晶體硅光伏組件初始光致衰減評(píng)估方法研究

肖桃云，沈艷萍，張 臻,，吳晉祿

(1.常州天合光能有限公司光伏科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213031；2.河海大學(xué)，江蘇常州213022)

光伏組件的輸出功率在光照初期發(fā)生較大幅度的下降，隨后趨于穩(wěn)定，這種現(xiàn)象稱(chēng)為晶體硅組件初始光致衰減。現(xiàn)有理論認(rèn)為，此階段中功率的下降主要是由于太陽(yáng)電池內(nèi)B-O復(fù)合體的形成。對(duì)于組件的光致衰減，早在40多年前H.Fischer和W.Pschunder就首次觀察到P型(摻硼)晶體硅太陽(yáng)電池的初始光致衰減現(xiàn)象[1]。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外光伏行業(yè)專(zhuān)家對(duì)光致衰減現(xiàn)象進(jìn)行了廣泛而深入的研究，開(kāi)發(fā)了大量減小光伏組件光致衰減的科學(xué)方法，為組件的可靠性提供了改善途徑[2-4]。但是，行業(yè)對(duì)于光伏組件的初始光致衰減的定量表征、外界的影響因素等，尚未形成一致的觀點(diǎn)。目前，行業(yè)內(nèi)通常用“光照初期的組件衰減”來(lái)定性地表征光伏組件的初始光致衰減。實(shí)際操作中，人們通常參照IEC61215：2005[5]Outdoor Exposure章節(jié)，采用60 kWh/m2的總輻照量進(jìn)行初始光衰的測(cè)試。如果使用的總輻照量過(guò)小，將不能充分表征組件初始光衰性能；如果總輻照量過(guò)大，將造成測(cè)試時(shí)間的浪費(fèi)，降低測(cè)試效率。如何采用科學(xué)的方法來(lái)定量組件初始光衰期的總輻照量，是值得探討的問(wèn)題。室外自然光暴曬是一種最接近組件實(shí)際工作狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)方法，這種方法受天氣因素影響較大；室內(nèi)模擬光源測(cè)試將使實(shí)驗(yàn)不受天氣因素的影響，可加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。此外，開(kāi)路、短路、并網(wǎng)三種不同的負(fù)載方式對(duì)組件的光衰程度是否有影響，負(fù)載方式對(duì)室內(nèi)室外不同的測(cè)試方法是否適用，也需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

在室外自然光測(cè)試中，光伏組件將在不同的高低輻照度下暴曬。而低輻照度是否減小了組件的光衰程度是業(yè)界的一大爭(zhēng)議問(wèn)題。同時(shí)，組件室內(nèi)外測(cè)試的環(huán)境(如輻照度、溫度、通風(fēng)條件等)對(duì)精確測(cè)試組件光衰程度也十分重要。本文從以上關(guān)鍵問(wèn)題入手，從總輻照量、室內(nèi)模擬光源/室外自然光源兩種不同的測(cè)試方法、負(fù)載方式、輻照度、通風(fēng)條件等方面研究其對(duì)晶體硅組件光衰程度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

為了研究總輻照量、室內(nèi)外測(cè)試方法、負(fù)載方式、通風(fēng)條件、輻照度等外在因素對(duì)晶體硅組件初始光致衰減的影響，我們統(tǒng)一制作了組件材料一致、生產(chǎn)工藝一致的單晶硅組件(125 mm×125 mm，72片)及多晶硅組件 (156 mm×156 mm，60片)，用于組件初始光致衰減的研究。

實(shí)驗(yàn)中主要設(shè)備要求如下：(1)太陽(yáng)輻照度儀，準(zhǔn)確度優(yōu)于±5%；(2)制造廠推薦的安裝組件的設(shè)備，使組件與輻照度儀共平面；(3)光源，穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)模擬器，符合IEC 60904-9：2007[6]中B級(jí)；(4)太陽(yáng)模擬器，符合IEC 60904-9：2007中A級(jí)。

