiàn)做出錯(cuò)誤的預(yù)判和解讀。

因此，IEC61215:2021系列標(biāo)準(zhǔn)中不僅合并了IECTS62804-1:2015中的PID測(cè)試序列，還增加了對(duì)光伏組件進(jìn)行光照恢復(fù)處理的測(cè)試環(huán)節(jié)，即PID測(cè)試之后可選擇進(jìn)行光照恢復(fù)測(cè)試(環(huán)境箱溫度為40℃，使用CCC級(jí)或以上級(jí)別的光源、輻照量為2kWh/m2)。

但針對(duì)PID測(cè)試，IEC61215:2021系列標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試序列與文獻(xiàn)中所用的PID測(cè)試與光照恢復(fù)處理同步進(jìn)行的測(cè)試方法不同。

由于工業(yè)界針對(duì)緩解PID-s的措施已較為成熟，比如：適當(dāng)提高SiNx層的折射率，增加SiO2層。并且因?yàn)椴煌谝酝夥M件的全鋁背場(chǎng)，鋁柵線的背鈍化工藝使p型PERC雙面太陽(yáng)電池的背面對(duì)PID更為敏感。

因此，目前針對(duì)p型PERC雙面光伏組件PID的研究熱點(diǎn)大部分聚焦在其背面。

基于此，本文采用IEC61215:2021系列標(biāo)準(zhǔn)中包含了光照恢復(fù)測(cè)試的測(cè)試序列，探討光照恢復(fù)處理對(duì)采用不同封裝材料的p型PERC雙面光伏組件背面PID的影響。

不同測(cè)試溫度(25、60、85C)下EVA膠膜和POE膠膜的體積電阻率測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同測(cè)試溫度下POE膠膜和

EVA膠膜的體積電阻率測(cè)試結(jié)果

由圖2可知，隨著測(cè)試溫度的升高，EVA膠膜的體積電阻率下降非常迅速，測(cè)試溫度為85C時(shí)其體積電阻率已降至1013Ω?cm左右，而此溫度下POE膠膜的體積電阻率還保持在1015Ω?cm以上。

這是因?yàn)镻OE膠膜的原料為ENGAGE?PVPOE，使其體積電阻率比EVA膠膜的高出1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。這2種膠膜的體積電阻率差異可反映采用二者作為封裝材料時(shí)光伏組件的抗PID性能存在的差異。

將太陽(yáng)電池A和太陽(yáng)電池B分別由EVA膠膜和POE膠膜封裝后制成光伏組件，測(cè)試光伏組件初始狀態(tài)時(shí)的輸出功率，然后測(cè)試并計(jì)算得到PID測(cè)試96h后及光照恢復(fù)處理后光伏組件的輸出功率衰減率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 PID測(cè)試96h后和光照恢復(fù)處理后

光伏組件的輸出功率衰減率

從圖3可以看出，在PID測(cè)試96h后，所有由POE膠膜封裝的光伏組件的輸出功率衰減率均較低，相對(duì)而言，所有由EVA膠膜封裝的光伏組件的輸出功率衰減率均較高。

這種因封裝材料不同而引起的光伏組件背面抗PID性能差異可以結(jié)合圖1的PID機(jī)理及圖4的分壓器模型來解釋。

圖4 模擬光伏組件的分壓器模型

圖中：Rp、Rg、RSiNx分別為膠膜、玻璃、SiNx層的電阻；ρg、ρp、ρSiNx分別為玻璃、膠膜和SiNx層的體積電阻率；VSiNx為SiNx層的電壓。

簡(jiǎn)單來說，圖4的分壓器模型是把光伏組件漏電流的通道看成了3個(gè)歐姆電阻器串聯(lián)，這3個(gè)歐姆電阻器分別代表玻璃、膠膜和SiNx層。根據(jù)圖1的PID機(jī)理，VSiNx是推動(dòng)PID進(jìn)程的重要驅(qū)動(dòng)力，而降低VSiNx就可以有效降低光伏組件的PID風(fēng)險(xiǎn)。

