光伏組件隱裂特性的研究進(jìn)展(上)

■ 王歡 徐征 徐田帥 李文欣 趙謖玲

(1. 北京交通大學(xué)理學(xué)院太陽能研究所；2. 鑒衡認(rèn)證中心；3. 北京交通大學(xué)發(fā)光與光信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引言

隨著太陽能逐漸成為新能源中重要的一部分，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在不斷加速。在發(fā)展的過程中，光伏組件產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性受到極大重視。隱裂問題是近些年在光伏電站運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題，晶硅組件由于其本身的晶體結(jié)構(gòu)十分容易發(fā)生破裂[1]，以及晶硅電池片趨向薄化，降低了組件防止機(jī)械破壞的能力[2]，更易產(chǎn)生隱裂。組件產(chǎn)生隱裂會降低組件的效率[3]、可靠性和使用壽命，乃至光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。因此，研究隱裂特性及隱裂造成的影響，對組件生產(chǎn)和運(yùn)行有非常重要的意義。本文主要從以下幾方面介紹隱裂有關(guān)的研究進(jìn)展。

1)研究隱裂特性。不同形狀的隱裂對電池造成的損害不一，對形狀進(jìn)行分類時(shí)，主要從隱裂與主柵線的相對位置來區(qū)分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，平行于主柵線的隱裂對電池發(fā)電量的損害最大[5]。其次，模擬組件的應(yīng)力分布，用有限元分析軟件ANSYS對晶硅組件進(jìn)行應(yīng)力仿真。仿真時(shí)需要考慮機(jī)械強(qiáng)度和組件各層材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)。

2)機(jī)械載荷測試與熱循環(huán)測試。目前IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)中對組件機(jī)械載荷要求，該測試的目的是評估組件對風(fēng)、雪、靜負(fù)載或冰雪負(fù)載的抵抗能力，將總強(qiáng)度為2400 Pa(或5400 Pa)的外部環(huán)境機(jī)械應(yīng)力垂直施加到組件表面上[6]，該測試為靜態(tài)載荷測試。若要模擬風(fēng)引起的馳震、顫動(dòng)，以及由降雨/風(fēng)力引起的振動(dòng)等，則需對組件進(jìn)行動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷測試，但目前標(biāo)準(zhǔn)中并未做出相關(guān)規(guī)定。在實(shí)際運(yùn)行中，動(dòng)態(tài)(或熱)機(jī)械負(fù)載對組件所提出的要求要比靜態(tài)負(fù)載高許多[7]。機(jī)械載荷測試后進(jìn)行熱循環(huán)測試，觀察組件產(chǎn)生的隱裂等問題。

3)隱裂探測方法。由于隱裂難以用肉眼觀察到，一般需要通過儀器測試才能探測，很難人為做出定量判斷這種看不到的缺陷。目前探測隱裂最常用的方法是電致發(fā)光(EL)測試[8]，更加精準(zhǔn)地探測電池片隱裂的方法有電子散斑干涉法[9]、光致發(fā)光(PL)測試[10]、超聲波諧振探測法[11]。

4)組件生產(chǎn)、運(yùn)輸及運(yùn)行時(shí)造成的隱裂與隱裂擴(kuò)展。在硅片切割[12]、焊線[13]、絲網(wǎng)印刷[14]、層壓[15]等生產(chǎn)過程中，電池片受到機(jī)械負(fù)載與熱負(fù)載而產(chǎn)生隱裂及隱裂擴(kuò)展。此外，在組件運(yùn)輸途中[16]會受到更多外力威脅，組件運(yùn)行時(shí)存在晝夜溫差和風(fēng)雪載荷[17]。

面對隱裂造成的危害，如何防止隱裂的產(chǎn)生已是整個(gè)光伏行業(yè)面臨的棘手問題。本文將綜合目前對隱裂的研究，并分析防止手段。

1 隱裂的特性

1.1 隱裂的類型

在實(shí)際觀測中會遇到各種形狀的裂紋，經(jīng)過簡單歸納，主要分為6類：樹狀裂紋、綜合型裂紋、+45°/-45°(斜裂紋)、平行于柵線、垂直于柵線、貫穿整個(gè)電池片的裂紋，部分如圖1所示。并非所有裂紋對組件性能都有嚴(yán)重的影響，經(jīng)過測試可知，50%的電池片受損與平行于柵線的隱裂有關(guān)，斜裂紋、樹狀裂紋、綜合性裂紋影響都在14%～20%之間，由垂直于柵線的隱裂產(chǎn)生衰退的電池片只有1%。

