晶體硅光伏組件蚯蚓紋現象淺談

江蘇輝倫太陽能科技有限公司 ■ 孫建華 姜衛 楊建城 王麗芹

一 引言

近年來，隨著蚯蚓紋現象的逐漸大面積發生，全世界范圍內的光伏產業面臨各方的質疑而無法提供合理的解釋，繼而關于該現象研究的文章不斷涌現，受到了整個光伏組件產業鏈的廣泛關注。組件制造商、組件原材料供應商甚至終端用戶都在積極尋找這一現象產生的原因、對光伏組件性能的影響以及如何預防該現象的方法。關于蚯蚓紋現象的產生機理眾說紛紜，電池片、EVA、背板等主要原材料都被逐一探討。本文著重分析蚯蚓紋對組件性能的影響，以及可能導致蚯蚓紋現象發生的條件。

蚯蚓紋并不是真正由蚯蚓造成的，它是一種化學反應后產生的一種細小、變色的條紋。通過EL(Electro Luminescence)檢測發現，蚯蚓紋并非隨機產生，它通常會沿著電池片的隱裂紋出現，同時也會出現在電池片主柵線和邊緣的副柵線處。蚯蚓紋呈棕色，因與電池片細柵線的銀白色色差加大，所以蚯蚓紋看起來較顯眼。

據權威雜志報道，蚯蚓紋現象在2004年首次被發現，在過去的三年里，該現象開始頻繁地發生。據多數光伏組件制造商和安裝商反映，在單晶硅和多晶硅組件上均發現蚯蚓紋現象，所以蚯蚓紋現象并非特定的電池片或組件造成的。

二 不同實驗方法對蚯蚓紋的影響

1 長期戶外使用對蚯蚓紋組件的影響

面對光伏組件上如此頻繁出現的蚯蚓紋，組件制造商和系統運營商都在思考：蚯蚓紋是否會影響光伏組件的輸出功率。我們針對戶外應用的組件進行功率追蹤，在光伏組件其他主要材料相同的前提下，選取兩年內出現蚯蚓紋現象的156mm×156mm多晶硅組件和正常的156mm×156mm多晶硅組件各10件進行數據統計。圖1為出現蚯蚓紋現象的組件以及正常組件的功率衰減分布圖。

根據圖1的數據統計，使用一年左右，正常組件最大衰減為2.85%，平均衰減為0.77%，蚯蚓紋的最大衰減為2.85%，平均衰減為0.61%；使用兩年左右，正常組件最大衰減為2.97%，平均衰減為2.25%，蚯蚓紋的最大衰減為2.99%，平均衰減為2.58%。

圖1 戶外組件功率衰減

2 環境實驗對蚯蚓紋組件的影響

在光伏組件其他主要材料相同的前提下，選取蚯蚓紋156mm×156mm多晶硅組件和正常156mm×156mm多晶硅組件各10件，依據IEC 61215：2005[1]進行熱循環試驗、濕凍試驗和濕熱試驗驗證，以探討環境對蚯蚓紋組件的影響。

(1)熱循環試驗驗證

試驗驗證過程中，將試驗次數由標準的200次循環增加至400次循環。試驗后，蚯蚓紋組件的蚯蚓紋未出現擴大現象，正常組件未出現蚯蚓紋現象。

(2)濕凍試驗驗證

試驗驗證過程中，將試驗次數由標準的10次循環增加至40次循環。試驗后，蚯蚓紋組件的蚯蚓紋未出現擴大現象，正常組件也未出現蚯蚓紋現象。

(3)濕熱試驗驗證

試驗驗證過程中，將試驗時間由標準的1000h增加至2000h。試驗后，蚯蚓紋組件的蚯蚓紋未出現擴大現象，正常組件未出現蚯蚓紋現象。

根據熱循環試驗、濕凍試驗和濕熱試驗的驗證結果可知，組件均未出現蚯蚓紋現象，即單一的測試條件無法重現蚯蚓紋現象。

3 蚯蚓紋現象與原材料的關系

對戶外使用的組件進行統計并匯總，按照電池片、EVA以及背板三種可能導致蚯蚓紋現象的主要材料進行分類。

(1)蚯蚓紋與電池片的關聯性統計

目前統計的組件中，涉及的電池片為A、B和C三個廠商。表1為根據電池片進行分類。

表1 組件依據電池片分類的信息

(2)蚯蚓紋與EVA的關聯性統計

目前統計的組件中，涉及的EVA均為一個廠商的一種型號的EVA。因為EVA產品的單一性，所以蚯蚓紋與EVA之間不存在關聯性。

(3)蚯蚓紋與背板的關聯性統計

目前統計的組件中，涉及的背板為1#、2#和3#三個廠商。表2為根據電池片進行分類。

表2 組件依據背板分類的信息

根據統計數據顯示，1#背板的組件從安裝到發生蚯蚓紋的時間為4～5個月；2#背板的組件從安裝到發生蚯蚓紋的時間為11～12個月；3#背板的組件從安裝到發生蚯蚓紋的時間為11～12個月。

4 戶外極端條件對蚯蚓紋現象的影響

依據以上得出的單一測試條件無法重現蚯蚓紋現象的結論，筆者推測蚯蚓紋可能是溫度、濕度、電流和太陽光照綜合作用的產物，并針對這一推論制定了戶外綜合條件驗證計劃：在高溫、高濕條件下，對組件進行通電和曝曬處理，觀察蚯蚓紋現象。

