太阳能电池
什么是PID效应，PID效应的危害及抑制PID效应的方法
　　PID效应的危害及抑制PID效应的方法
　　1、PID效应的危害有哪些？
　　PID效应（Potenal Induced Degradaon）又称电势诱导衰减，是电池组件的封装材料和其上表面及下表面的材料，电池片与其接地金属边框之间的高电压作用下出现离子迁移，而造成组件性能衰减的现象。
　　下表为组件PID效应测试前后的参数及I-V曲线对比【1】，通过对比明显可以看出PID效应对太阳能电池组件的输出功率影响巨大，是光伏电站发电量的&恐怖杀手&。
　　功率对照表
　　I-V曲线（PID效应测试前）I&V曲线（PID效应测试后）
　　2、为什么会发生PID效应？
　　通过光伏电池组件厂商和研究机构的数据表明，PID效应与组件构成、封装材料、所处环境温度、湿度和电压有着紧密的联系。
　　1）太阳能电池组件的构成
　　太阳能电池组件由玻璃+EVA+电池片+EVA+TPT+边框构成，各个部分的组成详见下图。
　　太阳能电池组件的构成
　　2）PID效应发生的过程
　　目前对组件发生PID效应的真正原因说法不一，比较典型的解释如下：
　　（1）潮湿、高温的环境容易产生水蒸气，水蒸气通过封边硅胶或背板进入组件内部；
　　（2）EVA（乙烯&醋酸乙烯共聚物）的酯键在遇到水后发生反应，生成可自由移动的醋酸；
　　EVA水解反应方程式
　　（3）醋酸和玻璃中的纯碱（Na2CO3）反应将Na+析出，在电池内部电场作用下移动至电池表面，造成玻璃体电阻降低；
　　Na+的析出及移动过程
　　（4）经过美国NERL（国家能源部可再生能源实验室）的研究无论采用任何技术的P型晶硅电池片，组件在负偏压下均有发生电势诱导衰减的风险。因为光伏阵列的组件边框通常都是接地的，造成单个组件和边框之间形成偏压，所以越靠近负极输出端的组件承受负偏压现象越明显。
　　电池板在阵列中的位置和偏压形成的关系
　　（5）在负偏压的作用下，漏电流通路因此形成，漏电流由电池片&EVA&玻璃表面&边框&支架，最终流向大地。
　　负偏压作用下漏电流路径【2】
　　（6）在漏电流的作用下，带正电的载流子穿过玻璃，通过边框流向地面，使得负电荷在电池片表面堆积，吸引光电载流子（空穴）流向N型硅的表面聚集起来，而不是像正常状态下一样流向正极（P极）。这种表面极化现象而引起的输出功率衰减就是PID效应。
　　3、如何抑制PID效应的发生？
　　了解到PID效应对光伏电站发电量的巨大影响，抑制PID效应更加刻不容缓。根据对PID效应的分析可以得出两种处理方案，一种是从组件侧考虑，另一种是从逆变器侧考虑，具体方案如下：
　　1）从组件侧考虑：
　　（1）采用非Na、Ca玻璃提高玻璃的体电阻，阻断漏电流通路的形成；
　　（2）采用非乙烯&醋酸乙烯共聚物的封装材料。
　　特点：从材料上抑制PID效应，安全、可靠，但非Na、Ca玻璃的成本高昂。另外新材料的稳定性问题也是未知数，目前无法推广应用。
　　2）从逆变器侧考虑：
　　采用组件负极接地的方式，防止负偏压造成的漏电流形成。
　　负偏压和正偏压下组件PID效应对比
　　特点：处置方案简便、成本低、效果显著，但负极直接接地会造成安全隐患，威胁电站的正常运行和运维安全。逆变器负极接地后，若发生组件正极接地故障则会造成电池板短路，而运维人员如若接触到正极则会发生电击危险，所以负极接地电路必须具有异常电流监测及分断保护系统，方可在抑制PID效应的同时保障电站设备的运行安全。
　　作为行业领军的逆变器设备研发、制造企业，特变电工不断突破自我，创新求变，通过对PID效应进行长期的实验研究和积累，研发出一套能够可靠抑制PID效应的解决方案，它既能够保障负极接地的可靠性，又能使逆变器具备完善的保护功能，被称为防PID效应套件。