圖1 隱裂的基本類型部分圖

1.1.1 不同隱裂對組件發(fā)電性能的影響

為何當(dāng)裂紋平行于柵線時(shí)會嚴(yán)重減小發(fā)電性能？從晶硅電池板的結(jié)構(gòu)來看，收集電流的細(xì)柵線垂直于主柵線。當(dāng)電池表面出現(xiàn)平行于主柵線、垂直于細(xì)柵線的裂紋時(shí)，導(dǎo)致細(xì)裂紋無法將收集的電流匯集到主柵線，引起電池片部分甚至全部失效。如圖2所示，不同方向的裂紋導(dǎo)致細(xì)柵線斷裂，電池片部分區(qū)域失效而無法發(fā)電。裂紋成45°時(shí)，失效面積只占電池片面積的6.25%，但平行于主柵線的裂紋，會造成25%的面積損失；垂直于主柵線的裂紋幾乎不影響細(xì)柵線，因此造成電池片失效的面積幾乎為零[5]。

圖2 不同方向裂紋對電池片區(qū)域造成失效的理論分析

圖3 不同類型的隱裂導(dǎo)致電池片衰減的相對概率

經(jīng)過機(jī)械載荷測試，對各方向裂紋做出統(tǒng)計(jì)。平行于柵線的裂紋不僅很有可能造成失效面積，而且該方向裂紋造成的最大損失面積可高達(dá)16%～25%以上；組件中2/3的斜裂紋對組件的功率穩(wěn)定沒有影響；樹狀裂紋會產(chǎn)生大范圍的失效面積，在測試時(shí)最大失效面積可達(dá)55%。

圖4 各方向隱裂在電池片各區(qū)域出現(xiàn)概率

1.1.2 隱裂的空間分布

垂直裂紋出現(xiàn)幾率較小，只在組件邊緣處發(fā)生。斜裂紋和平行裂紋在組件上分布不均勻，斜裂紋易出現(xiàn)在組件角落的電池片上，且出現(xiàn)斜裂縫電池片的位置主要成對角線關(guān)系，而相反方向?qū)蔷€上的電池片則很少出現(xiàn)。平行裂紋在組件各位置出現(xiàn)概率較大，只在短邊最外列出現(xiàn)較少。各類型裂紋在組件上出現(xiàn)的概率如圖5所示，顏色越深，說明出現(xiàn)的機(jī)會越大。樹狀和綜合型裂紋在電池板上分布較均勻，發(fā)生概率也較小[5]。

圖5 不同方向裂紋的空間分布情況

1.2 對組件的應(yīng)力分布仿真

為研究裂紋空間分布的原因，大部分研究采用有限元分析。該技術(shù)可模擬風(fēng)壓、雪壓等載荷作用在光伏組件時(shí)的情況，進(jìn)行位移、應(yīng)力分析計(jì)算，獲得精確的結(jié)果。

有限元分析可用于靜態(tài)載荷模擬，模擬條件一般采用IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)中要求的載荷5400 Pa。首先考慮層壓過程：在ANSYS中對光伏組件幾何模型做適當(dāng)?shù)暮喕幚?，鋁合金邊框與玻璃的接觸裝配采用施加接觸支撐約束在接觸面的簡化形式。由于模型及加載具有對稱性，所以建立1/4模型，從而可簡化計(jì)算[18]。1)設(shè)定邊界位移為0；2)模型中考慮自重因素，方向豎直向下；3)在實(shí)際層壓過程中，當(dāng)溫度上升到120 ℃時(shí)EVA開始變軟，直到140～150 ℃以上EVA才與其他層相連，在這期間電池片不受EVA的壓力，模擬時(shí)層壓最高溫度設(shè)定為145 ℃；4)在EVA冷卻后，由于各層材料的熱膨脹系數(shù)不同，會產(chǎn)生應(yīng)力。然后考慮機(jī)械載荷，在光伏組件表面模擬施加5400 Pa載荷，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靠近組件中心區(qū)域主要受拉伸應(yīng)力，組件邊緣的電池片主要受抗壓應(yīng)力[19]。計(jì)算出形變位移云圖，最大形變位移發(fā)生在板的中心，由中心向四周遞減。計(jì)算應(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)最大綜合應(yīng)力發(fā)生在太陽電池層壓板長邊中間區(qū)域[18]。

