不同模擬環(huán)境下高效HJT光伏組件的可靠性研究

摘 要：隨著光伏發(fā)電技術(shù)的進步和太陽電池結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了顯著提高，光伏組件的輸出功率也隨之提高。目前，n型光伏組件因具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，已逐漸成為市場主流。對采用乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）封裝膠膜和高透光玻璃封裝的異質(zhì)結(jié)（HJT）光伏組件在偏壓、濕熱、風(fēng)/雪荷載、紫外線照射、干熱環(huán)境下的可靠性進行了系統(tǒng)研究。將HJT光伏組件樣品放入不同的模擬環(huán)境室中，對其分別進行電勢誘導(dǎo)衰減（PID）測試、濕熱（DH）測試、機械荷載測試、紫外（UV）測試、熱循環(huán)（TC）測試這一系列可靠性測試，分析了HJT光伏組件正面和背面輸出功率的衰減情況及其外觀情況。研究結(jié)果表明：在分別進行PID測試、DH測試、機械荷載測試、UV測試和TC測試后，HJT光伏組件正面和背面的輸出功率損耗均較小，損耗率最高值僅為1.21%，這意味著HJT光伏組件在不同環(huán)境中都表現(xiàn)出了優(yōu)異的可靠性。研究結(jié)果可為未來高性能HJT光伏組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和新材料開發(fā)等方面提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：HJT太陽電池；HJT光伏組件；電性能；輸出功率衰減；可靠性

中圖分類號：TM914.4+1 文獻標(biāo)志碼：A

收稿日期：2023-12-06

基金項目：江蘇省碳達峰與碳中和項目（BE2022006）

通信作者：趙桂香（1993—），女，碩士，主要從事太陽電池技術(shù)方面的研究。zhaoguixiang@cecsec.cn

0" 引言

目前市場上主流的太陽電池類型為PERC太陽電池，其最早起源于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時的量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率為22.8%[1]。自2015年以來，PERC太陽電池技術(shù)迅速產(chǎn)業(yè)化[2-5]，然而其理論最高光電轉(zhuǎn)換效率僅為24.5%，隨著大規(guī)模生產(chǎn)及技術(shù)提升，PERC太陽電池的量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)越來越接近其理論最高值。

當(dāng)前，光伏行業(yè)正在研發(fā)具有更高光電轉(zhuǎn)換效率的新型太陽電池，例如：異質(zhì)結(jié)（HJT）太陽電池[6-9]、隧穿氧化層鈍化接觸（TOPCon）太陽電池[10-12]、全背接觸（xBC）太陽電池[13-15]等；與PERC太陽電池相比，HJT太陽電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率與雙面率，以及較低的溫度系數(shù)和光致衰減[16-17]，因此，HJT太陽電池具有較優(yōu)異的發(fā)電性能。

典型的PERC太陽電池和HJT太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。HJT太陽電池是以n型單晶硅為基底，然后在其正、背面依次沉積i型氫化非晶硅薄膜、p型/n型摻雜非晶硅薄膜、透明導(dǎo)電氧化物（TCO）薄膜、金屬電極。此類太陽電池中的非晶硅薄膜均具有較好的鈍化性能，使HJT太陽電池具有較高的開路電壓（接近750 mV），進而改善了其光電轉(zhuǎn)換效率[7-9]。

與PERC太陽電池的結(jié)構(gòu)不同，HJT太陽電池最表面的透明導(dǎo)電氧化物薄膜是銦錫氧化物（ITO）薄膜而不是SiNx薄膜，因此兩種太陽電池的封裝材料有所不同，但封裝材料會影響制備的光伏組件的可靠性，從而直接影響光伏組件的使用壽命。此外，HJT太陽電池結(jié)構(gòu)內(nèi)的非晶硅薄膜對紫外線較敏感，而采用特定的封裝材料可以改善此現(xiàn)象，進而提高光伏組件的可靠性，但目前關(guān)于這一方向的研究相對較少。

隨著HJT光伏組件的市場份額不斷擴大，深入了解HJT光伏組件的長期可靠性和穩(wěn)定性變得尤為重要。基于此，本文通過模擬實驗，分別采用電勢誘導(dǎo)衰減（PID）測試、濕熱（DH）測試、機械荷載測試、紫外（UV）測試、熱循環(huán)（TC）測試，對HJT光伏組件在偏壓、濕熱、風(fēng)/雪荷載、紫外線照射、干熱環(huán)境中的可靠性進行系統(tǒng)研究。

