晶體硅太陽電池修復中試線的終端驗證研究

■ 尹浩平 邢濤 王學孟 沈輝

(1.中山大學太陽能系統研究所; 2.順德中山大學太陽能研究院)

0 引言

光伏產業發展迅猛，太陽電池產量快速增長，2013年全球太陽電池產量超過40 GW。大批量晶體硅太陽電池的生產必然存在多種因素，導致部分出現質量問題。據不完全統計，國內晶體硅太陽電池生產企業的次品率約為2%～3%，更有部分正常電池存在漏電缺陷導致效率下降，每年有大量次品太陽電池，造成極大浪費。因此有必要建立晶體硅太陽電池修復中試線，開展這方面的研究工作。

晶體硅太陽電池在進行制絨、高溫擴散、絲網印刷、燒結等生產過程中，不可避免地引入一些缺陷，影響晶體硅太陽電池的電學性能[1]。包括隱裂、碎片、斷柵、虛焊、黑片、黑芯等，其中以漏電缺陷對晶體硅太陽電池的影響最為嚴重，但同時也具有很高的修復價值。Breitenstein O等[2]對晶體硅太陽電池缺陷的特征及形成原因進行了分析。挪威InnotechSolar使用多種方法成功地對晶體硅太陽電池的漏電缺陷進行修復，并試圖將其推向產業化，推出了多種采用修復電池制作的綠色組件[3]。在第27屆歐洲光伏會議上，Schmauder J等[4]提出了采用單一步驟實現太陽電池修復的方法，進一步推動了晶體硅太陽電池修復的產業化進程。我國張陸成等[5]也曾采用補丁法進行修復，即采用截取正常的電池片替代缺陷電池區域的方法來修復太陽電池。

檢測方法包括I-V測試、紅外成像技術、電致發光技術(EL)、光誘導電流測試技術(LBIC)等主要手段，再加以金相顯微鏡、光致發光(PL)、QE等輔助檢測技術，對晶體硅太陽電池進行檢測與評估，如圖1所示。

圖1 缺陷檢測技術圖

晶體硅太陽電池漏電的檢測技術中，最常用的是紅外熱成像檢測技術。通過對太陽電池施加一定的反向電壓，使其發熱而發射紅外光譜，再利用紅外熱像儀接收紅外輻射，得到太陽電池表面溫度分布情況，其中漏電區域溫度會明顯高于正常區域，因此可用來判斷漏電缺陷位置并加以修復。邊緣漏電是指晶體硅太陽電池邊緣存在多余的垂直p-n結，造成短路而引起漏電。邊緣漏電導致邊緣溫度比其他區域高，因此在紅外熱像圖中可非常明顯地觀察到，如圖2所示。

圖2 邊緣漏電缺陷的紅外熱像圖(-12 V偏壓)

在晶體硅太陽電池制備工藝中，擴散制結后需進行去邊緣p-n結，一般采用等離子體刻蝕法刻邊。若參數設置有誤，儀器出現誤差甚至故障，或是放片等人為失誤，均可能造成未刻邊或刻邊不徹底的情況，形成邊緣漏電。

本實驗組針對該漏電缺陷，通過激光刻蝕隔離[6]或化學腐蝕技術，對工廠廢棄的邊緣漏電太陽電池進行修復，將漏電區域整體移除，達到消除漏電區域的目的，提升太陽電池的效率。將修復后的電池制備成組件，搭建成光伏系統，通過監測修復后的太陽電池所做成的組件和正常組件之間的發電情況，為缺陷太陽電池的回收再利用提供實際發電性能及可靠性方面的參考依據。

1 實驗內容

1.1 晶體硅太陽電池的修復效果

本實驗采用納秒脈沖532 nm Nd:YVO4激光器進行修復。經過激光刻蝕修復后的太陽電池，其邊緣存在一圈黑色的線條，將太陽電池邊緣漏電區域與正常區域相互隔開，以達到消除太陽電池漏電損失的目的。通過對240塊多晶硅太陽電池進行修復，并從太陽電池修復前后的I-V測試數據中可知，平均效率提升了1.1%，這說明修復效果良好。

從外觀上看，與正常太陽電池片的外觀無明顯差異，激光刻蝕部位肉眼較難識別，如圖3所示。而通過金相顯微鏡放大可明顯看到激光修復線，如圖3右上角所示，通過測量，可知激光修復線寬度為40 μm。激光隔離工藝去除掉漏電區域，使太陽電池實際發電面積減小，較同批次正常太陽電池短路電流降低。

圖3 修復后晶體硅太陽電池邊緣顯微圖

由圖2可知，在太陽電池的邊緣部分有明顯的顏色差異，即存在明顯溫度差，對比溫度坐標，可知電池邊緣就是漏電區域所在。當然，電池的漏電區域本身沒有這么大，這是由于熱擴散的存在將熱量傳遞到鄰近區域，真實的漏電區域即為電池片邊緣的縱向p-n結處。對修復后的太陽電池再次進行紅外檢測，結果如圖4所示。