　　防PID效应套件简介
　　防PID效应套件是由绝缘监测系统和接地保护系统两部分构成，工作原理如下：
　　绝缘监测系统：假设电池板PV+对大地的绝缘阻抗为Rx（因负极接地，故无需监测PV-对地阻抗）。首先为PV+并联已知电阻R1，其次测量并联后PV+对大地电压，最后计算出Rx值。一旦Rx低于阈值时，逆变器立刻报警停机，防止绝缘阻抗过低造成的短路风险。
　　绝缘监测的原理
　　接地保护系统：GFDI（PV Ground-Fault Detector Interrupter）设备由分断器件+高精度传感器组成，分断器件负责在故障电流出现时，分断负极接地电路；传感器负责检测负极接地电路中的异常电流。当检测到负极接地电路中有异常电流通过时，分断器件瞬时切断负极接地电路，切断漏电流通路，保护运维人员安全。
　　4、结论
　　PID效应作为光伏电站发电量的可怕杀手，发生的根本原因是与环境因素和组件封装材料有关。相信未来组件厂商定能够找到一种更加可靠的材料，从根源上阻断PID效应的发生。但是在当下，负极接地无疑是最可靠的抑制PID效应的方法。
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副教授，博导
、学习和工作经历
至今，西安交通大学，电信学院微电子学院，副教授
，英国利物浦大学，短期交流学习。
，西安交通大学，能动学院核科学与技术系，博士后
，西安交通大学，电信学院微电子学系，讲师
，西安交通大学，电信学院电子科学与技术系，博士
，西安交通大学，电信学院电子科学与技术系，学士
、研究领域或方向
²半导体器件物理及模型研究
²数模混合集成电路设计
²视觉信息与图像处理设计
²可测性设计
²类脑计算
、正在或曾经承担的科研项目
）中电所项目：器件研究，，主持。
）中电所项目：转换器结构研究，，主持。
）中国科学院微电子所硅器件技术重点实验室开放基金：纳米尺寸器件热生成及导热机理模型研究，，主持。
）北京微电子技术研究所合作项目：芯片，，主持。
）“核高基”重大专项子课题：，，主持。
）企业横向合作项目：基于深度学习的目标跟踪系统的研发，，参与。
）北京华大九天软件有限公司合作项目：数字校准算法研究，，主持。
）国家自然科学基金青年自然科学基金项目：随机掺杂纳米器件模型研究，，主持。
）国家电网项目：变压器绕组变形在线监测芯片及其应用关键技术研究，，参与。
）国家自然科学基金重大项目，非绑定自组织网络的弱状态路由与后寻址，，参与。
）国家自然科学基金面上项目，微剂量阵列探测器物理设计关键问题研究，，参与。
）国家自然科学基金面上基金项目：垂直围栅工艺、性能及模型研究，，参与。
）国家自然科学基金面上基金项目：超深亚微米器件的重离子单粒子效应新机理研究，项目批准号，，参与。
）国家自然科学基金青年基金项目：基于的同构多核并发在线测试研究，，参与。
）教育部博士点基金项目：微纳米器件的重离子位移损伤效应机理研究，，参与。
）西安交通大学学科综合交叉类科研项目：多种辐射机制下微纳米器件效应分析与加固设计，，主持。
）西安交通大学大学自由探索与自主创新类项目：多维相似性测试图形理论及其在纳米电路测试中的应用，，主持。
）“核高基”重大专项子课题：，，主持。
）教育部博士点基金新教师基金项目：非均匀掺杂全耗尽模型研究，，主持。
、科研成果
）发表论文
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曾云霖，苏亚丽，张国和一种用于生物医学信号采集的低噪声前置放大器设计，第七届中国微纳电子技术交流与学术研讨会，太原，
刘晓波，刘沛，刘书焕，张国和一种应用于粒子探测器的低噪声模拟前端电路设计，第七届中国微纳电子技术交流与学术研讨会，太原，