除機(jī)械載荷，溫度也對組件隱裂產(chǎn)生影響。硅是易碎的材料，是線彈性結(jié)構(gòu)，模擬裂紋擴(kuò)展應(yīng)用(Linear Fracture Mechanics，LEFM)，用應(yīng)力強(qiáng)度因子(Stress Intensity Factors，SIFS)計(jì)算隱裂擴(kuò)展，通過定義裂紋的尖端條件模擬[20]。

在組件上均勻模擬5400 Pa機(jī)械載荷，分析圖如圖6所示，箭頭方向?yàn)閼?yīng)力方向，長度表示大小。組件中央受到的應(yīng)力最大，形成的裂紋方向一般與應(yīng)力的方向垂直，從圖6可看出，豎直方向的應(yīng)力較大，這也解釋了平行柵線的裂紋遠(yuǎn)多于垂直裂紋的原因。

圖6 第一主應(yīng)力分布圖及主應(yīng)力方向

組件邊緣的應(yīng)力分布可觀察斜應(yīng)力的分布情況，從圖7顯示的情況來看，斜方向的應(yīng)力作用在組件上時(shí)，最大值出現(xiàn)在組件邊緣處。同樣的，觀察另一斜對角方向的應(yīng)力時(shí)，最大值出現(xiàn)在另兩個(gè)邊緣位置。

圖7 -45°方向的應(yīng)力施加在組件上形成的主應(yīng)力分布，形成的裂紋方向?yàn)?45°

2 隱裂對組件功率的影響

從長遠(yuǎn)來看，組件隱裂紋會造成極大的功率損失，主要是組件中的裂片會極大地影響組件性能。經(jīng)過濕凍測試，隱裂紋有可能擴(kuò)展，形成退化區(qū)域，該區(qū)域仍和電池有鏈接；或成為完全裂片的失效面積，失效面積為Ainactive。通過對隱裂組件做仿真測試，研究以下幾種情況下隱裂引起的影響。

1)當(dāng)單個(gè)電池片產(chǎn)生隱裂時(shí)，隱裂對該電池片造成的功率影響。經(jīng)過電路仿真發(fā)現(xiàn)，如果單個(gè)電池片某處形成裂片，那么當(dāng)失效面積Ainactive與總面積Atotal之比小于8.25%時(shí)，該隱裂對組件功率影響不大。

圖8 破裂電池片中帶有失效電阻的電路圖

2)組件上的電池片產(chǎn)生隱裂，對整個(gè)組件功率的影響。通常組件上60個(gè)電池片串聯(lián)，每20個(gè)電池片與1個(gè)旁路二極管并聯(lián)保護(hù)組件。影響功率損失最大的因素在于電池片的失效面積，其次是產(chǎn)生隱裂的電池片數(shù)目。當(dāng)某個(gè)電池片產(chǎn)生隱裂時(shí)，旁路二極管由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)，可保護(hù)其他兩串正常工作的電池片，保證剩余40個(gè)電池片正常工作。由此看出旁路二極管對保護(hù)產(chǎn)生隱裂的組件有十分重要的作用。研究組件中出現(xiàn)多個(gè)有缺陷的電池片，通過其功率損失的模擬結(jié)果來看，電池片的失效面積會對功率損失的影響很大。如圖9所示，模擬從電池片出現(xiàn)5%～50%的電失效面積，發(fā)現(xiàn)組件的功率損失明顯增大。而模擬增加隱裂電池片數(shù)目時(shí)，帶來的功率損失只是隨著隱裂電池片個(gè)數(shù)增加而緩慢增加。

圖9 組件上多個(gè)電池片產(chǎn)生隱裂，失效面積相同，產(chǎn)生隱裂電池片個(gè)數(shù)與發(fā)電量損失的關(guān)系仿真

[1] Buehler M J， van Duin A C， Goddard III W A. Multiparadigm modeling of dynamical crack propagation in silicon using a reactive force field[J]. Physical review letters， 2006， 96(9)：095505.

