摘要：結(jié)合在組件生產(chǎn)和電站質(zhì)量管理中遇到的問題，對組件材料老化衰減及組件初始光致衰減原因進行了分析和實驗測試，提出相應對策。結(jié)果表明：組件材料老化功率衰減主要是EVA和背板老化黃變引起，組件初始功率衰減主要由于硅片內(nèi)硼、氧元素復合引起，提出的對策具有可行性。

0.引言

光伏組件是太陽能發(fā)電的關鍵元件，光伏組件功率衰減是指隨著光照時間的增加，組件輸出功率不斷呈下降趨勢的現(xiàn)象[1]。組件功率衰減直接關系到組件的發(fā)電效率。國內(nèi)組件的功率衰減與國外最好的組件相比，仍存在一定差距，因此

研究組件功率衰減非常有必要。組件功率衰減包括組件初始光致衰減、組件材料老化衰減及外界環(huán)境或破壞性因素導致的組件功率衰減[2]。外界環(huán)境導致功率衰減主要由光伏電站運營不當造成，可通過加強光伏電站的維護進行改善或避免；破壞性因素導致的組件功率衰減是由于組件明顯的質(zhì)量問題所致，在組件生產(chǎn)和電站安裝過程對質(zhì)量進行嚴格檢驗把控，可減少此類功率衰減的現(xiàn)象。本文主要研究組件初始光致衰減及材料老化衰減。

1.組件初始光致衰減分析

1.1組件初始光致衰減原理分析

組件初始光致衰減(LID)是指光伏組件在剛開始使用的幾天其輸出功率發(fā)生大幅下降，之后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。普遍認為的衰減機理為硼氧復合導致，即由p型(摻硼)晶體硅片制作而成的光伏組件經(jīng)過光照，其硅片中的硼、氧產(chǎn)生復合體，從而降低了其少子壽命。在光照或注入電流條件下，硅片中摻入的硼、氧越多，則生成復合體越多，少子壽命越低，組件功率衰減幅度就越大[3]。

1.2組件初始光致衰減的實驗分析

本研究采用對比實驗的辦法，在背板、EVA、玻璃和封裝工藝等條件完全一致情況下，采用兩組電池片(一組經(jīng)初始光照，另一組未經(jīng)初始光照)，分別將其編號為I和II。同時，生產(chǎn)出的所有組件經(jīng)質(zhì)量全檢及電致發(fā)光(EL)檢測，確保質(zhì)量完全正常。實驗過程條件確保完全一致，采用同一臺太陽能模擬儀測量光伏組件I-V曲線。

分別取I和II光伏組件各3組進行試驗，記錄其在STC狀態(tài)下的功率輸出值。隨后，將I和II光伏組件放置于輻照總量為60kWh/m2(根據(jù)IEC61215的室外暴曬試驗要求)的同一地點進行暴曬試驗，分別記錄其功率，結(jié)果見表1。

由表1可知，I組光伏組件整體功率衰減明顯較II組低。因此，可推測光伏組件的初始光致衰減主要取決于電池的初始光致衰減。在光伏組件封裝前對其電池片進行初始光照，則組件功率衰減會顯著減弱。

1.3組件初始功率衰減與I-V曲線不良的關系研究

隨機選取一塊質(zhì)量正常組件，組件內(nèi)所有電池的衰減基本一致，對其進行功率測試，I-V曲線平滑曲線如圖1所示。

由圖1可知，盡管輸出功率下降，但I-V曲線平滑、無臺階，其紅外圖像類似正常組件，即無熱斑出現(xiàn)。

取光伏組件中任一電池片無初始光照衰減，即組件內(nèi)電池的衰減不一致，對其進行功率測試，I-V曲線如圖2所示。

由圖2中I-V曲線出現(xiàn)臺階可看出，組件內(nèi)部整體輸出功率下降的同時，未經(jīng)初始光照衰減的電池片造成光伏組件整體電流降低、輸出功率減小。

通過實驗說明，如果光伏組件內(nèi)部電池片衰減不一致，導致組件內(nèi)部串聯(lián)的電池片產(chǎn)生電流失配，由此I-V曲線出現(xiàn)臺階。在組件生產(chǎn)的質(zhì)量檢驗過程中，對組件I-V曲線出現(xiàn)臺階的問題組件進行統(tǒng)計研究，也進一步驗證了組件的初始光致功率衰減是導致I-V曲線異常的內(nèi)在原因。

1.4組件初始光致衰減的驗證

為確保組件功率質(zhì)量，在組件制造過程中，隨機對抽取組件進行太陽下暴曬，暴曬至組件功率基本穩(wěn)定為止，檢測其初始光致衰減值，測試數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知，光伏組件初始都有光致衰減現(xiàn)象，但不同批次功率衰減幅度差異較大，1%～3.7%都有，因此改善初始光致衰減現(xiàn)象顯得非常必要。

通過以上分析可知，組件初始光衰幅度主要取決于電池光致衰減，電池光致衰減則由硅片的硼、氧含量等決定。要消除由于組件初始功率衰減導致的問題，可利用硅片分選機來控制硅片質(zhì)量，確保硅片內(nèi)部的硼、氧元素含量處于正常范圍，從而保障電池片的轉(zhuǎn)換效率；同時在組件封裝前，對電池片進行功率分檔，保證電池片功率匹配，從而改善組件的初始光致功率衰減問題。

