太陽電池隱裂紋處電弧的初步研究

浙江正泰太陽能科技有限公司 ■ 王仕鵬 胡金艷黃緯 單偉 黃海燕 陸川

太陽電池隱裂紋處電弧的初步研究

浙江正泰太陽能科技有限公司 ■ 王仕鵬 胡金艷*黃緯 單偉 黃海燕 陸川

對隱裂的太陽電池片進(jìn)行反向加壓測試，電壓在7 V左右即可在電池片裂紋附近金屬柵線上產(chǎn)生電弧，電弧持續(xù)時間從幾秒至幾十秒不等，起火后可觀測到正面柵線被熔融的同時背場被擊穿。測試成品起火花隱裂片組件小樣，裂紋附近產(chǎn)生電弧，密封材料EVA分層，背板鼓包。本文主要研究隱裂電池片在電池端電弧起火現(xiàn)象及組件小樣端的情況。

太陽電池片；隱裂；電弧；組件安全

0 引言

21世紀(jì)以來，伴隨經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源危機和環(huán)境污染日益成為困擾人類生存和發(fā)展的兩大問題。清潔、環(huán)境友好的太陽電池在這一時期應(yīng)運而生并得到大力發(fā)展，目前已從初期的高成本、高利潤向高效、低成本方向發(fā)展，行業(yè)發(fā)展也日漸成熟。

僅2015年，太陽電池在全球的新增裝機容量約為59 GW，我國國內(nèi)新增裝機總量約15 GW，太陽能發(fā)電在總體能源結(jié)構(gòu)中的占比不斷提升，于是，保證光伏產(chǎn)品的功率水平、安全性能及后期使用穩(wěn)定性變得更加重要。據(jù)統(tǒng)計，在已投入使用的光伏組件中，每年都有一定比例的失效組件，失效包括功率衰減過高(功率衰減值占初始功率值比例大于5%)及因組件失效而出現(xiàn)安全問題[1]。圖1顯示的是投入使用2年后客戶投訴的失效分布比例[1]，顯示電池片內(nèi)部連接缺陷占失效比例約10%。電池片內(nèi)部連接包括電池片自身內(nèi)部電路連接、電池片與焊帶之間的連接、電池片與電池片之間的連接，以及電池片與組件其他元器件之間的連接。

圖1 投入使用2年后的失效組件失效原因分布比例

太陽電池片結(jié)構(gòu)如圖2所示，陽光照射至電池片正面會在p-n結(jié)層產(chǎn)生光生載流子，載流子通過副柵收集后匯集至主柵，導(dǎo)向外電路供負(fù)載使用。在電流向外輸出的通路發(fā)生斷路或存在污染時會形成分流路徑，產(chǎn)生反向漏電流；在分流路徑處的電阻非常大，根據(jù)焦耳定律，隨電池片使用時間加長會在漏電處產(chǎn)生熱量，熱量聚集后會引起電池片局部發(fā)熱過大，甚至引起電火花等。若成品組件使用的電池片存在隱裂，局部發(fā)熱會使組件封裝材料熔化甚至起火，并且還可能在隱裂紋附近產(chǎn)生電弧。本文重點研究隱裂電池片引起的電弧現(xiàn)象及其在組件端的情況。

圖2 常規(guī)太陽電池結(jié)構(gòu)圖

1 太陽電池片隱裂紋

1.1 太陽電池反向漏電流

太陽電池片在生產(chǎn)過程中會經(jīng)過嚴(yán)格篩選測試，其中轉(zhuǎn)換效率過低或某項電參數(shù)異常的電池片會被單獨甄選出，避免運用至組件端引起組件功率異?；蚱渌麊栴}。

反向漏電流是電池片的重要參數(shù)之一，一般測試時會在電池片正、負(fù)極之間施加反向電壓10 V和12 V。其中反向電壓12 V時的反向漏電流定義為Irev，按照本公司的標(biāo)準(zhǔn)Irev≥1.3 A即判定為降級片。

