文/董雙麗 林榮超 曾嬋娟 戴穗 胡振球

（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院 廣東省佛山市 528300）

1 引言

光伏組件的運行可靠性決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)的長期收益，抗風(fēng)壓、雪壓和冰雹等載荷以及抵御安裝過程中的機(jī)械損壞是對光伏組件可靠性最基本的要求?，F(xiàn)行的機(jī)械載荷測試方法主要有靜態(tài)機(jī)械載荷測試和動態(tài)機(jī)械載荷測試。靜態(tài)機(jī)械載荷測試依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為IEC 61215-2:2016[1]，動態(tài)機(jī)械載荷測試依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為IEC TS 62782-1:2015[2]。無論是靜態(tài)機(jī)械載荷測試還是動態(tài)機(jī)械載荷測試，機(jī)械載荷對光伏組件性能的影響都只是通過機(jī)械載荷作用完畢后隨即測試得到。而事實上，機(jī)械載荷作用后光伏組件在長期運行過程中，環(huán)境溫度變化、環(huán)境濕氣侵入、以及長期的電流流過，將導(dǎo)致機(jī)械載荷作用后沒有呈現(xiàn)缺陷的電池片薄弱點，出現(xiàn)裂紋增加、裂紋引發(fā)熱斑、裂紋擴(kuò)展成裂片、焊帶和匯流條被腐蝕或接觸不良等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致太陽電池失效面積逐漸變大，進(jìn)而對光伏組件的電性能影響也越來越大，即機(jī)械載荷對光伏組件性能的影響具有長期性。本文通過特定的加速老化試驗?zāi)M長期運行過程中環(huán)境因素對光伏組件性能的影響，快速呈現(xiàn)機(jī)械載荷對光伏組件性能的長期潛在影響；借助電致發(fā)光圖像，直觀演示在實際運行過程中光伏組件內(nèi)部缺陷的發(fā)展過程，有效揭示了機(jī)械載荷對光伏組件性能影響的長期性。

2 研究依據(jù)及方法

2.1 研究依據(jù)

在戶外環(huán)境下，環(huán)境因素對光伏組件性能的影響需要經(jīng)過長時間的觀察和測試，為了在較短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)光伏組件因機(jī)械載荷作用而產(chǎn)生的潛在問題，加速老化試驗被引入到本研究中[3]。在常規(guī)戶外環(huán)境下，影響光伏組件性能的外界因素主要有兩點：一是環(huán)境溫度變化，二是環(huán)境濕氣，分別是熱循環(huán)試驗和濕凍試驗所模擬的環(huán)境條件。本研究的加速老化試驗程序為先進(jìn)行200次熱循環(huán)試驗(TC200)，而后進(jìn)行濕凍試驗(HF10)，試驗方法分別參照IEC 61215-2:2016[1]之4.11.3和IEC 61215-2:2016[1]之4.12.3。

光伏組件電致發(fā)光（EL）測試原理是根據(jù)半導(dǎo)體輻射復(fù)合釋放光子的特點，對組件施加正向電壓注入非平衡載流子，并通過光子探測器接收非平衡載流子輻射復(fù)合釋放的光子，非平衡載流子濃度越高（正常區(qū)域）釋放的光子越多，EL顯示圖像越亮，非平衡載流子濃度越低（缺陷區(qū)域）釋放的光子越少，EL圖像越暗，通過圖像明暗關(guān)系即可反映組件內(nèi)部電池缺陷情況[4]。本研究借助光伏組件最大功率和電致發(fā)光測試，分析加速老化試驗過程中光伏組件的最大功率和內(nèi)部缺陷變化情況。

2.2 研究方法

為方便試驗、節(jié)約研究成本，本研究所采用的樣品均為由4塊156×156多晶硅電池片封裝而成的小組件，見圖1。具體研究過程如下：

圖1：組件外觀

圖2：樣品最大功率隨累計加速老化試驗時間的變化

（1）選取24塊完全相同的組件，其中4塊作為空白，20塊作為試驗樣品；

（2）對試驗樣品施加機(jī)械載荷作用，而后對試驗樣品和空白樣進(jìn)行外觀、最大功率和電致發(fā)光測試；

（3）對試驗樣品和空白樣進(jìn)行50熱循環(huán)試驗，而后進(jìn)行外觀、最大功率和電致發(fā)光測試，外觀檢查合格的才能繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)試驗；

