太陽電池隱裂紋處電弧的初步研究

浙江正泰太陽能科技有限公司 ■ 王仕鵬 胡金艷黃緯 單偉 黃海燕 陸川

太陽電池隱裂紋處電弧的初步研究

浙江正泰太陽能科技有限公司 ■ 王仕鵬 胡金艷*黃緯 單偉 黃海燕 陸川

對隱裂的太陽電池片進行反向加壓測試，電壓在7 V左右即可在電池片裂紋附近金屬柵線上產生電弧，電弧持續時間從幾秒至幾十秒不等，起火后可觀測到正面柵線被熔融的同時背場被擊穿。測試成品起火花隱裂片組件小樣，裂紋附近產生電弧，密封材料EVA分層，背板鼓包。本文主要研究隱裂電池片在電池端電弧起火現象及組件小樣端的情況。

太陽電池片；隱裂；電弧；組件安全

0 引言

21世紀以來，伴隨經濟的快速發展，能源危機和環境污染日益成為困擾人類生存和發展的兩大問題。清潔、環境友好的太陽電池在這一時期應運而生并得到大力發展，目前已從初期的高成本、高利潤向高效、低成本方向發展，行業發展也日漸成熟。

僅2015年，太陽電池在全球的新增裝機容量約為59 GW，我國國內新增裝機總量約15 GW，太陽能發電在總體能源結構中的占比不斷提升，于是，保證光伏產品的功率水平、安全性能及后期使用穩定性變得更加重要。據統計，在已投入使用的光伏組件中，每年都有一定比例的失效組件，失效包括功率衰減過高(功率衰減值占初始功率值比例大于5%)及因組件失效而出現安全問題[1]。圖1顯示的是投入使用2年后客戶投訴的失效分布比例[1]，顯示電池片內部連接缺陷占失效比例約10%。電池片內部連接包括電池片自身內部電路連接、電池片與焊帶之間的連接、電池片與電池片之間的連接，以及電池片與組件其他元器件之間的連接。

圖1 投入使用2年后的失效組件失效原因分布比例

太陽電池片結構如圖2所示，陽光照射至電池片正面會在p-n結層產生光生載流子，載流子通過副柵收集后匯集至主柵，導向外電路供負載使用。在電流向外輸出的通路發生斷路或存在污染時會形成分流路徑，產生反向漏電流；在分流路徑處的電阻非常大，根據焦耳定律，隨電池片使用時間加長會在漏電處產生熱量，熱量聚集后會引起電池片局部發熱過大，甚至引起電火花等。若成品組件使用的電池片存在隱裂，局部發熱會使組件封裝材料熔化甚至起火，并且還可能在隱裂紋附近產生電弧。本文重點研究隱裂電池片引起的電弧現象及其在組件端的情況。

圖2 常規太陽電池結構圖

1 太陽電池片隱裂紋

1.1 太陽電池反向漏電流

太陽電池片在生產過程中會經過嚴格篩選測試，其中轉換效率過低或某項電參數異常的電池片會被單獨甄選出，避免運用至組件端引起組件功率異常或其他問題。

反向漏電流是電池片的重要參數之一，一般測試時會在電池片正、負極之間施加反向電壓10 V和12 V。其中反向電壓12 V時的反向漏電流定義為Irev，按照本公司的標準Irev≥1.3 A即判定為降級片。

1.2 反向漏電流Irev≥1.3 A太陽電池片隱裂及電火花

利用隱裂的Irev2≥1.3 A以上的電池片，結合電致發光(EL)正向偏壓測試，可見隱裂紋具體位置，如圖3所示。常規測試的隱裂電池片EL正向偏壓圖像中，隱裂紋位置由于電流路徑斷裂顯示為黑線，隱裂紋的線條越黑隱裂紋越深，如圖3a所示；有些淺隱裂EL圖片并未顯示黑線，但經過某些測試之后隱裂紋即會很明顯顯現，淺隱裂初始EL圖片，如圖3b所示。

圖3 隱裂片EL正向偏壓測試圖像

利用圖3b中的隱裂片進行EL反向偏壓測試。當反向偏壓在7.9 V左右，電池片正面隱裂紋位置產生耀眼電火花，電火花如圖4a所示，使用紅外測溫儀進行表面溫度測試，溫度約159 ℃。電火花持續約10 s，顯微鏡下觀察起火部位主柵形貌顯示正銀已被融化，相應背場部位已被擊穿，如圖4b所示。

圖4 反向EL測試隱裂處電火花及起火位置備場圖

進行一系列隱裂電池片EL反向偏壓測試，起火部位均在金屬柵線上，硅片表面氮化硅減反射層屬絕緣體，隱裂紋引起的電池片分流路徑在金屬柵線上，在電池片正負極之間施加反向電壓后，由于電池片電阻在10-2量級，會產生約幾千安培的反向漏電流，裂紋兩側形成電勢差，同時隱裂引起的分流路徑瞬間產生大量熱量，隱裂最深點瞬間會聚集大量熱量致使產生如圖4所示的電弧及電火花，將金屬柵線熔融。電池片電火花前后的EL圖如圖5所示，柵線起火后隱裂紋附近已形成“死區”[1]。

