PID-電位差導致衰退

PID-電位差導致衰退

PID的全名是Potential Induced Degradation，直接的翻譯是電位差導致衰退，而發生的機制也如其名，就是因為模組內外的電位差而導致電池片功率衰退。PID這麼重要主要有兩個原因：

1.它造成的功率衰退很嚴重，30~50%很常見，不處理的話繼續到70~80%也是可能的。

2. 影響範圍廣，因為PID的發現比較晚，而且一直到大約2016年之後的模組才比較全面有抗PID功能（部份模組廠要客戶特別要求才出抗PID模組），也就是說2016年以前安裝的系統都可能有風險。發展太陽能比較早的德國，目前就面臨很多電站有PID問題而需要更換模組或做其他補救措施。所幸台灣在2015年之前的安裝量比較小，但是早期建置的業主還是要注意自己的電站是否有此情況。

PID發生機制

目前太陽光電系統的模組大都是直流串聯，接著併聯後進入逆變器，模組內的電壓經過串聯可以達到接近最大系統電壓1000 V（如下圖1）。而另一方面，為了防止模組漏電故障時人員有觸電的危險，所以鋁框全部都要接地，因此鋁框的電位接近0 V（對地）。在最極端的情況下（註1），鋁框與模組內的電池片之間有將近1000 V的電位差，而這個電位差會導致鋁框與電池片之間有微小的漏電流（如圖2），把玻璃內的鈉離子帶到電池片表面，破壞了用來發電的半導體PN接面，導致功率嚴重衰退。

圖1 模組串聯電壓累加

圖2 鋁框與電池間電位差

PID的檢測

發生PID之後，主要影響是電池片發電效率降低，一段時間後電壓也會降低。不過整個過程是緩慢漸進發生，所以通常不太容易由發電監控發現。有PID傾向的系統通常數個月到半年就會開始發生衰退，但等到一兩年之後才會因為發電量明顯低落而被發現，此時模組已經嚴重功率衰退，在發現之前的那段期間已經造成大量的發電損失。

EL是檢測PID問題的好工具，而且可以在初期功率還沒有大幅下降時就發現，讓業主能夠及早處置減少損失。下圖是用EL檢測出PID的案例，本案發生PID 的cell都在最外圍靠近鋁框的地方，因為此處的電位差效應最大，內部漏電流最多。

圖3 PID模組EL照片

前面提到模組內外電位差越大，PID也越嚴重，下圖是另外一個EL案例，模組串列越往左端電位差越來越大，EL影像顯示PID也越來越嚴重。

圖4模組電位與PID的關係（照片來源[1]）

IR熱影像也可以用來檢測PID問題，但是早期的PID並不會導致溫度上升，要等到PID程度嚴重時才會出現大幅溫度變化（如下圖），因此當熱影像發現PID問題的時候，通常也已經發電下降一段時間了。不過IR空拍的檢測成本比EL低些，還是不失為一個好的檢測方式。

圖5 PID模組IR照片（照片來源[2]）

PID預防方法

PID的防治可以從上、中、下游三個方面著手：

(1)電池片：透過電池片製程與材料的改變，可以阻擋鈉離子進入PN接面，減少PID效應。目前主流的電池片大都已經導入此類製程與材料，具有基本抗PID的能力。

(2)模組：有些封裝材可以減少電位差造成的漏電流，使鈉離子不容易被帶到電池PN接面，而減少PID效應。使用「抗PID封裝材」再加上「抗PID電池」，就可以做成「抗PID模組」。目前主流模組大都具有抗PID能力，通過抗PID測試已經是模組的基本要求。但是保險起見，購買時還是跟模組廠確認一下是否具有抗PID功能。

(3)系統：目前主流P型電池最怕的是鋁框電位比電池片電位高，這種電位差會把鈉離子從玻璃帶到電池表面。如果反過來讓電池的電位高於鋁框電位，就不會有PID問題。因此，把模組串列的負極接地，負極跟鋁框都在同一個電位上，那麼模組內的電池電位都會高於鋁框，也就可以避免PID發生。

但並不是所有系統都能負極接地，必須使用有變壓器隔離的逆變器才能負極接地。而有變壓器隔離的逆變器比較貴、比較大、比較重、效率也比較低，所以雖然比較安全且電力品質比較好，但是還是很少人採用。因此目前主要還是透過電池片與模組製造商努力增進抵抗PID的能力，讓電站減少PID的風險。

抗PID能力測試方法

目前測試的標準是IEC TS 62804-1:2015 Photovoltaic (PV) modules - Test methods for the detection of potential-induced degradation - Part 1: Crystalline silicon，這是針對矽晶的標準，對其他電池如CIGS的測試標準仍在制定中。測試時把模組放在60℃/濕度85%的測試箱內，模組鋁框與模組內的電池電路間施加電壓1000V（或最大系統電壓）持續96小時。測試後功率衰減必須小於5%，超過5%就算失效。
順帶一提，新版的測試標準可能會把溫度提升到85℃，因為業界一般認為60℃/濕度85%的測試條件不夠嚴苛，多半會用85℃/濕度85%，測試96小時二到三個循環（共192或288小時），新版IEC也會跟進改用85℃的測試條件。