2.材料老化導致功率衰減分析

光伏組件封裝結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，組件的主要材料包括電池片、玻璃、EVA、背板等[1]。由圖3可知，光伏組件材料老化衰減主要可從電池片功率衰減及封裝材料的性能退化兩方面分析，而影響這兩方面因素的主要原因是紫外線照射及濕熱老化環(huán)境，而玻璃對紫外線和濕熱環(huán)境的性能變化較小[4]，因此組件功率的老化衰減研究主要可圍繞EVA和背板兩種材料的老化開展。圖4為某電站運營后材料老化的外觀圖。

　　2.1 EVA老化對光伏組件功率衰減影響

把組件分為A、B、C、F8064組，分別采用4個不同廠家的EVA材料，電池片、玻璃、背板、焊帶、邊框等材料及生產(chǎn)工藝設備都一致，制作每塊組件的同時還制作一個陪樣，用于測試組件EVA材料的黃變指數(shù)。生產(chǎn)出的組件經(jīng)過EL檢測和I-V曲線的測試，確定質(zhì)量合格，把4組組件和陪樣同時放入環(huán)境試驗箱進行濕熱老化，測試條件為溫度85℃、濕度85%。每隔一段時間測試其組件功率及陪樣EVA的黃變指數(shù)，共測試1000h后把組件取出，其組件測試數(shù)據(jù)如圖5所示，對應陪樣EVA的黃變指數(shù)如圖6所示。

由圖5和圖6可看出，不同品牌的EVA耐濕熱老化性能差異很大，其中F806EVA黃變小，耐老化性能明顯比其他EVA強，做成的組件功率衰減少。這個實驗結(jié)果與組件老化功率衰減結(jié)果相符合，說明EVA黃變是組件材料老化導致功率衰減的一個重要原因。

為了深入對此質(zhì)量問題進行分析，結(jié)合類似的EVA黃變現(xiàn)象，本文選取某研究所光伏電站的組件進行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)該光伏電站的組件也部分存在EVA黃變現(xiàn)象，如圖7所示。

在該電站上分別選取一塊EVA黃變組件和一塊EVA未黃變組件，分別測試其功率，數(shù)據(jù)見表3。

由表3可知，EVA未黃變組件在電站運營過程中只衰減了2.23%，而EVA黃變組件的功率衰減了5.7%，因此進一步驗證了EVA黃變是造成組件功率衰減的一個重要原因。

2.2背板老化對光伏組件功率衰減影響

把組件分為A、B兩組，分別采用兩個不同廠家的背板材料(A組背板為雙面含氟背板，B組為不含氟的背板)，電池片、玻璃、背板、焊帶、邊框等材料及生產(chǎn)工藝設備都一致，制作每塊組件的同時還制作一個陪樣，用于測試背板的耐紫外黃變指數(shù)。生產(chǎn)出的組件經(jīng)過EL檢測和I-V曲線的測試，確定質(zhì)量合格，實驗前記錄兩組光伏組件及陪樣組件在STC狀態(tài)下的功率輸出值。按照IEC61215-2005的實驗要求，將兩組光伏組件放于紫外試驗箱中，溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)(60±5℃)，組件受波長為280～385nm范圍的紫外輻射(15kWh/m2)，其中波長為280～320nm的紫外輻照不少于5kWh/m2[1]。用太陽能測試儀測試組件的功率，結(jié)果見表4；同時測試陪樣背板及樣品紫外老化后的黃變指數(shù)，結(jié)果如圖8所示。

從表4和圖8可知，A組光伏組件背板雙面含氟(黃變指數(shù)為2.2)，具有較強耐紫外功能，因此其功率衰減較??；而B組光伏組件背板不含氟，有黃變現(xiàn)象(黃變指數(shù)為67.4)，功率衰減明顯。2.3材料老化功率衰減現(xiàn)場跟蹤測試分析本文對某研究所光伏電站進行跟蹤測試分析，選取一塊質(zhì)量正常的組件定期進行功率測試，其功率衰減數(shù)據(jù)見表5。

各時間段該組件的EL圖片如圖9所示，EL圖片顯示組件內(nèi)部完好，未發(fā)生隱裂等質(zhì)量問題，每次測試時清除表面的臟污和灰塵，排除外界條件對組件功率的影響。測試結(jié)果說明組件功率衰減是由于自身材料老化原因所造成，衰減的比例與功率質(zhì)保規(guī)定的質(zhì)保統(tǒng)一標準接近。

從實驗測試結(jié)果和具體電站中組件分析可看出，EVA和背板材料的老化、黃變是導致組件功率老化衰減的主要原因，采用高質(zhì)量的EVA和背板能有效減少組件的功率老化衰減。

3.結(jié)論

本文重點對組件初始功率衰減和材料老化功率衰減兩種現(xiàn)象進行分析研究，同時對某研究所電站進行現(xiàn)場跟蹤測試分析，得出以下結(jié)論：

1)光伏組件的初始光致衰減主要是由于電池片的初始光致衰減不同所致。不同批次硅片的硼氧含量不同，導致電池片的初始光致衰減不同。因此利用硅片分選機控制硅片質(zhì)量，從而保證電池片的初始光致衰減是解決光伏組件初始光致衰減的有效方法。

2)光伏組件的材料老化衰減主要取決于光伏組件封裝過程中EVA和背板質(zhì)量，使用濕熱老化功能較強和耐紫外的背板和EVA材料，能較大程度保證光伏組件質(zhì)量。

參考文獻

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黃盛娟1，2唐榮2唐立軍1

(1.長沙理工大學物理與電子科學學院；2.湖南紅太陽新能源科技有限公司)