1" 實驗樣品及條件

實驗用HJT光伏組件樣品采用中節(jié)能太陽能科技（鎮(zhèn)江）有限公司的HJT光伏組件制備工藝制備，其結(jié)構(gòu)為“玻璃/乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）封裝膠膜/HJT太陽電池/EVA封裝膠膜/玻璃”；共制備5塊HJT光伏組件樣品，編號為1#～5#（下文簡稱為“1#樣品～5#樣品”）。

本文所有可靠性測試均按照IEC 61215系列標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進行，測試設(shè)備分別采用上海宏澤化工有限公司生產(chǎn)的熱循環(huán)試驗箱（型號為HT484）、恒溫恒濕試驗箱（型號為HH84），海泊睿科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的光照預(yù)處理試驗箱（型號為BR-PV-LID），以及上海歐普泰科技創(chuàng)業(yè)有限公司生產(chǎn)的EL測試機（型號為OPT-M130）。PID測試在+1500 V和-1500 V的偏壓下進行；DH測試在85 ℃的溫度和85%的相對濕度下進行；UV測試在60 kWh/m2的UV輻照量下進行；TC測試在-40～85 ℃的溫度范圍內(nèi)進行；在標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC，即AM1.5、溫度為25 ℃、太陽輻照度為1000 W/m2）下對每塊HJT光伏組件進行輸出功率測試。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 初始電性能測試

5塊HJT光伏組件樣品正面和背面的初始電性能數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出：1#樣品～5#樣品的正面平均輸出功率為357.60 W，背面平均輸出功率為304.76 W；計算得到5塊HJT光伏組件樣品的平均雙面率約為85.2%。

2.2" PID測試

PID效應(yīng)一直是評價光伏組件可靠性的最重要指標(biāo)之一，光伏組件接地框架和其內(nèi)部太陽電池之間的大電勢差易造成PID效應(yīng) ，而PID程度與太陽電池表面的鈍化效果、光伏組件所處環(huán)境濕度和環(huán)境溫度均密切相關(guān)。太陽電池表面鈍化效果差或者長期在高溫、高濕環(huán)境中運行的光伏組件更容易產(chǎn)生PID效應(yīng)。近年來，隨著太陽電池表面鈍化技術(shù)的進步和光伏組件封裝材料抗PID能力的提高，光伏組件整體的抗PID性能得到了顯著提高。

文獻[18]的研究結(jié)果表明：PERC光伏組件的PID與鈉離子的遷移和其在太陽電池表面的聚集有關(guān)，這是因為鈉離子聚集導(dǎo)致場鈍化效果減弱，進一步導(dǎo)致太陽電池中更多的光生載流子復(fù)合。然而，HJT太陽電池的表面是具有更好導(dǎo)電性的ITO薄膜，電荷不會在太陽電池表面聚集，避免了太陽電池表面出現(xiàn)鈍化效果惡化或極化的可能性。因此通常認(rèn)為，當(dāng)HJT光伏組件處于偏壓時，其不會產(chǎn)生PID效應(yīng)。為了證實這一點，分別對1#樣品在-1500 V偏壓下、2#樣品在+1500 V偏壓下進行PID測試，測試時間為192 h，測試前后樣品的輸出功率如圖2所示。

從圖2可以看出：在-1500 V偏壓下，PID測試后1#樣品正面的輸出功率降低了1.52 W，損耗率為0.42%；1#樣品背面的輸出功率降低了2.12 W，損耗率為0.69%。在+1500 V偏壓下，PID測試后2#樣品正面的輸出功率僅降低了0.13 W，損耗率為0.04%；2#樣品背面的輸出功率僅降低了0.41 W，損耗率為0.13%。這些數(shù)據(jù)表明，HJT光伏組件在偏壓條件下具有良好的抗PID性能。

在PID測試前后分別對1#和2#樣品進行電致發(fā)光（EL）檢測，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出：1#樣品和2#樣品分別在-1500 V和+1500 V偏壓下進行PID測試前后的EL圖像均未有明顯異常。這表明PID測試后HJT光伏組件未出現(xiàn)裂紋、碎片、接觸故障等現(xiàn)象，與圖2得到的PID測試后光伏組件輸出功率的結(jié)果一致。