室內(nèi)模擬光源實(shí)驗(yàn)與室外自然光源實(shí)驗(yàn)概況如表1所示，每種情況下單晶、多晶組件各3 PCS。

表1 實(shí)驗(yàn)概況

2 結(jié)果與討論

2.1 輻照量與室內(nèi)外測(cè)試的對(duì)比

在一個(gè)光衰周期中，先后兩次功率測(cè)試值分別為P1、P2。組件衰減率用(P2－P1)/P1來(lái)標(biāo)定。為了表征組件功率衰減的波動(dòng)程度，用(Pmax－Pmin)/Paverage來(lái)標(biāo)定組件輸出功率的穩(wěn)定度。在兩個(gè)連續(xù)的光衰周期中，三次功率測(cè)試值分別為P1、P2、P3。Pmax為P1、P2、P3的最大值，Pmin為P1、P2、P3的最小值，Paverage為P1、P2、P3的平均值。對(duì)于連續(xù)多次暴曬下的數(shù)據(jù)，每5 kWh/m2取一個(gè)點(diǎn)，分析每個(gè)點(diǎn)的(Pmax－Pmin)/Paverage，選取該點(diǎn)及以后點(diǎn)(Pmax－Pmin)/Paverage均小于1%的部分，認(rèn)為該部分為功率衰減的穩(wěn)定區(qū)間。(Pmax－Pmin)/Paverage的取值，在薄膜標(biāo)準(zhǔn) IEC61646：2008[7]：Thin-film terrestrial photovoltaic(PV)modules—design qualification and type approval 10.19 Light-soaking中，認(rèn)為當(dāng)(Pmax－Pmin)/Paverage＜ 2%時(shí)，組件光衰程度穩(wěn)定；在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6495.11-2016[8]：《光伏器件第11部分：晶體硅太陽(yáng)電池初始光致衰減測(cè)試方法》中，則在電池單片功率(Pmax－Pmin)/Paverage＜0.5%時(shí)，認(rèn)為衰減程度達(dá)穩(wěn)定。

晶硅組件衰減較薄膜小，薄膜標(biāo)準(zhǔn)中的2%對(duì)于晶硅組件過(guò)松；而組件功率測(cè)試準(zhǔn)確度比電池效率測(cè)試低，電池標(biāo)準(zhǔn)中的0.5%對(duì)于晶硅組件過(guò)嚴(yán)，從數(shù)據(jù)看難以出現(xiàn)持續(xù)＜0.5%。綜合考慮，(Pmax－Pmin)/Paverage＜1%是合適的判定晶硅組件光致衰減程度達(dá)穩(wěn)定的代表點(diǎn)。在數(shù)據(jù)分析時(shí)，我們認(rèn)為不同的輻照量間距，會(huì)影響(Pmax－Pmin)/Paverage的大小。相應(yīng)的薄膜標(biāo)準(zhǔn)IEC61646：2008 中,輻照量間距為 43 kWh/m2，GB/T 6495.11-2016電池標(biāo)準(zhǔn)中輻照量間距為1 kWh/m2，參照IEC 61215：2005預(yù)衰減5 kWh/m2，本分析采用晶硅組件基本穩(wěn)定的區(qū)間5 kWh/m2作為輻照量間距。

2.2 單晶組件室內(nèi)、室外衰減率及穩(wěn)定度分析

首先對(duì)3 PCS單晶硅組件在室內(nèi)穩(wěn)態(tài)模擬器中、短路狀態(tài)下進(jìn)行穩(wěn)定度分析，輻照度為1 000 W/m2，結(jié)果如圖1所示。分析可知，14 kWh/m2以后，(Pmax－Pmin)/Paverage持續(xù) ＜1.0%。因此認(rèn)為，室內(nèi)穩(wěn)態(tài)模擬器實(shí)驗(yàn)14 kWh/m2以后，單晶硅組件光致衰減程度將達(dá)到穩(wěn)定。

圖1 單晶硅組件在室內(nèi)穩(wěn)態(tài)模擬短路實(shí)驗(yàn)中的衰減情況

對(duì)3 PCS單晶硅組件在戶外暴曬、并網(wǎng)狀態(tài)下進(jìn)行穩(wěn)定度分析，結(jié)果如圖2所示。分析可知，30 kWh/m2以后，(Pmax－Pmin)/Paverage持續(xù)＜1.0%，即單晶組件并網(wǎng)在30 kWh/m2以后衰減率達(dá)到穩(wěn)定。