分壓器模型的分壓計(jì)算公式可表示為：

式中：Vext為分壓器的總電壓。

由于體積電阻率與電阻呈正相關(guān)，因此，結(jié)合式(2)可知，提高ρp有助于提高Rp，從而有效降低VSiNx。

盡管圖3中在PID測(cè)試96h后由EVA膠膜封裝的光伏組件的輸出功率衰減明顯，但是經(jīng)過光照恢復(fù)處理后，光伏組件的輸出功率得到了恢復(fù)，并且光源功率為1000W時(shí)的輸出功率恢復(fù)效果比光源功率為300W時(shí)的更佳。

這是因?yàn)楣夥M件被認(rèn)為可在光照和偏壓共同作用下恢復(fù)其輸出功率。也有關(guān)于光照和偏壓共同作用對(duì)PID-p影響的研究。

有公司認(rèn)為，紫外光可以離子化SiNx層的電子，并有效導(dǎo)出在該層累積的電荷，從而降低SiNx層分壓。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：對(duì)于p型PERC雙面太陽(yáng)電池而言，較低的輻照量就可有效阻止PID-p；并且高能光子可以激發(fā)產(chǎn)生移動(dòng)載流子，載流子可以中和減反射/鈍化層累積的電荷，從而有效降低PID-p。

的PID-p的光照恢復(fù)機(jī)理如圖5所示。

圖5 p型PERC雙面光伏組件的PID-p光照恢復(fù)機(jī)理

雖然PID測(cè)試96h是IEC標(biāo)準(zhǔn)中推薦的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)，但為了進(jìn)一步驗(yàn)證和保障光伏組件的長(zhǎng)期可靠性，工業(yè)界一般使用加嚴(yán)測(cè)試，即PID測(cè)試時(shí)的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)取192h或288h，更有甚者會(huì)取1000h。

本文對(duì)太陽(yáng)電池A和太陽(yáng)電池B分別與EVA膠膜和POE膠膜封裝后制成的光伏組件也進(jìn)行了192、288h的PID測(cè)試，然后進(jìn)行了光照恢復(fù)處理。以光伏組件初始狀態(tài)時(shí)的輸出功率為基準(zhǔn)，分別測(cè)試并計(jì)算得到PID測(cè)試192、288h后及不同光源功率下光照恢復(fù)處理后光伏組件的輸出功率衰減率，具體如圖6所示。

圖6 不同PID測(cè)試時(shí)長(zhǎng)及不同光源功率下

光照恢復(fù)處理后光伏組件的輸出功率衰減率

對(duì)比圖3和圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著PID測(cè)試時(shí)長(zhǎng)的增加，采用POE膠膜的光伏組件的輸出功率衰減率變化不大(小于2%)，而采用EVA膠膜的光伏組件的輸出功率衰減率變化明顯。

不同于圖3中的結(jié)果，圖6中PID測(cè)試192、288h后，采用EVA膠膜的光伏組件背面在經(jīng)過光照恢復(fù)處理后，光伏組件的輸出功率恢復(fù)情況明顯變差，尤其是PID測(cè)試288h后，即便經(jīng)過光照恢復(fù)處理，采用EVA膠膜的光伏組件的輸出功率衰減率也都超過了8%。

另外還可以看出，采用同種膠膜、不同太陽(yáng)電池制成的光伏組件的抗PID性能也稍有差別，這應(yīng)該是與太陽(yáng)電池鈍化層的成分和工藝不同有關(guān)。

一些研究者通過分析圖5的PID-p光照恢復(fù)機(jī)理后認(rèn)為：p型PERC雙面光伏組件背面的PID現(xiàn)象完全可以由光照恢復(fù)處理來恢復(fù)。

但從圖6中采用EVA膠膜的p型PERC雙面光伏組件背面在進(jìn)行光照恢復(fù)處理后光伏組件的輸出功率衰減率恢復(fù)情況來看，其背面除發(fā)生了PID-p之外，應(yīng)該還存在其他的PID機(jī)理。

有些研究者報(bào)道過電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致的光伏組件輸出功率衰減(即PID-c)。此種衰減是由太陽(yáng)電池鈍化層下面硅基體的電化學(xué)腐蝕引起的衰減。

