光伏電站晶硅組件缺陷形成機理與檢測技術

2017-01-10 03:06:22翟化欣

電源技術 2016年12期

白愷，李智，李娜，宗瑾，翟化欣

(1.華北電力科學研究院，北京 100045；2.國網新源風光儲示范電站有限公司，河北張家口075000)

光伏電站晶硅組件缺陷形成機理與檢測技術

白愷1，李智1，李娜1，宗瑾1，翟化欣2

(1.華北電力科學研究院，北京 100045；2.國網新源風光儲示范電站有限公司，河北張家口075000)

針對我國光伏電站在晶硅光伏組件運行維護過程中存在的實際情況，分析了晶硅光伏組件缺陷形成機理，提出了一種適用于現場應用的缺陷光伏組件檢測方案。檢測方案包括紅外熱成像排查、絕緣電阻測試、EL測試和光伏組件I-V特性測試四部分。通過該檢測方案能夠有效鑒別光伏組件缺陷的產生原因，及其對發電性能的影響程度。該方案對提高光伏電站運行維護效率、規范光伏電站施工安裝操作和改進光伏組件生產廠家制造工藝具有重要意義。

光伏電站；缺陷；檢測方案；運行維護

進入21世紀以來，我國光伏產業發展十分迅猛，特別是2004年后，在歐洲市場的大力拉動下，中國光伏產業更是得到了飛速發展，2007年我國已經成為光伏組件生產第一大國。近年來，隨著國家《太陽能光伏產業“十二五”發展規劃》的頒布和其他激勵政策的陸續出臺，國內光伏電站裝機容量進入高速增長期，至2015年，國內光伏電站裝機容量有望突破35 GW，屆時中國光伏產業將真正實現由制造大國向利用強國的轉變。

光伏組件作為光伏電站核心發電設備，其性能對電站的高效運行起著至關重要的作用，目前光伏組件按材料可分為晶硅、非晶硅半導體和有機高分子三種類型，特別是晶硅光伏組件，因為其轉換效率高、制造成本低等原因，已被廣泛應用于光伏電站。但由于生產過程中工藝技術、設備性能、原材料質量等方面的問題，以及運輸、安裝和運行期間由于外力造成的局部損壞，引起光伏組件的性能衰退和缺陷。然而，在實際運行維護過程中，由于光伏組件單體數量多、分布區域廣，光伏電站主要采用故障檢修和定期維護的維護方式，普遍存在過度維護和維護不足的現象，缺少預防性維護試驗方法的相關規范，對組件的缺陷檢測技術和標準匱乏，不能及時、有效和準確地判斷缺陷組件和故障原因。因此，有必要研究光伏組件缺陷形成機理，建立一套具有普遍適用性的光伏組件缺陷檢測方案，保障光伏電站穩定、高效運行。

1 光伏組件缺陷形成原理

目前大規模應用的晶硅光伏組件，其在制造過程中通常采用制絨、擴散、刻蝕、印刷和燒結等工序。由于機械應力、熱應力及運輸安裝等不穩定印刷的存在，造成硅電池的隱性與顯性的可逆和不可逆的缺陷。

對晶硅光伏組件運行后性能退化和失效模式統計分析，原材料缺陷、封裝工藝異常和外部因素影響是引起光伏組件出現缺陷的關鍵誘因。

1.1 原材料缺陷

原材料對光伏電池的轉換效率具有至關重要的作用，用于制造光伏電池的硅材料若存在晶格的缺陷位錯，起到復合中心作用，能夠使得載流子在此處復合時發出較弱的光，少子壽命降低，而過多的雜質亦會導致復合增加。同時，氧化誘生堆垛層錯或雜質氧沉淀導致黑電池片的產生，引起電池單體的短路電流明顯偏低。

光伏組件的EVA用于封裝電池組，在光伏組件長期運行過程中，由于EVA配方不合格，導致添加劑體系相互反應發黃；或EVA自身分子在氧氣、光照條件下，脫乙酰反應導致發黃，亦會影響光伏組件的使用壽命。

1.2 封裝工藝異常

晶硅光伏組件通常是由60或72片光伏單體電池串、并聯連接，并嚴密封裝而成，光伏電池的封裝工藝是生產過程中的關鍵步驟，其亦是導致光伏組件缺陷的主要誘因[1-2]。

(1)擴散異常

擴散制結為晶硅電池制造過程中的核心步驟，P-N結的質量直接影響電池單體的轉換效率。結淺，電池短波響應較好，但會引起接觸電阻增加；結過深，死層較明顯，如果擴散濃度過大，則引起重摻雜效應，使電池開路電壓和短路電流均下降。腐蝕掉正面電極及氧化硅薄膜后單體電池方阻升高，導致此區域與現有燒結工藝不匹配而引起接觸電阻增大。