圖4 修復后晶體硅太陽電池的紅外熱像圖(-12 V偏壓)

由圖4可知，整個太陽電池表面溫度均勻，無明顯漏電區域的存在。值得注意的是，圖2和圖4的中間區域都存在一塊高溫區域，這是由于所使用的NEC TS9100紅外攝像頭存在鏡頭反光的問題，并非此處存在漏電。經過修復，太陽電池在12 V的反向偏壓下，逆電流僅為0.15 A，表明修復效果明顯。用電致發光技術檢測修復后的太陽電池，太陽電池未產生新的缺陷，修復前后太陽電池EL圖像一致，EL表征性能良好。

1.2 修復后電池組件的制備與檢測

將修復后的240片晶體硅太陽電池分為4組，每組60片，將它們編號并記錄它們在組件中的位置，方便發現問題電池片，尋找原因。同時，選用60片正常太陽電池同批次制備組件，作為參照組件，將其編號為1，其他缺陷電池組件編號為2、3、4、5。該批缺陷太陽電池片來自于兩家公司，均采用相同的硅片和制作工藝，3～5號組件來自于A公司，2號組件來自于B公司；另外，1號參照組件也來自于A公司。值得說明的是，參照組件中的正常電池片與3～5號組件中的缺陷電池片為同一批次。本次實驗組件制備的材料包括鹿山EVA、明基背板、錦繡接線盒，二極管型號為15SQ045，組件外觀無明顯差異。

1.3 修復太陽電池組件的光伏系統搭建

該光伏系統選址于廣東質檢院順德基地樓頂，根據場地條件和美觀需求，組件方位角定為30°。根據中山大學沈輝教授等[7]的研究表明，順德地區光伏發電系統的光伏陣列最佳傾角可為16°，因此設定該光伏系統的傾角為16°。

Alessandro等[8]模擬了多個組件相互串聯對輸出電能的影響，認為組件之間的串聯會彼此影響發電性能。因此，為記錄每塊電池組件的實際發電性能，本實驗電池組件系統采用了組件型拓撲結構，陣列中的各組件單獨連接一個微逆變器，能實現各組件的最大功率跟蹤功能。該光伏系統中每個組件都有獨立的最大功率點跟蹤控制，組件之間不會相互干擾，任何時候都能輸出最大功率。該光伏系統安裝在平屋頂，用水泥樁固定，其場地圖如圖5所示，圖中數字所標組件即為本實驗所用組件。

圖5 光伏系統場地圖

2 結果與討論

戶外運行期間，電池組件表面會沾上灰塵及鳥糞等，會降低組件的電學性能[9-10]。因此，進行了清洗前和清洗后的兩次組件功率測試。由表1可看出，組件2的功率損耗最為嚴重，未清洗時功率損失達到8%。在實驗過程中，對各組件進行了3次電致發光測試，組件2在運行前后的EL圖基本一致，無明顯新生缺陷。因此我們認為，組件2功率的衰減可能是由于其所采用的電池片是不同時間段生產的，其工藝參數和原材料存在較大差異。

表1 清洗前后組件功率變化

圖6中列出了組件1和組件2中太陽電池的效率分布情況，可明顯看出，組件2太陽電池效率分布雜亂，各子電池間效率差異較大。Bishop J W等[11]模擬了不匹配太陽電池對組件的影響，因此認為是電池片本身性能的不匹配導致組件功率下降。由表1可知，組件經過有機溶劑清洗處理后，功率都有明顯提高，提高率都在3%～4%。因此，在組件的運行過程中，定時對組件表面進行清洗能顯著提升組件的發電量。

圖6 組件1和組件2中的電池效率分布

光伏組件電性能的主要指標是標準測試條件下的額定輸出功率。而在實際應用中，太陽電池的光照條件、使用溫度等戶外條件都在不斷變化，以致于其輸出功率也不斷變化。因此，光伏組件的實際累積發電量才能更好地反映光伏組件的性能。本實驗組件于2012年12月12日投入系統發電，截至2013年11月18日，共343天，系統累計發電972.35 kWh；在運行期間，2013年8月6日發電量最大，分別為1.27 kWh、1.24 kWh、1.25 kWh、1.23 kWh、1.21 kWh。

由于每個組件的標稱功率不同，它們各自實際運行的發電量無法直接比較，因此，需引入一個參數——每千瓦發電量，來表征和比較各個組件的發電能力大小。我們通過計算每千瓦光伏組件的累計發電量，來反映光伏組件在實際應用中的發電能力。根據表1比較標稱功率和清洗后的組件功率，可看出組件2和組件5在運行前后的功率損失較大。因此，引入平均功率每千瓦發電量的概念，反映運行期間較真實的平均功率發電量，其表達式為：