1.2 反向漏電流Irev≥1.3 A太陽電池片隱裂及電火花

利用隱裂的Irev2≥1.3 A以上的電池片，結(jié)合電致發(fā)光(EL)正向偏壓測試，可見隱裂紋具體位置，如圖3所示。常規(guī)測試的隱裂電池片EL正向偏壓圖像中，隱裂紋位置由于電流路徑斷裂顯示為黑線，隱裂紋的線條越黑隱裂紋越深，如圖3a所示；有些淺隱裂EL圖片并未顯示黑線，但經(jīng)過某些測試之后隱裂紋即會很明顯顯現(xiàn)，淺隱裂初始EL圖片，如圖3b所示。

圖3 隱裂片EL正向偏壓測試圖像

利用圖3b中的隱裂片進(jìn)行EL反向偏壓測試。當(dāng)反向偏壓在7.9 V左右，電池片正面隱裂紋位置產(chǎn)生耀眼電火花，電火花如圖4a所示，使用紅外測溫儀進(jìn)行表面溫度測試，溫度約159 ℃。電火花持續(xù)約10 s，顯微鏡下觀察起火部位主柵形貌顯示正銀已被融化，相應(yīng)背場部位已被擊穿，如圖4b所示。

圖4 反向EL測試隱裂處電火花及起火位置備場圖

進(jìn)行一系列隱裂電池片EL反向偏壓測試，起火部位均在金屬柵線上，硅片表面氮化硅減反射層屬絕緣體，隱裂紋引起的電池片分流路徑在金屬柵線上，在電池片正負(fù)極之間施加反向電壓后，由于電池片電阻在10-2量級，會產(chǎn)生約幾千安培的反向漏電流，裂紋兩側(cè)形成電勢差，同時隱裂引起的分流路徑瞬間產(chǎn)生大量熱量，隱裂最深點瞬間會聚集大量熱量致使產(chǎn)生如圖4所示的電弧及電火花，將金屬柵線熔融。電池片電火花前后的EL圖如圖5所示，柵線起火后隱裂紋附近已形成“死區(qū)”[1]。

圖5 電火花前后電池片EL圖

1.3 反向漏電流Irev＜1.3 A太陽電池片隱裂及電火花

一般情況下，反向漏電流Irev＜1.3 A的電池片均為非隱裂片，為進(jìn)行電火花測試，對Irev＜1 A的電池片進(jìn)行人為隱裂。通以反向電壓7.9～25 V，每1 V為一檔對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，均未出現(xiàn)電火花。

2 太陽電池片隱裂對組件安全性能的影響

經(jīng)過電性能篩選測試后的隱裂電池片不會應(yīng)用于組件端，但成品組件在搬運及安裝過程中會導(dǎo)致組件內(nèi)部電池片隱裂[2]。已投入運行的組件內(nèi)部隱裂是否會引起如上述電火花及其他失效，如背板燒焦或熱斑等問題值得探討。

首先，討論組件在運行過程中單片隱裂電池片兩端是否會產(chǎn)生足夠高的反向偏壓。常規(guī)多晶硅組件由60片(10片×6串)電池片串聯(lián)組成，每兩串之間并聯(lián)一個肖特基二極管，如圖6所示。當(dāng)某片電池片發(fā)生異常時，如電池片被遮擋、短路、貫穿裂等，旁路二極管將被導(dǎo)通，異常電池串被旁路，組件仍可正常向外電路輸電但總功率有所損失。此時被旁路的電池串在有光照的情況下仍然有載流子產(chǎn)生，若異常電池片存在隱裂，則隱裂產(chǎn)生的分流路徑與被旁路的其他電池形成回路[3]。隱裂片相當(dāng)于負(fù)載，按照每片電池片開路電壓0.630 V計算，加在隱裂片兩端的反向電壓約11.97 V(0.630 V×19片)；單片電池片的電阻按照10-2量級計算，將瞬間產(chǎn)生約千安級的漏電流，漏電流產(chǎn)生初期堆積于電極下存在漏電路徑的點，致使該點電勢升高并產(chǎn)生大量熱量，形成電弧及電火花。高溫會使密封材料及背板等燒焦形成電站客戶投訴中常見的熱斑現(xiàn)象，如圖7所示。

