客观日本

日本产综研开发出抑制兆瓦级光伏电站的光伏电池输出功率降低的技术

2020年01月09日 能源环境

日本产业技术综合研究所(简称“产综研”)开发出了只需用透明导电膜覆盖住光伏电池单元的表面,即可充分抑制光伏电池性能短期内大幅降低的电势诱导衰减(PID)现象。

PID是随着加载高压,光伏电池模块的性能在短时间内大幅降低的现象,常见于兆瓦级光伏电站。以前报告过提高光伏电池模块密封材料的电阻率,以及改变光伏电池单元的防反射膜成分等对策,不过,这些对策虽然延缓了PID的进展,但无法完全抑制该现象发生,还存在制造成本增加和初期转换效率下降等课题。

此次开发的技术通过用透明导电膜覆盖住表面有防反射膜的现有晶体硅光伏电池单元,能屏蔽施加给防反射膜的电场,优点是可以充分抑制PID,能规避发电量降低的风险。而且初期转换效率几乎不会下降,是一种低成本且非常简便的方法。

另外,光伏电池单元表面的电极断线时,正常情况下无法收集断线部位的载流子,但利用此次开发的单元,断线部位的载流子也可以通过透明导电膜收集,所以还具有不会因此而导致发电性能降低的附加效果。

此外,可以直接利用以前使用的低成本光伏电池零部件及单元和模块制造工序,因此不会造成制造成本上升,有望轻松向产业界进行技术移转。

日本产综研开发出抑制兆瓦级光伏电站的光伏电池输出功率降低的技术

概要图:光伏电池模块的截面构造图(左)和通过用透明导电膜覆盖可充分抑制PID的晶体硅光伏电池单元的放大图(右)

开发的社会背景

实现可持续发展社会离不开可再生能源,其中对光伏发电的期望尤其高。以日本为首,世界各国都大量建设了数百兆瓦以上的光伏电站。这些大规模光伏电站为降低送电时的电力损失,都倾向于增加系统电压,1500伏左右的系统也在逐渐普及。

图1是普通光伏电池模块的截面结构图,据报告,在系统电压比较高的光伏电站,高电势侧的光伏电池单元与光伏电池模块的铝框之间的电势差约达到1000伏,如此巨大的电势差会引起PID。发生PID后,光伏电池模块的性能会在几个月至几年的短时间内大幅降低。因此玻璃盖板会经由密封材料向光伏电池单元之间施加巨大的电场,如图1的放大模式图所示,据说玻璃盖板中所含的钠离子会向光伏电池单元移动,从而引起PID,不过关于其机制还有很多不明之处。

日本产综研开发出抑制兆瓦级光伏电站的光伏电池输出功率降低的技术

图1:普通晶体硅光伏电池模块的截面结构图(左)与光伏电池单元部分的放大图(右)。在光伏电池单元表面层叠了由氮化硅构成的防反射膜。通过模式图展示了从玻璃盖板向光伏电池单元内移动的钠。

研究内容

根据以往的经验已经知道,采用高电阻率的密封材料或硅含量较高的氮化硅防反射膜能在一定程度上抑制兆瓦级光伏电站发生的PID现象。前者由于施加给密封材料的电场增大,施加到防反射膜上的电场相对减小。后者由于氮化硅防反射膜的导电率提高,施加到防反射膜上的电场减小。因此,产综研认为,如果能进一步减小施加给防反射膜的电场,甚至不向防反射膜施加电场,或许能彻底抑制PID。

在普通的晶体硅光伏电池单元中,指状电极穿透防反射膜到达单元的发射极层,因此如果用透明导电膜覆盖住防反射膜,透明导电膜与发射极层的电势将变得相同,二者之间的防反射膜被屏蔽,不会再施加电场。也就是说,用透明导电膜覆盖住光伏电池单元的防反射膜的话,有望抑制PID现象的发生。

为进行验证,产综研利用溅射法在通用的单晶硅光伏电池单元的防反射膜上,形成了100纳米厚的透明导电膜——氧化铟锡(ITO)膜。并制作了采用被ITO膜覆盖的电池单元的光伏电池模块和采用未被覆盖的电池单元的光伏电池模块。

图2是两种模块的截面结构图。在温度为85℃、相对湿度为2%以下,并向单元施加-2000伏电压的相对比较苛刻的条件下,对两种模块实施了PID加速测试。如图3所示,采用未被ITO膜覆盖的光伏电池单元的光伏电池模块在测试24小时后,输出功率降至初始值的10%左右,而采用被ITO膜覆盖的光伏电池单元的模块,测试1周后输出功率也没有降低,由此证明,利用在防反射膜上覆盖透明导电膜的简单方法,就能充分抑制PID现象的发生。从加速测试的结果以及此前的发现来看,预计采用被ITO膜覆盖的光伏电池单元的模块在实际环境中也能充分抑制PID现象的发生。

日本产综研开发出抑制兆瓦级光伏电站的光伏电池输出功率降低的技术

图2:采用传统结构光伏电池单元的光伏电池模块截面结构图(左)
采用在防反射膜上覆盖透明导电膜的光伏电池单元的光伏电池模块截面结构图(右)

日本产综研开发出抑制兆瓦级光伏电站的光伏电池输出功率降低的技术

图3:传统结构的光伏电池模块以及采用表面被100纳米厚ITO膜覆盖的光伏电池单元的光伏电池模块输出保持率PID加速测试的时间依赖性

论文信息
论文题目:Second-Generation meta-Phenolsulfonic Acid-Formaldehyde Resin as a Catalyst for Continuous-Flow Esterification
发表期刊:《Organic Letters》
DOI:10.1021/acs.orglett.9b04084

日文新闻发布全文

文:JST客观日本编辑部翻译

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