圖2 單晶硅組件在室外并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中的衰減情況

對(duì)3 PCS單晶硅組件在戶外暴曬、短路狀態(tài)下進(jìn)行穩(wěn)定度分析，結(jié)果如圖3所示。分析可知，30 kWh/m2以后，(Pmax－Pmin)/Paverage持續(xù)＜1.0%，即單晶硅組件短路情況下在30 kWh/m2以后衰減率達(dá)到穩(wěn)定。

圖3 單晶硅組件在室外短路實(shí)驗(yàn)中的衰減情況

由以上分析可得，組件光衰在戶外比在室內(nèi)需要更長(zhǎng)的輻照總量才能達(dá)到穩(wěn)定。

2.3 單晶組件室內(nèi)、室外光衰程度對(duì)比分析

為驗(yàn)證室內(nèi)外環(huán)境因素對(duì)組件光衰程度的影響，我們對(duì)單晶硅組件室內(nèi)外光衰測(cè)試進(jìn)行了對(duì)比分析。室內(nèi)測(cè)試在輻照度為1 000 W/m2條件下進(jìn)行。室內(nèi)外測(cè)試的組件負(fù)載方式均為短路。分別選取室內(nèi)穩(wěn)定點(diǎn)14 kWh/m2、室外穩(wěn)定點(diǎn)30 kWh/m2，以及室內(nèi)外60 kWh/m2輻照量的情況，對(duì)比分析結(jié)果如表2所示，光衰程度為3 PCS組件的平均值。

表2 單晶硅組件室內(nèi)外光衰程度對(duì)比

表2顯示，室內(nèi)模擬光源測(cè)試的組件光致衰減程度要略小于室外自然光源暴曬測(cè)試，這主要是由于室內(nèi)穩(wěn)態(tài)模擬測(cè)試中，組件溫度維持在(50±5)℃范圍內(nèi)，環(huán)境溫度變化幅度小且沒(méi)有濕度的變化，對(duì)組件封裝材料的影響較小，組件功率衰減主要來(lái)自于太陽(yáng)電池內(nèi)B-O復(fù)合的影響。而室外自然環(huán)境中，溫濕度持續(xù)變化，甚至可能經(jīng)歷濕凍循環(huán)，會(huì)影響電池片的電學(xué)特性，焊帶串阻增大，并造成EVA等封裝材料性能下降，透過(guò)率降低，這些均會(huì)導(dǎo)致組件輸出功率的衰減。

室內(nèi)穩(wěn)態(tài)模擬器測(cè)試可以避免天氣因素帶來(lái)的不利影響，加快測(cè)試進(jìn)程，是一種有利的測(cè)試手段。但是我們?cè)谥贫ńM件光致衰減評(píng)判依據(jù)時(shí)必須考慮到室內(nèi)外測(cè)試帶來(lái)的誤差，在評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)方面予以區(qū)別。

2.4 多晶組件室內(nèi)外衰減率及穩(wěn)定度分析

圖4 多晶硅組件在室內(nèi)短路實(shí)驗(yàn)中的衰減情況

3 PCS多晶硅組件在室內(nèi)穩(wěn)態(tài)模擬器中短路狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，輻照度為1 000 W/m2。由圖4可知，10 kWh/m2或14 kWh/m2以后，(Pmax－Pmin)/Paverage持續(xù) ＜1.0%，我們認(rèn)為 10～14 kWh/m2以后，多晶硅組件在室內(nèi)測(cè)試中的光致衰減程度基本穩(wěn)定。

3 PCS多晶硅組件在室外并網(wǎng)情況下進(jìn)行衰減測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，10 kWh/m2以后，(Pmax－Pmin)/Paverage持續(xù)＜1.0%。