圖6 組件結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 常見的組件熱斑

2.1 隱裂電池片制備組件小樣

根據(jù)以上理論及推測進(jìn)行相關(guān)組件樣品驗證。選取電池片，在電池端進(jìn)行電性能測試，反向電流Irev偏大；進(jìn)行反向EL測試，隱裂紋清晰可見，同時有電火花產(chǎn)生。

2.1.1 通以反向電流

利用上述電池片進(jìn)行組件小樣品制備，并對此塊樣品進(jìn)行反向通電測試，反向電流分別為8 A、12 A、15 A，對應(yīng)計算出的電壓分別為0.9 V、1.1 V、1.2 V。樣品表面溫度變化如表1所示。

給定外加反向電流的情況下，單片電池組件樣品在隱裂紋位置并無電火花產(chǎn)生，每隔5 min進(jìn)行紅外溫度測試，隱裂區(qū)域溫度緩慢上升，均在60 min左右溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，隨電流增大穩(wěn)定狀態(tài)溫度升高，但均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電火花溫度。

表1 單片電池片組件小樣品反向通電測試

2.1.2 通以反向電壓

選取電池片，在電池端進(jìn)行電性能測試，選取反向電流Irev＜1 A的正常片進(jìn)行人為隱裂，并選取Irev≥1.3 A的隱裂電池片，對以上兩種電池片進(jìn)行EL反向偏壓測試，隱裂紋清晰可見，同時有電火花產(chǎn)生。

利用以上電池片制備組件小樣1#(Irev＜1 A)及2#(Irev＞1.3 A)進(jìn)行反向加壓測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 隱裂組件小樣反向加壓測試

由表2可知，電池片本身漏電較大(Irev＞1.3 A)且在燒結(jié)測試前有隱裂紋的組件小樣在反向電壓U＞10 V以上即出現(xiàn)電弧，電弧在墊片裂紋附近，并伴有明顯的電火花，隨即組件正面EVA分層，背板鼓包如圖8所示；繼續(xù)增大反向電壓，可見正面電弧持續(xù)發(fā)生，約30 s后電池片擊穿，組件樣品電壓下降，反向漏電流急劇增大至10 A左右；繼續(xù)加壓電參數(shù)無變化。

圖8 反向加壓至14 V，組件小樣正面EVA融化、背板出現(xiàn)鼓包

另一方面，對反向漏電流Irev＜1 A的電池片進(jìn)行人為隱裂，制備組件小樣，按照上述方法進(jìn)行反向加壓測試，結(jié)果顯示，反向電壓加至25 V仍未出現(xiàn)電弧。

3 結(jié)論

本文進(jìn)行電池片隱裂后的EL反向偏壓測試，發(fā)現(xiàn)反向電壓在10 V左右、漏電流在1.3 A以上時電池片裂紋處及附近電極區(qū)域會產(chǎn)生電弧，電弧的高溫使得正面EVA融化，組件背板發(fā)生鼓包；而漏電流在1 A以下的隱裂組件小樣品未產(chǎn)生電弧。

[1] Marc K?ntges, Sarah Kurtz, Corinne Packard. Performance and reliability of photovoltaic systems review of failures of Photovoltaic modules[A]. IEA PVPS Task 13 External final report IEA-PVPS[C], Switzerland, 2014.

[2] Gabor A M, Ralli M M, Alegria L, et al. Soldering induced damage to thin Si solar cells and detection of cracked cells in modules [A]. 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference [C], Germany, 2006.

[3] Wenham S R, Green M A, Watt M E [著], 狄大衛(wèi), 高兆利，韓見殊[譯].應(yīng)用光伏學(xué)[M].上海: 上海交通大學(xué)出版社，2008, 44－48.

2016-07-08

胡金艷(1982—)，女，碩士、中級工程師，從事太陽電池研發(fā)方面的工作。jinyan.hu@astronergy.com