(1)戶外極端條件驗證

在光伏組件其他主要材料相同的前提下，選取1#、2#和3#背板各兩件進行驗證。拆除其旁路二極管后，與多件組件串聯，進行曝曬。在組件的背面放置海綿，正面放置鋼化玻璃。試驗過程中，對組件背面的海綿進行注水，以增加濕氣；隱裂組件的上表面覆蓋鋼化玻璃，使其發生熱斑，且降低組件上表面的熱交換速率，以提高組件的溫度。組件戶外驗證的情況詳見表3。

當1#背板的兩件組件在累計輻照量分別達到14kWh/m2和18kWh/m2時，電池片出現了明顯的蚯蚓紋現象。根據試驗結果可知：蚯蚓紋的出現與組件使用的背板確實存在一定關系。

表3 組件戶外試驗信息

(2)背板特性與蚯蚓紋關系分析

背板個體的差異導致了組件出現蚯蚓紋比例的差異和出現時間長短的差異，到底是背板的何種性能導致這些差異的存在呢？對戶外應用組件進行檢查時，發現一件1#背板的組件出現蚯蚓紋現象，如圖2所示，EL圖顯示該處并沒有電池片隱裂，但蚯蚓紋處的背板存在劃痕，如圖3所示。背板存在劃痕，會導致水汽較易滲入組件。水汽在一定條件下，可能誘使組件表面產生蚯蚓紋。

圖2 組件蚯蚓紋

圖3 組件背板劃痕

業內針對蚯蚓紋現象也提出一種假設：組件在背板滲入的水或水蒸氣的影響下，引起了隱裂位置的電氣阻抗產生熱量，令EVA膠膜中的物質溶解。這些物質其后成為沉積在電池表面的殘留物，形成了蚯蚓紋。

實際應用組件和現象的假說均認為水汽對組件產生蚯蚓紋現象有影響。是否背板的透水率大小對組件產生蚯蚓紋現象有影響呢？

圖4為目前市面上的主流背板的透水率分布，其中前3種為本文中涉及的1#、2#和3#背板。

圖4中，1#背板的透水率明顯高于其他背板，透水率較大，則單位面積、單位時間內滲入到組件內部的水汽越多，組件發生蚯蚓紋現象的概率越大。

圖4 不同背板透水率

結合以上數據可得出以下結論：背板透水率越高，組件產生蚯蚓紋的概率越大，產生蚯蚓紋的時間就越短；背板的透水率差異可能與組件產生蚯蚓紋的比例和時間的長短存在一定關系，背板透水率高會加速該現象形成。

三 數學分析方法分析

本文針對統計的數據進行數理分析，使用了方差分析和卡方檢驗兩種分析工具。

1 方差分析

方差分析法是指將所獲得的數據按某些項目分類后，再分析各組數據之間有無差異的方法。下列為針對上文中蚯蚓紋現象的156mm×156mm多晶硅組件和正常的156mm×156mm多晶硅組件戶外使用兩年的功率衰減的差異分析。圖5為方差分析的計算和殘差圖。

圖5 功率衰減方差分析

設定置信度為95%，即當P＜0.05時，認為兩者的功衰減存在差異。數據分析：P=0.894＞0.5，因此判定，蚯蚓紋現象的156mm×156mm多晶硅組件和正常的156mm×156mm多晶硅組件的功率衰減水準無差異。

針對125mm×125mm單晶硅和156mm×156mm單晶硅的組件也進行了功率追蹤分析。結果顯示，組件的功率衰減不存在差異。由此可見，蚯蚓紋組件在戶外使用，未對組件輸出功率產生影響。

2 卡方檢驗

卡方分析是用來研究兩個定類變量間是否獨立即是否存在某種關聯性的最常用的方法。下列為針對第二章第小三節中電池片以及背板與蚯蚓紋現象關聯性進行驗證。

(1)蚯蚓紋與電池片的關聯性驗證(圖6)

圖6

分析：當P＜0.05時，認為兩者存在關聯性關系。經卡方分析后得到P=0.352＞0.05，因此判定，蚯蚓紋現象的發生與不同廠商的電池片之間不存在關聯性。

(2)蚯蚓紋與背板的關聯性驗證(圖7)

圖7

分析：當P＜0.05時，認為兩者存在關聯性關系。經卡方分析后得到P=0.000＜0.05，因此判定，蚯蚓紋現象的發生與不同廠商的背板之間存在關聯性。

結合上文中對組件的蚯蚓紋現象時間的統計，由此可見，蚯蚓紋現象出現的時間與背板存在一定關系。

根據以上的數據分析，可以得出以下結論：(1)蚯蚓紋組件在戶外使用，未對組件輸出功率產生影響。(2)蚯蚓紋現象的發生與不同廠商的電池片之間不存在關聯性。(3)蚯蚓紋現象的發生與不同廠商的背板之間存在關聯性。

四 總結

針對本文進行的研究和試驗驗證得出以下結論：

(1)蚯蚓紋對組件早期的功率衰減無明顯影響。

(2)單純的環境試驗不會產生蚯蚓紋。

(3)水汽滲透是形成蚯蚓紋的一個重要原因，背板透水率高會加速該現象形成。

[1] IEC 61215eda：2005，Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV)modules -Design qualification and type approval [S].日內瓦：國際電工委員會, 2005.