2.3" DH測試和機械荷載測試

對于背面封裝采用聚合物背板的單玻光伏組件而言，濕氣可以從背面聚合物層滲透，隨著環(huán)境溫度的升高，背面聚合物層的透水性增加，滲透的水蒸氣會導(dǎo)致EVA封裝膠膜降解，產(chǎn)生乙酸和其他酸性物質(zhì)，而這會腐蝕光伏組件中的焊帶和太陽電池上的金屬電極，導(dǎo)致光伏組件的接觸電阻和串聯(lián)電阻增加。在嚴(yán)重的情況下，還會引發(fā)光伏組件部分電路失效，導(dǎo)致光伏組件輸出功率顯著下降。因此，在高溫高濕環(huán)境中，單玻光伏組件的可靠性比雙玻光伏組件的差。而雙玻光伏組件背面封裝采用玻璃，由于玻璃的透水性幾乎為零，水蒸氣無法通過背面的玻璃滲透到雙玻光伏組件中，只有少量會從雙玻光伏組件的邊緣滲透，從而可有效緩解因水蒸氣入侵引起的EVA封裝膠膜降解和光伏組件中材料被腐蝕的情況，因此該結(jié)構(gòu)被認(rèn)為在濕熱條件下具有更好的可靠性。

目前的HJT太陽電池表面通常采用ITO薄膜，然而EVA封裝膠膜降解產(chǎn)生的乙酸對ITO薄膜有一定的腐蝕作用，從而會影響太陽電池表面的載流子收集和傳輸過程，進而導(dǎo)致光伏組件輸出功率降低。因此，為了避免水蒸氣對HJT太陽電池造成不利的影響，并考慮到HJT光伏組件的雙面發(fā)電能力比PERC光伏組件的更強（HJT光伏組件的雙面率約為85%，PERC光伏組件的雙面率約為70%），目前的HJT光伏組件通常采用雙玻結(jié)構(gòu)。

本實驗所用HJT光伏組件即為基于上述原因設(shè)計的雙玻結(jié)構(gòu)（玻璃采用高透光玻璃），為了評估其在濕熱環(huán)境中的可靠性，對實驗樣品進行DH測試，評估其耐濕熱性能。將3#樣品放入85 ℃溫度和85%相對濕度的環(huán)境室中，測試時間為1000 h（即DH1000測試）。DH1000測試前后3#樣品的輸出功率如圖4所示。

從圖4可以看出：3#樣品正面的初始輸出功率為358.41 W，經(jīng)過DH1000測試后降至354.06 W，僅降低了1.21%；背面的初始輸出功率為305.35 W，經(jīng)過DH1000測試后降至302.35 W，僅降低了0.98%；雙面率從初始的85.2%提高到85.4%，說明該光伏組件具有良好的耐濕熱性能。

DH1000測試后對3#樣品的外觀進行檢查，并未觀察到該樣品中的太陽電池和EVA封裝膠膜之間出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

強風(fēng)和積雪都會對光伏組件產(chǎn)生荷載，為了研究HJT光伏組件在風(fēng)雪天氣條件下的可靠性，通過機械載荷測試評估其耐候性能。經(jīng)過DH1000測試后，在3#樣品正面施加5400 Pa的機械荷載、背面施加2400 Pa的機械荷載，然后測試其輸出功率，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)：機械荷載測試后，3#樣品正面的輸出功率從354.06 W下降到351.81 W，僅降低了0.64%；背面的輸出功率從302.35 W下降到300.61 W，僅降低了0.58%，均未出現(xiàn)明顯下降。

在DH1000測試前后和機械荷載測試后分別對3#樣品進行EL檢測，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出：在DH1000測試和機械荷載測試后，3#樣品的EL圖像均未有明顯異常，表明測試后樣品未出現(xiàn)明顯的裂紋，這與圖4、圖5的測試結(jié)果一致。

上述測試結(jié)果表明，HJT光伏組件在濕熱環(huán)境和風(fēng)雪天氣條件下都具有優(yōu)異的可靠性。

2.4" UV測試

HJT太陽電池中的非晶硅薄膜增加了HJT光伏組件可靠性的不確定性。眾所周知，HJT太陽電池結(jié)構(gòu)內(nèi)的非晶硅薄膜對紫外線較敏感，非晶硅薄膜中的氫在暴露于紫外線后會發(fā)生一系列反應(yīng)，從而導(dǎo)致氫擴散和逃逸并產(chǎn)生新的復(fù)合中心，進而改變氫在非晶硅薄膜中的鍵合、狀態(tài)分布等。