（4）重復(fù)步驟（3）3次；

（5）對試驗樣品和空白樣進(jìn)行濕凍試驗，而后進(jìn)行外觀，最大功率和電致發(fā)光測試；

（6）每一塊樣品得到5個最大功率值和5個EL圖像，繪制各樣品的測試時間-歸一化功率曲線，分析試驗樣品和空白樣最大功率和內(nèi)部缺陷變化情況。

表1：樣品經(jīng)歷環(huán)境試驗后EL圖像變化情況

外觀和最大功率測試方法分別參照IEC 61215-2:2016之4.1、IEC 61215-2:2016之4.2。EL測試，根據(jù)樣品信息設(shè)置電流參數(shù)不小于0.6倍標(biāo)稱短路電流，檢測設(shè)備的空間分辨率應(yīng)達(dá)到T/CPIA 0009—2019中規(guī)定的A級及以上。

3 結(jié)果分析

3.1 最大功率

所有樣品基本有相同的最大功率變化趨勢，本文以空白樣、試驗樣品1-4的測試數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，如圖2所示。

（1）隨著累計加速老化時長的增加，所有樣品的最大功率都有減小趨勢，空白樣1、試驗樣品1、試驗樣品3和試驗樣品4在HF10試驗后有拐點。

（2）（2）TC200+HF10試驗后最大功率衰減率：試驗樣品4>試驗樣品3>試驗樣品2>試驗樣品1>空白樣。

3.2 電致發(fā)光圖像

電致發(fā)光圖像的明暗關(guān)系可以反映組件內(nèi)部電池缺陷情況，本文給出了初始、TC100后、TC200后以及TC200+HF10后，樣品的電致發(fā)光圖像，如表1所示。由列表可知，隨著熱循環(huán)累計時長的增加，所有樣品內(nèi)部電池缺陷逐漸變得嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在：

（1）斷柵；

（2）裂紋交叉處變成裂片；

（3）焊帶接觸不良，與裂紋組成的區(qū)域發(fā)電能力失效；

（4）裂片由灰色變成黑色，發(fā)電能力由低效變成失效。

濕凍試驗后，試驗樣品2電致發(fā)光圖像呈現(xiàn)黑色的失效面積增加，而空白樣、試驗樣品1、試驗樣品3和試驗樣品4電致發(fā)光圖像變化不明顯。上述電致發(fā)光圖像變化有效解釋了，最大功率隨加速老化時長的增加逐漸減小的現(xiàn)象，空白樣、試驗樣品1、試驗樣品3和試驗樣品4在濕凍試驗后的拐點推測是由濕凍試驗引起的最大功率降低值小于測試誤差所致。試驗樣品1和試驗樣品2初始電致發(fā)光圖像相似，試驗樣品3和試驗樣品4初始電致發(fā)光圖像相似，由于篇幅限制，本文僅給出了試驗樣品1和試驗樣品3的電致發(fā)光圖像。由圖可知，在各個測試時間試驗樣品3的失效面積都比試驗樣品1的失效面積大，這有效解釋了試驗樣品3在TC200+HF10試驗后的最大功率衰減率大于試驗樣品1的現(xiàn)象。

4 研究結(jié)論

由上述試驗可知，機(jī)械載荷作用后光伏組件在長期運行過程中，受到溫度變化、濕氣浸入、電流通過等共同作用，會逐漸出現(xiàn)諸如斷柵、裂紋增加、裂紋引發(fā)熱斑、裂紋擴(kuò)展成裂片、焊帶和匯流條被腐蝕或接觸不良等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致太陽電池失效面積逐漸變大，進(jìn)而對光伏組件的電性能影響也越來越大，即機(jī)械載荷對光伏組件性能的影響具有長期性。