電化學(xué)腐蝕在很多場(chǎng)景下均被發(fā)現(xiàn)過，關(guān)于其成因，有些學(xué)者認(rèn)為是在光伏組件的生產(chǎn)和應(yīng)用過程中存在有害的或腐蝕性的副產(chǎn)物，特別是酸性物質(zhì)(比如EVA膠膜降解產(chǎn)生的醋酸，或背板里粘結(jié)層中的丙烯酸、馬來酸)等引起的腐蝕。

這些腐蝕性化學(xué)成分可以與太陽(yáng)電池上的金屬柵線和電極發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致光伏組件出現(xiàn)永久性的輸出功率衰減。而電勢(shì)誘導(dǎo)不僅可以在酸濃度非常低的條件下觸發(fā)電化學(xué)腐蝕，而且可以加速電化學(xué)腐蝕進(jìn)程。

也有學(xué)者認(rèn)為光伏組件中的陽(yáng)離子雜質(zhì)可以在電勢(shì)下穿過封裝膠膜，在Si/AlOx間形成氧化層，從而導(dǎo)致太陽(yáng)電池產(chǎn)生鈍化缺陷，引起不可逆的光伏組件輸出功率衰減。

PID-p和PID-c也會(huì)對(duì)光伏組件的I-V特性產(chǎn)生影響。有研究表明PID-p一般會(huì)導(dǎo)致光伏組件的短路電流Isc和開路電壓Voc降低，而填充因子FF只會(huì)受到很小的影響；研究結(jié)果還指出，對(duì)于大尺寸光伏組件，F(xiàn)F的降低通常是由同塊光伏組件上不同太陽(yáng)電池的失配引起的。

將太陽(yáng)電池A和太陽(yáng)電池B均采用EVA膠膜封裝制成2種光伏組件后，對(duì)這2種光伏組件在PID測(cè)試96、192h后進(jìn)行光照恢復(fù)處理(光源功率為1000W)，然后測(cè)試2種光伏組件的I-V曲線，具體如圖7所示。

圖7 不同PID測(cè)試時(shí)長(zhǎng)及光照恢復(fù)處理后

2種光伏組件的I-V曲線

從圖7中可以看出，相較于初始狀態(tài)，PID測(cè)試96h后，所有采用EVA膠膜的光伏組件的Isc和Voc均有一定程度的下降，但是FF最高僅下降了0.62%，基本不受影響；而在光照恢復(fù)處理后，Isc和Voc均得到了恢復(fù)；PID測(cè)試96h后的光伏組件再進(jìn)行光照恢復(fù)處理后的I-V曲線特性符合PID-p的特征。

然而，當(dāng)PID測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)到192h后，F(xiàn)F最高降低了4.54%，下降明顯，而且在后續(xù)的光照恢復(fù)處理后也未完全恢復(fù)，從圖7b中可以明顯分辨出I-V曲線的可恢復(fù)和不可恢復(fù)部分。

一般來說，F(xiàn)F的降低都與太陽(yáng)電池上的金屬化部分，比如焊帶、柵線等的腐蝕有關(guān)。

PID測(cè)試192h后FF出現(xiàn)了明顯下降，其降低意味著隨著PID測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，PID-c逐漸開始在光伏組件輸出功率衰減中表現(xiàn)得越來越突出，且由PID-c引起的光伏組件輸出功率衰減是永久性且不可恢復(fù)的。

將太陽(yáng)電池A分別采用EVA膠膜和POE膠膜封裝制成2種光伏組件，然后測(cè)試2種光伏組件在不同測(cè)試階段的EL圖像，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 2種光伏組件在不同測(cè)試階段的EL圖像

從表1中可以看出，在PID測(cè)試192h后，采用EVA膠膜的光伏組件的EL圖像不僅整體變暗，而且出現(xiàn)了腐蝕性的黑色色斑。在光照恢復(fù)處理后，由于PID-p得到了恢復(fù)，光伏組件的亮度得到了提高，但黑斑仍然存在，這也證實(shí)了腐蝕類缺陷造成的PID-c具有不可逆性。