圖5 電火花前后電池片EL圖

1.3 反向漏電流Irev＜1.3 A太陽電池片隱裂及電火花

一般情況下，反向漏電流Irev＜1.3 A的電池片均為非隱裂片，為進行電火花測試，對Irev＜1 A的電池片進行人為隱裂。通以反向電壓7.9～25 V，每1 V為一檔對電壓進行調節，均未出現電火花。

2 太陽電池片隱裂對組件安全性能的影響

經過電性能篩選測試后的隱裂電池片不會應用于組件端，但成品組件在搬運及安裝過程中會導致組件內部電池片隱裂[2]。已投入運行的組件內部隱裂是否會引起如上述電火花及其他失效，如背板燒焦或熱斑等問題值得探討。

首先，討論組件在運行過程中單片隱裂電池片兩端是否會產生足夠高的反向偏壓。常規多晶硅組件由60片(10片×6串)電池片串聯組成，每兩串之間并聯一個肖特基二極管，如圖6所示。當某片電池片發生異常時，如電池片被遮擋、短路、貫穿裂等，旁路二極管將被導通，異常電池串被旁路，組件仍可正常向外電路輸電但總功率有所損失。此時被旁路的電池串在有光照的情況下仍然有載流子產生，若異常電池片存在隱裂，則隱裂產生的分流路徑與被旁路的其他電池形成回路[3]。隱裂片相當于負載，按照每片電池片開路電壓0.630 V計算，加在隱裂片兩端的反向電壓約11.97 V(0.630 V×19片)；單片電池片的電阻按照10-2量級計算，將瞬間產生約千安級的漏電流，漏電流產生初期堆積于電極下存在漏電路徑的點，致使該點電勢升高并產生大量熱量，形成電弧及電火花。高溫會使密封材料及背板等燒焦形成電站客戶投訴中常見的熱斑現象，如圖7所示。

圖6 組件結構示意圖

圖7 常見的組件熱斑

2.1 隱裂電池片制備組件小樣

根據以上理論及推測進行相關組件樣品驗證。選取電池片，在電池端進行電性能測試，反向電流Irev偏大；進行反向EL測試，隱裂紋清晰可見，同時有電火花產生。

2.1.1 通以反向電流

利用上述電池片進行組件小樣品制備，并對此塊樣品進行反向通電測試，反向電流分別為8 A、12 A、15 A，對應計算出的電壓分別為0.9 V、1.1 V、1.2 V。樣品表面溫度變化如表1所示。

給定外加反向電流的情況下，單片電池組件樣品在隱裂紋位置并無電火花產生，每隔5 min進行紅外溫度測試，隱裂區域溫度緩慢上升，均在60 min左右溫度達到穩定狀態，隨電流增大穩定狀態溫度升高，但均遠遠低于電火花溫度。

表1 單片電池片組件小樣品反向通電測試

2.1.2 通以反向電壓

選取電池片，在電池端進行電性能測試，選取反向電流Irev＜1 A的正常片進行人為隱裂，并選取Irev≥1.3 A的隱裂電池片，對以上兩種電池片進行EL反向偏壓測試，隱裂紋清晰可見，同時有電火花產生。

利用以上電池片制備組件小樣1#(Irev＜1 A)及2#(Irev＞1.3 A)進行反向加壓測試，測試結果如表2所示。

表2 隱裂組件小樣反向加壓測試

由表2可知，電池片本身漏電較大(Irev＞1.3 A)且在燒結測試前有隱裂紋的組件小樣在反向電壓U＞10 V以上即出現電弧，電弧在墊片裂紋附近，并伴有明顯的電火花，隨即組件正面EVA分層，背板鼓包如圖8所示；繼續增大反向電壓，可見正面電弧持續發生，約30 s后電池片擊穿，組件樣品電壓下降，反向漏電流急劇增大至10 A左右；繼續加壓電參數無變化。

圖8 反向加壓至14 V，組件小樣正面EVA融化、背板出現鼓包

另一方面，對反向漏電流Irev＜1 A的電池片進行人為隱裂，制備組件小樣，按照上述方法進行反向加壓測試，結果顯示，反向電壓加至25 V仍未出現電弧。

3 結論

本文進行電池片隱裂后的EL反向偏壓測試，發現反向電壓在10 V左右、漏電流在1.3 A以上時電池片裂紋處及附近電極區域會產生電弧，電弧的高溫使得正面EVA融化，組件背板發生鼓包；而漏電流在1 A以下的隱裂組件小樣品未產生電弧。

[1] Marc K?ntges, Sarah Kurtz, Corinne Packard. Performance and reliability of photovoltaic systems review of failures of Photovoltaic modules[A]. IEA PVPS Task 13 External final report IEA-PVPS[C], Switzerland, 2014.

[2] Gabor A M, Ralli M M, Alegria L, et al. Soldering induced damage to thin Si solar cells and detection of cracked cells in modules [A]. 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference [C], Germany, 2006.

[3] Wenham S R, Green M A, Watt M E [著], 狄大衛, 高兆利，韓見殊[譯].應用光伏學[M].上海: 上海交通大學出版社，2008, 44－48.

2016-07-08

胡金艷(1982—)，女，碩士、中級工程師，從事太陽電池研發方面的工作。jinyan.hu@astronergy.com