张国和，冀丽丽，张林林，雷绍充，梁峰，一种低功耗测试图形生成方法，西安交通大学学报，（），，
张国和，郑雪，陈克斌基于粒子群优化算法的模型参数提取，微电子学与计算机，（），，
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，，，，，
，，，，，，，，，
，，，，，，（），，
张国和，邵隽，陈婷正背栅二维阈值电压解析模型，世界科技研究与发展，，，
胡志良，贺朝会，张国和，郭达禧，超深亚微米中子辐照效应数值模拟，原子能科学技术，（），，
肖筱，张国和，中子辐射效应模拟研究，，页，三亚，，大会报告
李尊朝，尤一龙，张国和，张莉丽，崔吾元垂直硅纳米线工艺研究，第十七届全国半导体集成电路、硅材料学术会议，页，三亚，大会报告
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雷绍充，梁峰，张鸿，张国和，测试，西安交通大学出版社，
）专利授权与申请
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雷绍充王震张国和刘泽叶，一种集成电路的低功耗二维测试图形生产器，中国，
包东烜邵志标张国和姚剑峰，一种抗单粒子翻转和单粒子瞬态脉冲的半动态触发器中国，
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英文名称　　Piezoelectric effect　　压电效应概述　　压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。压电效应分类　　压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。　　正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。　　逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。　　依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。　　这里再介绍一下电致伸缩效应。电致伸缩效应，即电介质在电场的作用下，由于感应极化作用而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在，不论是非晶体物质，还是晶体物质，不论是中心对称性的晶体，还是极性晶体。压电效应历史与应用　　06年是居里兄弟皮尔（P&Curie）与杰克斯（J&Curie）发现压电效应（piezoelectriceffect，注一）的一百二十六周年。1880年前在杰克斯的实验室发现了压电性。起先，皮尔致力于焦电现象（pyroelectriceffect，注二）与晶体对称性关系的研究，后来兄弟俩却发现，在某一类晶体中施以压力会有电性产生。他们又系统的研究了施压方向与电场强度间的关系，及预测某类晶体具有压电效应。经他们实验而发现，具有压电性的材料有：闪锌矿（zincblende）、钠氯酸盐（sodiumchlorate）、电气石（tourmaline）、石英（quartz）、酒石酸（tartaricacid）、蔗糖（canesuger）、方硼石（boracite）、异极矿（calamine）、黄晶（topaz）及若歇尔盐（Rochellesalt）。这些晶体都具有非晶方性（anisotropic）结构，晶方性（isotropic）材料是不会产生压电性的。　　在非晶方性晶体中，施一外力使晶体变形，则由于晶格中电荷的移动造成晶体内局部性不均匀电荷分布，而产生一电位移。