另外還有一種測試方式，把模組表面用金屬箔包覆，同樣施加電壓1000V（或最大系統電壓），在25℃下連續測試168小時。但是這種測試方式已經比較少人採用，在新版的測試標準中可能不再列入。

PID治療方法

PID雖然會造成重大損失，也不容易完全預防，但還好它是可以治療恢復的。透過反向偏壓或電流，可以讓模組功率回覆到原來的90%或更高程度。市場上可以買到現成的設備，在受感染的系統上加裝反向加壓裝置，利用夜間施加反向電壓修復PID模組。

特別要注意的是這種反向加壓的裝置也有各種不同設計，有的跟模組串聯，有的是併聯，另外還要確認逆變器是否能搭配使用。採購前一定要跟供應商確認使用條件、安裝方法，才不會對系統造成損害。提供一個簡單的原則給大家參考，通常容易安裝的效果比較不好，效果好的安裝比較麻煩，剩下的就請大家自行斟酌。

PID FAQ

幾個常見的問題或誤解，在此也幫大家釐清一下：

(1)接地不良才會造成PID？

PID決定於鋁框跟電池片之間的電位差，在接地良好的情況下，鋁框電位都是0，模組內的電位低於鋁框就會有PID，所以接地良好本來就會有PID。而如果鋁框接地不良，鋁框電位可能是浮動的。運氣好的話鋁框電位剛好浮動到跟電池片差不多的電位，電位差變小造成PID效應也變小。當然也可能相反的，鋁框電位浮動到電位差更大的情況，那PID就嚴重了。不過無論如何，做好接地是必要的，避免人員的電擊傷害是重要的安全問題，PID問題要從別的方式去解決了。

(2) 既然有PID測試標準，購買通過測試的模組是不是就沒有PID問題了？

如同模組認證的問題，模組通過IEC61215認證測試，並不保證模組不會有品質問題。這些測試只是一個驗證的門檻，確認該產品有能力通過測試。但是因為材料批次間的差異、每批製程的差異等可能性，多少可能還是會有模組有PID問題。只能說經過這幾年的技術進步，抵抗PID的能力已經大幅提昇，讓系統面臨的風險也大幅降低。不過偶爾還是會發現部份電池片或模組抗PID能力較弱，仍然造成一些問題。再加上有些不肖廠商，使用不能抵抗PID的材料，也會造成業主的損失。

(3)PID問題有沒有在模組保固範圍內？

每家模組廠簽的保固合約內容不盡相同，具體應該要看保固條款而定。原則上大部分的模組廠是提供功率保證，不管是早期的10年90%/ 25年80%二階段保固，或這幾年流行的固定年衰減率的線性保固，功率過度衰退都是保固的範圍內。因此不論是什麼原因造成的功率衰減，應該都在保固範圍內。但實務上確實有遇到模組廠宣稱PID不在保固範圍內，建議遇到此問題的業主查閱一下保固條款，如果保固條款沒有另訂但書的話，PID造成的功率衰減應該在保固範圍內。

(4)PID造成脫層？

早期認為PID造成PN接面損傷，只有功率下降，而外觀是看不出來的。但是最新的研究發現有些PID似乎會伴隨著局部脫層現象（如下圖），這是因為鈉離子被帶到銀膠附近，因為銀的催化作用產生一些物質，造成EVA與電池片的接著力變差，因而發生脫層。IEC正在著手訂定相關的測試標準，未來除了PID功率衰減的測試，還會再加入PID脫層的測試。

圖6 脫層PID（照片來源[3]）

註1：大部分的系統沒有在直流端做功能性接地（正極或負極接地），所以電位是浮動的。最差的狀況是正極接近地線的電位，而負極為接近-1000 V，此時鋁框與電池片間的電位差最大，達到接近1000 V。

參考文獻：

[1] S. Pingel et al., “Potential Induced Degradation of Solar Cells and Panels,” 35th IEEE PVSC, Honolulu, 2010, pp. 2817–2822.

[2] B. Weinreich, Field study module and generator quality based on thermography measurements of 100 MW (in German: „Feldstudie zur Modul- und Generatorqualität auf Basis thermografischer Messungen über 100 MW“), Proc. 28th Symposium Photovoltaische Solarenergie (OTTI, Bad Staffelstein, Germany, 2013), Regensburg 2013

[3] Peter Hacke, PID Mechanisms and Degradation Rates, NREL PV Module Technology & Applications

延伸閱讀：

·      EL檢測技術介紹

·      太陽能電站IR熱影像空拍

關於作者：

林敬傑博士，業界朋友們暱稱為「傑博」

2004年在工業技術研究院從事太陽能模組研發，是國內最早開始研究太陽能的專家之一

2005年與德國萊因技術合作，在臺灣建立亞洲第一個太陽能檢測認證實驗室

2007年擔任德資企業a2pak Power茂暘能源技術長

2011年成立顧問公司PV Guider，提供專業諮詢與電站品質管控等服務

目前擔任：

PV Guider首席顧問

CNS國家標準審議委員

工研院量測中心顧問

SEMI產業標準工作小組召集人

Solar United國際太陽能產業聯盟工作小組技術專家

華聚基金會兩岸共通標準技術專家