式中：P1為組件標稱功率；P2為組件運行并清洗后的功率；E為總發電量；PA為平均功率發電量。

表2列出了各組件的總發電量、標稱功率每千瓦發電量和平均功率每千瓦發電量。由表2可知，組件1的發電量最高，組件3的標稱功率每千瓦發電量最高；組件2、4和組件1的每千瓦發電量偏差在2.5%以內，可認為這些經過修復的太陽電池做成的組件和正常組件在運行期間發電性能無明顯差異。經過正式運行后，組件2的功率雖然下降明顯，但是其平均功率每千瓦發電量和正常組件幾乎一樣，但其長期運行穩定性有待進一步驗證。

表2 5塊光伏組件發電性能

此外，組件5的總發電量和每千瓦發電量較低，因此，我們對組件進行了缺陷檢測，將組件從光伏系統中拆下來進行電致發光實驗的檢測。通過測試得到其電致發光成像圖，如圖7a，對比正常組件的EL圖，如圖7b，可看出組件5有較多裂紋，且電學連接不牢(圖中紅色區域內，由于裂紋將部分電池區域與周邊隔離形成的黑區)，因此組件的發電性能較差。由表1可知，組件3、4、5出廠測試時的標稱功率相當；K?ntges M等[12]認為，對于新組件只要不同部分的電池仍然是電學相連的，裂紋對效率影響很小，所以它們的標稱功率相當，而隨著存有裂紋的組件5的老化，以及在熱和機械應力的作用下，由于裂紋的存在，使裂紋兩邊的電池發生相對移動，導致發生相對移動的電池片之間形成電學隔離，以致于組件5的發電性能明顯低于其他組件。造成組件5裂紋產生的原因不太明確。生產及安裝過程中應盡量避免裂紋的產生。

圖7 EL圖像

本實驗記錄了各組件月的每千瓦日均發電量，以了解在順德地區組件隨月份變化的發電情況。圖8為5塊組件各月每千瓦日均發電量對比圖。由圖8可知，在光伏系統運行期間，系統發電情況最差為2013年4月，這是由于順德地區4月份大多是陰霾天氣，太陽電池組件發電環境不佳，發電量最低。而發電情況最好的是2013年10月，并不是太陽輻照最強的7～9月，這是因為7～9月光伏組件的溫度較高，導致開路電壓下降，減少了組件的功率輸出； 而10月光伏組件溫度較低，且太陽輻射較強，更有利于組件功率輸出。

圖8 光伏系統各部分發電量統計

3 總結

針對修復后晶體硅太陽電池制備的組件，進行了1年的發電量跟蹤實驗。從數據上看，各組件發電的總體性能良好，各時間段內發電量分布情況一致，組件性能無明顯影響；整體來說，與正常組件相比并無明顯差異，穩定性和可靠性需進一步觀察和跟蹤。

實驗結果表明，組件中電池電流不匹配以及裂紋的存在，容易導致組件在使用過程中出現組件功率的下降，降低組件實際發電量。

[1] Breitenstein O, Bauer J, Altermatt P P, et al. Influence of defects on solar cell characteristics[J]. Solid State Phenomena,2010, 862(156):1－10.

[2] Breitenstein O, Rakotoniaina J P, Al Rifai M H, et al. Shunt types in crystalline silicon solar cells[J]. Progress in Photovoltaics:Research and Applications, 2004, 12(7): 529－538.

[3] Dennis Richard. Eliminating defects and easing R&D[J].Photon International, 2011, 186－187.

[4] Schmauder J, Kopecek R, Barinka R, et al. First steps towards an automated repairing of solar cellsby laser enabled silicon post-processing[A]. 27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition[C], Germany ,2012.

[5] Zhang Lucheng, Shen Hui, Yang Zhuojian, et al. Shunt removal and patching for crystalline silicon solar cells using infrared imaging and laser cutting [J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2010, 18(1): 54－60.

[6] Abbott M D, Trupke T, Hartmann H P, et al. Laser isolation of shunted regions in industrial solar cells[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2007, 15(7): 613－620.

[7] Shen Hui, Zeng huqing. Photovoltaic technology[M]. BeiJing:Chemical Industry Press, 2005.

[8] Alessandro Mass iPavan, Adel Mellit, Davide De Pieri, et al. A study on the mismatch effect due to the use of different photovoltaic modules classes in large-scale solar parks[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications , 2014, 22(3): 332－345.

[9] Dirkgoossens, emmanuel van kerschaever. Aeolian dust deposition on photovoltaics solar cell: The effects of wind velocity and airborne dust concentration on cell performance[J].Solar Energy, 1999, 66(4): 277－289.

[10] Zhang Feng, Bai Jian-bo, Hao Yu-zhe, et al. Effects of airborne dust deposition on pv module surface on its powergeneration performance[J]. East China Electric Power, 2013,41(2): 0364－0367.

[11] Bishop J W. Computer simulation of the effects of electrical mismatches in photovoltaic cell interconnection circuits[J]. Solar cell, 1988, 25: 73－89.

[12] K?ntges M, Kunze I, Kajari-Schr?der S, et al. The risk of power loss in crystalline silicon based photovoltaic modules due to micro-cracks[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells,2011, 95:1131－1137.