电荷的位移是由于晶体内部所有离子的移动，或者因为原子轨道上电子分布的变形而引起离子偏极化所造成，这些电荷位移现象在所有材料中都存在，可是要具有压电效应，则必须能在材料每单位体积中造成有效地净的电双极矩变化。是否能有这种变化，端视晶格结构之对称性而定。压电现象理论最早是李普曼（Lippmann）在研究热力学原理时就已发现，后来在同一年，居里兄弟做实验证明了这个理论，且建立了压电性与晶体结构的关系。1894年，福克特（W.Voigt）更严谨地定出晶体结构与压电性的关系，他发现32种晶类（class）可能具有压电效应（32类中不具有对称中心的有21种，其中一种压电常数为零，其余20种都具有压电效应）。　　今天，我们都知道，压晶体管可用来作为声波的产生器与接收器，无论在军事上（如声纳）、工业上、工程上都具有广泛的用途。可是早在居里兄弟发现压电性后的三分之一世纪中，压电效应在应用上几乎没有受到任何重视。就是皮尔本人也只不过用它来测量镭元素所辐射出的电荷罢了。到了第一次世界大战，盟军军舰受到德国潜艇的攻击大量受损，于是设法寻找有效侦测潜艇的方法。因为电磁波无法有效穿透海水，而声波则能容易地在海里行进，因此，当时的蓝杰文（P.Langevin）发展出利用石英压晶体管作为声波产生器。可惜等到有了好结果，大战已接近尾声而来不及用上了。石英两面各贴一钢片，使其振荡频率降到50KHz，外加一电脉波讯号，则经换能器转换成声波传至海底；过一段时间后，换能器接收到由海底反射之回波，由来回时间及波在海中行进的速度，可决定换能器到海底的距离。这个原理同样可测潜艇的位置。　　第一次大战后不久，石英换能器便发展出两项重要的应用。首先，哈佛大学的皮尔士教授（G.W.Pierce）用石英晶体制作超声波干涉仪，由石英所发生的超声波和图中声波反射器所反射的回波混合，产生极大值，若微调反射板使前进或后退，则可获得另一极大值，由两极大值间的距离，亦即反射板在两相邻极大值间所移动的距离，可测出声波波长。因为已知频率，因此由频率与波长的乘积，可定出波在气体介质中的速度。同时，由几个极大值间的振幅降低率，可求出波在气体中的表减系数。当时用它来测量声波在二氧化碳中波速对频率的关系，而求出波速的色散关系。用这种方法，可研究气体在不同混合比与温度下声波的波速与衰减率。　　1927年，伍德（R.W.Wood）与鲁密斯（A.L.Loomis）首先使用高功率超声波。使用蓝杰文型的石英换能器配合高功率真空管，在液体中产生高能量，使液体引起所谓的空腔（cavitation）现象。同时也研究高功率超声波对生物试样的效应。　　在水下音响（underwatersound）的研究中发现，石英晶体并不是很好的换能器材料，但是它的振荡频率却不随温度而变，亦即所谓的具有低的温度系数。这种频率对温度的高稳定性，用在控制振荡器的频率，及某些滤波器上最有用。1919年，卡迪（Cady）教授第一次利用石英当作频率控制器，图四就是最早期的晶体控制振荡器电路。因为晶体具有极高的Q值（注三），振荡器的频率受到晶体共振频率的控制，且频率不随温度变化而变。后来，皮尔士和皮尔士-米勒（Pierce-Miller）又发明一种以后广被采用的晶体控制振荡电路。在第二次世界大战中，大约使用了一千万个晶体振荡器，用以建立坦克与坦克之间及地面和飞机之间的通讯。　　石英晶体另一个重要的应用在于获得高度频率选择性的振荡器。石英晶体是一个高Q值的压电芯片，高Q值意味着低的声波能量损耗（其衰减率则与频率平方成正比）；高Q值也意味着窄频带，因此不适合声音传输电路使用。为了能在载波通信系统中使用，可用一串联电感（见图五）来获得宽带操作。此类滤波器的结构图，它常被用在有线通讯系统、微波通讯系统等。　　二次大战声纳音鼓所使用的材料是若歇尔盐而非石英晶体。虽然若歇尔盐具有高机电耦合效率，可是却较不稳定，耐压不高，很难在太高的功率下操作。