為了驗證封裝成光伏組件后HJT太陽電池內(nèi)非晶硅薄膜的穩(wěn)定性，對4#樣品進行UV測試，在其正面和背面分別采用輻照量為60 kWh/m2的紫外線照射（即UV60測試），測試結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出：在UV60測試后，4#樣品正面的輸出功率未出現(xiàn)損失，僅背面的輸出功率出現(xiàn)0.91%的損失；雙面率從初始的85.9%下降到85.1%。這些數(shù)據(jù)表明，HJT光伏組件對紫外線的敏感性較低。

2.5" TC測試

炎熱干燥的氣候環(huán)境主要表現(xiàn)為濕度低、晝夜溫差大。由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，在冷熱交替的過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力，容易造成界面材料分層、焊帶與電極斷開、太陽電池開裂等問題，因此，需要對HJT光伏組件在干熱環(huán)境中的可靠性進行評估。

將5#樣品放置在模擬環(huán)境室中，通過模擬室外高低溫循環(huán)過程對樣品進行TC測試。測試的溫度循環(huán)條件為-40～85 ℃，循環(huán)200次（即TC200測試），測試前后5#樣品的輸出功率如圖8所示。

從圖8可以看出：在TC200測試后，5#樣品正面的輸出功率從356.61 W下降到354.36 W，僅降低了0.63%；背面的輸出功率從303.41 W下降到302.16 W，僅降低了0.41%；雙面率從初始的85.1%上升到85.3%。該光伏組件極低的功率損耗充分證明了其在干熱環(huán)境中具有優(yōu)異的可靠性。

在TC200 測試前后對5# 樣品進行EL檢測，從其EL圖像可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過TC200測試后HJT光伏組件未出現(xiàn)分層和裂紋等問題，與圖8的測試結(jié)果一致。

3" 結(jié)論

本文對采用EVA封裝膠膜和高透光玻璃封裝的HJT光伏組件在偏壓、濕熱、風(fēng)/雪荷載、紫外線照射、干熱環(huán)境下的可靠性進行了系統(tǒng)研究。將HJT光伏組件樣品放入不同的模擬環(huán)境室中，對其分別進行PID測試、DH測試、機械荷載測試、UV測試和TC測試這一系列可靠性測試，分析了HJT光伏組件正面和背面輸出功率的衰減情況及其外觀情況。研究結(jié)果表明：在分別進行PID測試、DH測試、機械荷載測試、UV測試和TC測試后，HJT光伏組件正面和背面的輸出功率損耗均較小，損耗率最高值僅為1.21%，表明HJT光伏組件在不同環(huán)境中都表現(xiàn)出了優(yōu)異的可靠性。研究結(jié)果可為未來高性能HJT光伏組件的應(yīng)用和新材料開發(fā)等方面提供指導(dǎo)。

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RESEARCH ON reliability OF EFFICIENT HJT PV MODULES UNDER DIFFERENT SIMULATION ENVIRONMENTS

Guo Yi1，Huang Guoping2，Zhao Guixiang2，Yang Chuansu2，Zhang Zhongjian2，Zhou Xu2

（1. CECEP Solar Energy Co.，Ltd.，Beijing 100000，China；

2. CECEP Solar Energy Technology （Zhenjiang） Co.，Ltd.，Zhenjiang 212132，China）

Abstract：With the advancement of PV power generation technology and innovation in solar cell structures，the photoelectric conversion efficiency of solar cells has been significantly improved，and the output power of PV modules has also increased accordingly. At present，n-type PV modules have gradually become the mainstream in the market due to their high photoelectric conversion efficiency. This paper systematically studies the reliability of HJT PV modules encapsulated with EVA film and high transparency glass under the environment of bias voltage，humid heat，wind/snow load，ultraviolet irradiation，and dry heat. The HJT PV module samples are placed in different simulated environmental chambers and subjected to a series of reliability tests including PID testing，DH testing，mechanical load testing，UV testing，and TC testing. The output power attenuation on the front side and back side of the HJT PV module and its appearance are analyzed. The research results show that after conducting PID testing，DH testing，mechanical load testing，UV testing，and TC testing separately，the output power loss of the front side and back side of HJT PV modules is relatively small，with the highest loss rate of only 1.21%. This means that HJT PV modules have shown excellent reliability in different environments. The research results can provide guidance for the structural design and new material development of high-performance n-type HJT PV modules in the future.

Keywords：HJT solar cells；HJT PV modules；electrical performance；output power attenuation；reliability