圖5 多晶硅組件在室外并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中的衰減情況

多晶硅組件的衰減始終維持在小于1%的水平，明顯小于單晶硅組件3%以內(nèi)的衰減率，和業(yè)界認(rèn)可的單多晶組件衰減水平對(duì)比結(jié)論一致。數(shù)據(jù)表明，多晶硅組件似乎在較短的輻照總量下即達(dá)到光衰穩(wěn)定。但是我們認(rèn)為，由于多晶硅組件的衰減本身較小，受測(cè)試誤差影響較大，數(shù)據(jù)規(guī)律性不及單晶。是否多晶硅組件的衰減規(guī)律與單晶硅有所不同，還有待探討。因此，為減小或避免其他因素對(duì)光衰分析結(jié)果的影響，后續(xù)分析均在單晶硅組件上進(jìn)行。

2.5 負(fù)載方式

組件開(kāi)路、短路、并網(wǎng)是組件常見(jiàn)的三種狀態(tài)。并網(wǎng)是最接近組件實(shí)際工作的狀態(tài)，但是它并不能在室內(nèi)穩(wěn)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)中采用。而組件在開(kāi)路、短路狀態(tài)是否與組件并網(wǎng)下的衰減有所不同，需要進(jìn)行驗(yàn)證。我們采用相同類(lèi)型的組件在不同負(fù)載方式下進(jìn)行研究，樣品組件為樓頂同一位置的開(kāi)路、短路、并網(wǎng)組件。組件衰減結(jié)果如表3所示，每個(gè)數(shù)據(jù)代表3 PCS組件的平均值。表3表明，組件開(kāi)路時(shí)光致衰減程度最小，短路與并網(wǎng)更為接近。組件并網(wǎng)與短路時(shí)，電流在電池片中流通；而組件開(kāi)路時(shí)，電流內(nèi)耗，實(shí)際暴曬時(shí)并不會(huì)出現(xiàn)熱斑等現(xiàn)象，失配現(xiàn)象少，故而衰減較小。

表3 組件在不同負(fù)載情況下的光致衰減程度

實(shí)際操作中，為使組件在最接近真實(shí)工作的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，我們認(rèn)為最適合組件室外自然光暴曬的負(fù)載方式為并網(wǎng)，即讓組件在最大功率點(diǎn)附近工作。而由于穩(wěn)態(tài)模擬器本身的限制，室內(nèi)模擬暴曬時(shí)無(wú)法使組件并網(wǎng)，根據(jù)組件光衰程度短路與并網(wǎng)基本一致的結(jié)論，室內(nèi)模擬光源暴曬時(shí)組件可以采用短路的負(fù)載方式。

2.6 通風(fēng)條件

不同的通風(fēng)條件下，組件封裝材料老化程度可能不同，有可能影響組件光致衰減程度。基于上述輻照度影響的研究，通過(guò)室外實(shí)驗(yàn)，將同類(lèi)型、同處于短路情況的組件置于不同暴曬角度下，使之處于不同的通風(fēng)條件中(圖6)，研究通風(fēng)條件對(duì)組件光致衰減大小的影響。表4中每個(gè)數(shù)據(jù)為3 PCS組件的平均值。

圖6 組件不同傾角室外暴曬

表4 0°、30°、75°組件光致衰減程度對(duì)比

從表4可以發(fā)現(xiàn)，三種角度組件的通風(fēng)情況為0°＜30°＜75°，相應(yīng)的光致衰減程度為0°＞30°＞75°，即通風(fēng)條件越好，組件的光致衰減程度越小。因此實(shí)際操作中，需要確定測(cè)試組件的安裝角度。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，單晶硅組件的初始光致衰減程度明顯大于多晶硅組件，數(shù)據(jù)規(guī)律性良好便于實(shí)際分析。通過(guò)對(duì)單晶硅組件初始光致衰減在不同總輻照量、室內(nèi)外測(cè)試環(huán)境、負(fù)載方式、通風(fēng)條件等情況下的分析，定量得到其在室內(nèi)穩(wěn)態(tài)14 kWh/m2或室外自然光30 kWh/m2暴曬后，組件功率基本穩(wěn)定。組件開(kāi)路時(shí)失配現(xiàn)象不明顯，光致衰減程度稍小，組件短路時(shí)光致衰減程度最大，與組件并網(wǎng)情況下的衰減程度相當(dāng)。同時(shí)，惡劣的通風(fēng)條件將顯著加速組件的初始光致衰減。

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