在理论上，若歇尔盐是第一个具有铁电性（ferroelectricity）的材料，沿着晶轴方向具有一个自发极化性（spontaneouspolarization）。图七表示沿X轴所测得偏极化量对温度的关系。它具有两个居里温度（Curietemperature），在居里温度时偏极化量是零，在两温度之间则偏极化是最大。为了纪念在若歇尔市出生的塞格内特（Seignette）博士，这种效应称为塞格内特铁电效应，一般简称为铁电效应，以表示它与铁磁效应的相似性。在铁电材料中，当温度低于居里温度时，材料内部具有电双极（dipole）。大部分氢键结合的电双极，如若歇尔盐，其双极都具有规则性排列，且一般都只有一个居里温度，可是若歇尔盐则具有两个居里温度，这两类的差异主要在于氢键终端负离子的不同。一般氢键晶体的电位井（potentialwell）分布如图八所示，在两氧离子之间氢离子可存在的位置有两个，氢键电双极值等于电荷和两组离子分开距离差的乘积。外加一电场可使氢离子由一位置跳至另一位置，而使电双极的方向改变。在高温，则热量的扰动使氢离子充满两个井的位置的机会相等，因此没有自然偏极化存在。当温度降低，则两电双极相吸而使双极方向排列趋规则化。在居里温度则两电双极互相抵消，但在居里温度加一小外力就能引起大的偏极性。温度低于居里温度则自发偏极性产生。对于一般具有如图八的电位井的氢键晶体，其偏极性可一直增加，直到饱和发生。可是对于若歇尔盐，则偏极性在达到一极大值后就开始降低到零。其原因可用图八的电位井分布图说明，在很低温下，所有氢离子完全分布在两低能井中，没有自发偏极性存在。温度上升，有些氢离子得到热能而跃至较高能阶。温度愈高，这种跃迁机会愈大，两电双极因互相吸引而产生一较低的居里温度。图九表示若歇尔盐的X光绕射晶体结构。造成铁电效应的是标号1的氧分子与标号10的水分子所组成的氢键。对氢离子言，此二分子是端点上两个不同的离子，因此形成如图八所示的两个不同名称之电位井。　　以前若歇尔盐一直是唯一为人所知的铁电材料，可是现在我们知道，具有铁电性的材料已超过百种。铁电性材料因具有自发偏极性，且加电场能生感应偏极性，因此用它作换能器此一般压电单晶如石英等具有更高的机电耦合效率及灵敏度，可是其稳定性则略逊于压晶体管。渐渐地，人们用铁电陶磁来作换能器。最早被人使用的是钛酸钡（BaTiO3），它是麻省理工学院的冯希普尔（vonHippel）及苏俄科学家伏耳（Vul）及戈曼（Goldman）所分别发现的。未被极化的陶磁，在域（domain,注五）中之偏极化方向不具规则性，整片陶磁就像一块高介电常数的电容器，因为它只需很小的体积就有够大的电容量，因此被用在电视机上。如在120℃以上的温度下加一高电压，则一些域内之电耦呈规则性排列，而有净的偏极性存在，具压电效应。我们可因外加交流电场的方向不同，而使产生纵波（电场平行于厚度方向）或横波（电场垂直于厚度方向）。纵波可在水中行进，亦可在固体中产生高能量。横波则因速度较慢，适合用来制作延迟线。目前最好的压电陶磁要属PZT（lead-zirconate-titanate）。　　最近两种重要铁电材料可用来制作声波换能器，一是高分子薄膜，聚双氟亚乙烯（polyvinylidenefluoride,简称PVF2或PVDF），一是氧化锂铌（lithiumniobate,LiNbO3）。聚双氟亚乙烯经拉伸及加高直流电压后呈强压电性，它具有许多优点：其声波特性阻抗和水很近，阻抗自然匹配，容易获得宽带操作，适合非破坏检测、医学诊断及声纳与水中听音器（hydrophone）使用，尤其是它具有很高的声波接收系数，用来制作被动式声纳（passivesonar）之水听器数组（hydrophoneassay）具有重要性。除外，它具柔软性，又可耐高电压（其崩溃电压比PZT高约100倍）。