(2)鍍膜異常

鋁背場能夠降低電池單體背面的少子負荷、提高少子擴散長度、反射長波段光子和提高長波段的光譜響應。由于電池單體通常采用管式PEVCD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)鍍膜方式，在鍍膜過程中，若單片電池脫落或破碎，導致此電池單體背面被鍍膜，其氧化硅的存在，使得經過絲網印刷后電池在燒結過程中無法形成鋁背場，且鋁電極無法與硅形成良好的接觸電阻，導致電池效率降低。

(3)燒結異常

引起燒結異常的原因為燒結過程中存在異物，過高的燒結溫度以及表面異物污染不會引起方阻值的變化，但能夠導致較大的反向漏電流，產生低效率電池片。

(4)印刷異常

良好的印刷質量，能夠減少金屬電極與硅片間的接觸電阻，影響電池的填充因子和短路電流，斷柵、印刷不均勻均會導致線性電阻增大，降低電池的轉換效率[3]。

1.3 外部因素影響

在光伏組件運輸和安裝過程中，由于操作人員的不規范操作，導致電池單體隱裂或鋼化玻璃破裂，引起光伏電池內部濕氣滲入，會引起二次交聯、電池減反射膜水解，缺陷部分產生漏電流，導致電池轉換效率下降。同時，光伏組件分布區域廣，且主要安裝在偏遠地區，長期灰塵在表面累積和異物覆蓋其表面，或植物等對光伏電池造成長時間遮擋，會引起光伏組件的發電性能退化，特別是當被遮擋部分已經存在漏電缺陷時，漏電缺陷部位會嚴重發熱，引起光伏組件的熱斑效應[4]。

此外，在光伏電站中運行的晶硅光伏組件的電路與其作用于接地的金屬鋁邊框之間有著高電壓的存在，由于該高電壓的作用，使得光伏組件上表面層及下表面層的材料中，電池的封裝材料EVA出現了離子遷移行為，從而形成了漏電流現象；同時在電池單體中也出現了熱載流子現象，大量載流子聚集在電池表面，使得電荷再分配從而削減和抑制了電池的活性層，破壞了電池表面原有的鈍化效果，最終，表現為晶硅光伏組件發電性能退化或失效[5-6]。

2 光伏組件缺陷檢測方案

圖1為晶硅光伏組件缺陷檢測整體技術方案。整個檢測流程試驗項目包括紅外成像檢查、輸出功率試驗、絕緣電阻試驗和EL(Electro Luminescence)檢查。試驗設備由紅外熱成像、絕緣電阻、EL測試和光伏方陣I-V特性裝置組成[7－8]。

圖1 晶硅光伏組件缺陷檢測流程

2.1 檢測裝置

(1)紅外熱成像裝置

紅外熱成像裝置是利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測晶硅光伏組件的紅外輻射能量分布圖形，進而反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得與光伏電池熱分布相對應的熱像圖，用以判別與正常光伏電池存在溫度差異的電池單體。

(2)絕緣電阻測試裝置

通過對光伏組件施加系統能夠承受的最大電壓，能夠測試組件的基本絕緣電阻、絕緣電阻時間曲線、介質吸收比以及極化指數。

(3)EL測試裝置

EL測試裝置直流電源、濾波鏡頭、遮光罩等主要部件，利用電場激發晶硅光伏電池，使晶硅電池發出特定波長的光，然后通過濾光及特殊感光元件采集特定波長的發光信號，得出光伏組件的缺陷信息。

(4)光伏方陣I-V特性測試裝置

光伏方陣I-V特性測試裝置內置滿足普通光伏組串容量要求的充放電電容器，將其作為光伏組件的可調負載，通過對光伏組件與電容充電過程進行數據采樣，獲取光伏組件的I-V特性曲線。

2.2 光伏電站晶硅組件檢測方案

(1)紅外熱成像排查

進行紅外熱成像熱斑排查過程中，光伏方陣應處于正常運行狀態。理想狀態下，被測光伏電站傾斜面輻照度應大于600 W/m2，且處于穩定運行狀態，光伏組件可產生足夠的電流使得存在缺陷與正常電池產生可判斷的溫度差異。紅外熱成像排查應根據光伏組件自身結構和背板構造，選擇光伏組件的前表面或背板進行紅外熱成像儀排查。排查光伏方陣或組串中的光伏組件，應及時標定與該光伏組件中其他光伏電池存在明顯溫度差異(一般5℃)的光伏電池。

(2)絕緣電阻測試

以不大于500 V/s的速率增加絕緣電阻測試儀的電壓，直到等于1 000 V加上兩倍的系統最大電壓(即由制造商標注在光伏組件上的最大系統電壓)，并維持此定值1 min；降低電壓至0 V之后，再議不大于500 V/s的速率增加絕緣電阻測試儀的電壓，直到等于500 V或最大系統電壓的高值。維持此電壓2 min，然后測量絕緣電阻。