[2] Wohlgemuth J H， Cunningham D W， Placer N V， et al. The effect of cell thickness on module reliability[A]. 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference(PVSC'08)[C]， San Diego，CA， USA， 2008.

[3] Paggi M， Corrado M， Rodriguez M A. A multi-physics and multi-scale numerical approach to microcracking and powerloss in photovoltaic modules[J]. Composite Structures， 2013，95： 630 － 638.

[4] K?ntges M， Kunze I， Kajari-Schr?der S， et al. The risk of power loss in crystalline silicon based photovoltaic modules due to micro-cracks[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2011，95(4)： 1131 － 1137.

[5] Kajari-Schr?der S， Kunze I， Eitner U， et al. Spatial and orientational distribution of cracks in crystalline photovoltaic modules generated by mechanical load tests[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2011， 95(11)： 3054 － 3059.

[6] Standard I. 61215. Crystalline silicon terrestrial photovoltaic(PV) modules—Design qualifi cation and type approval[S]. 1995.

[7] Wohlgemuth J H， Cunningham D W， Monus P， et al. Long term reliability of photovoltaic modules[A]. Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion [C]， Waikoloa， HI， 2006.

[8] Fuyuki T， Kitiyanan A. Photographic diagnosis of crystalline silicon solar cells utilizing electroluminescence[J]. Applied Physics A， 2009， 96(1)： 189 － 196.

[9] Wen T K， Yin C C. Crack detection in photovoltaic cells by interferometric analysis of electronic speckle patterns[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2012， 98：216 － 223.

[10] Trupke T， Bardos R， Abbott M， et al. Fast photoluminescence imaging of silicon wafers[A]. Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion[C]，Waikoloa， HI， 2006.

[11] Dallas W， Polupan O， Ostapenko S. Resonance ultrasonic vibrations for crack detection in photovoltaic silicon wafers[J].Measurement Science and Technology， 2007， 18(3)： 852.

[12] Wang P. Industrial challenges for thin wafer manufacturing[A].Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion [C]， Waikoloa， HI ， 2006.

[13] Gabor AM， Ralli M， Montminy S， et al. Soldering induced damage to thin Si solar cells and detection of cracked cells in modules[A]. Proceedings of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference[C]， Dresden， Germany， 2006.

[14] Hilali M M， Gee J M， Hacke P. Bow in screen-printed backcontact industrial silicon solar cells [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2007， 91(13)： 1228 － 1233.

[15] Dietrich S， Pander M， Sander M， et al. Mechanical and thermomechanical assessment of encapsulated solar cells by finite-element-simulation[A]. SPIE Solar Energy+ Technology.International Society for Optics and Photonics[C]， San Diego，California 2010， 77730F-1 － 77730F-10.

[16] Pingel S， Zemen Y， Frank O， et al. Mechanical stability of solar cells within solar panels[J]. Proceedings of 24th EUPVSEC，2009， 3459 － 3464.

[17] Assmus M， Jack S， Weiss K A， et al. Measurement and simulation of vibrations of PV‐modules induced by dynamic mechanical loads[J]. Progress in Photovoltaics： Research and Applications， 2011， 19(6)： 688 － 694.

[18] 黃浩， 吳志學(xué). 光伏組件變形對組件性能的影響研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化 ， 2011， (4)： 107 － 109.

[19] Lee Y， Tay A A. Stress analysis of silicon wafer-based photovoltaic modules under IEC 61215 mechanical load test[J].Energy Procedia， 2013， 33： 265 － 271.

[20] Al Ahmar J， Wiese S. Analysis and simulation of cracks and micro cracks in PV cells[A]. 2013 14th International Conference on Thermal， Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE)[C]， Wroclaw， 2013.

(待續(xù) )