氧化锂铌单晶具有高机电耦合及极低的声波衰减系数，容易激发高频表面声波（Rayleighwave），是用来制作表面声波（surfaceacousticwave,简称SAW）组件的最佳材料。这些组件在讯号处理系统与通信系统上具有不可取代的地位。图十一表示使用氧化锂铌表面波通频滤波器。用一组正负电压相间的交趾状换能器产生表面声波（所谓的interdigitaltransducer,或简称IDT），所激发声波之中心频率由正负电极间之距离决定，其频宽则与电极数目成反比。图十二表示另一表面声波脉波伸张与压缩滤波器，它可用在CHIRP雷达系统中，以提高搜索范围与解像力。　　另一项重要且独特的研究，是在所谓的声学显微上，这种微波频率的组件使用电溅（sputtered）的压电薄膜作为声波换能器，以振动产生几个GHz（1GHz＝109周／秒）声波，其对应波长约为一微米（10-6米）。因为换能器振动频率和压晶体管厚度成反比，要产生如此高频率声波需用薄膜压电材料，如氧化锌或硫化镉等。　　时值压电效应发现的一百周年，特参考马逊（W.P.Mason）之作撰写本文，简介压电性之历史及其应用。早期压电效应仅止于学术上的趣味性研究，而如今则已成为非常有用的效应，用它制出各式各样的声电换能器，其操作频谱可由100Hz起涵盖至几个GHz，依频率的不同而有不同的用途。声纳、反潜、海底通讯、电话通讯等是低频（声频、AF波段）讯号最典型的应用。在几个MHz范围，其波长在毫米范围，适合用来作非破坏性的检验材料（nondestructivetesting,简称NDT）与医学诊断上，所谓超声波成像术、全像摄影术、计算机辅助声波断层摄影术等就是针对这些用途而研究的。频率在VHF、UHF波段则使用压电性所研制出来的表面声波电子组件。如延迟线、各式滤波器、回旋器（convolver）、相关器（correlator）等讯号处理组件，在通讯上与讯号处理上具有重要的应用。当频率高至低微波波段，其对应波长在微米范围，用来制作声学显微镜，其解像力可和传统的光学显微镜比美，而其机械波而非电磁波的独特性质，则可弥补光学显微镜在应用上的不足。　　注一：对某些材料施一压力或拉力，则除了材料外形有所变化外（所谓的应变），由于此类材料之晶格结构具有某种不对称性（所谓的inversionasymmetry），外形的变形使内部电子分布呈局部性不均匀而产生一净的电场分布。反之，外加一周期性电压或电场变化，则能使材料产生变形，及一对应的应力，形状变化随外加电压讯号之频率而变，可产生一周期性弹性波或声波，这种效应称为压电效应，这些材料即称为压电材料。　　注二：在一些铁电材料中，当其温度有所变化时，则会引起其自发偏极矩的变化，而在材料表面呈净电荷分布，这种效应即称为焦电效应。利用这种效应，可检知温度变化或测量所谓的热波（thermalwave）。　　注三：振荡器Q值（qualityfactor）的定义是每单位周期振荡波所损耗的功率，有时我们用Q＝中心频率／频宽表示。频宽愈窄的振荡器，Q值愈高，如石英振荡器就是一例。　　注四：介入损耗表示一电子组件或组件的总损耗量，即输出讯号和输入讯号相比之差额，一般以分贝（dB）表示。　　注五：在铁磁材料中，当温度远低于居里点时，以微观观点来看，所有电子的磁矩应完全以同一方向排列，其实不然。实际上此种材料内部分成许多小区域，在每一区域内磁矩呈规则性排列，可是小区域与小区域间之磁矩排列方向则不尽相同，以致于整个材料之磁矩远小于其饱和磁矩。这些小区域简称为域或畴，在反铁磁材料、铁电材料、反铁电材料、铁弹性材料（ferroelastics）、超导体材料中亦都有域存在。
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