對于光伏組件面積小于0.1 m2，其絕緣電阻值應不小于400 MΩ；光伏組件面積大于0.1 m2，其絕緣電阻值與光伏組件面積的乘積應不小于40 MΩ·m2。

(3)輸出特性測試

光伏組件輸出功率測試應在輻照度不小于700 W/m2的工況下進行，利用測試裝置獲得光伏組件實際輸出的工作電壓、工作電流、短路電流，并根據式(1)至式(3)，測得的光伏組件實際輸出功率轉換為峰值功率'。其中，光伏組件溫度應取背板中心點處測試過程中的讀取值。

(4)EL測試

將待測晶硅光伏組件放置在密封性良好的暗室內，通過直流電源給光伏組件通電，并維持直流電流值在光伏組件銘牌短路電流的±5%以內，調整CCD相機的位置，以及光圈和焦距，設置圖像的曝光時間和增益。利用成像系統將信號發送到監測軟件，經過處理后顯示光伏組件的EL圖像。

3 實證分析

某大規模地面光伏電站已投運三年，采用多種類型晶硅光伏組件，包括多晶硅、單晶硅和背接觸式，晶硅光伏組件技術參數如表1所示。分別選取該電站內3個光伏發電單元對應類型的固定式安裝光伏組件，通過紅外熱成像排查，選取存在缺陷的典型光伏組件，進行絕緣電阻、輸出特性和EL測試，分析其缺陷影響程度及產生的原因。

表1 光伏組件技術參數

3.1 紅外熱成像排查結果

光伏電站晶硅光伏組件紅外熱成像測試結果如圖2所示。從發電單元內的光伏組件進行紅外熱成像排查結果可以發現，多晶硅光伏組件表面均存在多個電池溫度不一致現象，但這些異常溫度電池和正常電池相比，溫度偏差并不大，最大偏差點僅為6.6℃；單晶硅光伏組件溫度異常電池均沿左邊框邊緣出現，且光伏組件的最高溫度與正常溫度偏差達到16.8℃；背接觸光伏組件的紅外熱成像異常主要表現為多個電池單體溫度偏高，形成熱斑現象，其產生的原因可能包括雜草、鳥類的排泄物長期遮擋、電池自身缺陷等。

圖2 晶硅組件紅外熱成像排查結果

3.2 絕緣電阻測試結果

在3 000 V和1 000 V測試電壓條件下，晶硅光伏組件的絕緣電阻測試結果如表2所示。在各種類型晶硅光伏組件含邊框面積均不足3 m2的情況下，光伏組件現場測試的絕緣電阻值均超過1 000 MΩ×m2，可初步排除泄露電流的現象。

表2 絕緣電阻測試結果

3.3 輸出特性測試結果

晶硅光伏組件的輸出特性測試結果如表3所示，被測光伏組件的I-V輸出特性曲線如圖3～圖5所示。

圖3 多晶硅光伏組件I-V輸出特性

從表3可以發現，各類型晶硅光伏組件均出現不同程度的發電性能退化，功率衰減最小值為3.03%，最大值達到了36.81%，明顯超過了廠家保證的組件輸出功率年衰減值，已經影響到所在光伏組串乃至整個發電單元的正常發電量。根據被測光伏組件的I-V特性曲線，發電性能退化最為嚴重的背接觸式C2光伏組件的I-V曲線并不平滑，I-V曲線呈現出傾斜下滑趨勢。同時，從I-V特性曲線可見由于組件內部電池串間存在電流不一致現象，I-V曲線形成了多個波峰的情況，即出現了“臺階曲線”，類似于陰影遮擋的光伏組件輸出特性。

圖4 單晶硅光伏組件I-V輸出特性

圖5 背接觸式光伏組件I-V輸出特性

表3 晶硅光伏組件I-V特性測試結果

3.4 EL測試結果

圖6～圖11是晶硅光伏組件的EL測試結果，可見出現性能退化的各類型晶硅光伏組件分別存在以下缺陷情況。

Defects formation mechanism and detection technologies for Si-based PV panels

According to the existing problem for operation and maintenance of the Si-based PV panels in PV power plant,the defects formation mechanism of Si-based PV panels were analyzed,and a detection scheme for defect PV panels in field was proposed.There were four parts of detection scheme,include IR thermal-imaging test,insolation test,EL test and PV panel I-V characteristics test.The defect reasons and the effect for power generation ability could be effectively distinguished through this detection scheme.In addition,the detection scheme was important for promoting the operation and maintenance efficiency, standard the process of construction and installation, and improving the production process for manufacturer.

PV power plant;defects;detection scheme;operation and maintenance