晶體硅光伏組件初始光致衰減評估方法研究

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與技術國家重點實驗室，江蘇常州213031；2.河海大學，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)象稱為晶體硅組件初始光致衰減?，F(xiàn)有理論認為，此階段中功率的下降主要是由于太陽電池內B-O復合體的形成。對于組件的光致衰減，早在40多年前H.Fischer和W.Pschunder就首次觀察到P型(摻硼)晶體硅太陽電池的初始光致衰減現(xiàn)象[1]。多年來，國內外光伏行業(yè)專家對光致衰減現(xiàn)象進行了廣泛而深入的研究，開發(fā)了大量減小光伏組件光致衰減的科學方法，為組件的可靠性提供了改善途徑[2-4]。但是，行業(yè)對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。目前，行業(yè)內通常用“光照初期的組件衰減”來定性地表征光伏組件的初始光致衰減。實際操作中，人們通常參照IEC61215：2005[5]Outdoor Exposure章節(jié)，采用60 kWh/m2的總輻照量進行初始光衰的測試。如果使用的總輻照量過小，將不能充分表征組件初始光衰性能；如果總輻照量過大，將造成測試時間的浪費，降低測試效率。如何采用科學的方法來定量組件初始光衰期的總輻照量，是值得探討的問題。室外自然光暴曬是一種最接近組件實際工作狀態(tài)的實驗方法，這種方法受天氣因素影響較大；室內模擬光源測試將使實驗不受天氣因素的影響，可加快實驗進程。此外，開路、短路、并網三種不同的負載方式對組件的光衰程度是否有影響，負載方式對室內室外不同的測試方法是否適用，也需要進行實驗驗證。

在室外自然光測試中，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)界的一大爭議問題。同時，組件室內外測試的環(huán)境(如輻照度、溫度、通風條件等)對精確測試組件光衰程度也十分重要。本文從以上關鍵問題入手，從總輻照量、室內模擬光源/室外自然光源兩種不同的測試方法、負載方式、輻照度、通風條件等方面研究其對晶體硅組件光衰程度的影響。

1 實驗

為了研究總輻照量、室內外測試方法、負載方式、通風條件、輻照度等外在因素對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。

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

室內模擬光源實驗與室外自然光源實驗概況如表1所示，每種情況下單晶、多晶組件各3 PCS。

表1 實驗概況

2 結果與討論

2.1 輻照量與室內外測試的對比

在一個光衰周期中，先后兩次功率測試值分別為P1、P2。組件衰減率用(P2－P1)/P1來標定。為了表征組件功率衰減的波動程度，用(Pmax－Pmin)/Paverage來標定組件輸出功率的穩(wěn)定度。在兩個連續(xù)的光衰周期中，三次功率測試值分別為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。對于連續(xù)多次暴曬下的數(shù)據(jù)，每5 kWh/m2取一個點，分析每個點的(Pmax－Pmin)/Paverage，選取該點及以后點(Pmax－Pmin)/Paverage均小于1%的部分，認為該部分為功率衰減的穩(wěn)定區(qū)間。(Pmax－Pmin)/Paverage的取值，在薄膜標準 IEC61646：2008[7]：Thin-film terrestrial photovoltaic(PV)modules—design qualification and type approval 10.19 Light-soaking中，認為當(Pmax－Pmin)/Paverage＜ 2%時，組件光衰程度穩(wěn)定；在國家標準GB/T 6495.11-2016[8]：《光伏器件第11部分：晶體硅太陽電池初始光致衰減測試方法》中，則在電池單片功率(Pmax－Pmin)/Paverage＜0.5%時，認為衰減程度達穩(wěn)定。

晶硅組件衰減較薄膜小，薄膜標準中的2%對于晶硅組件過松；而組件功率測試準確度比電池效率測試低，電池標準中的0.5%對于晶硅組件過嚴，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穩(wěn)定的代表點。在數(shù)據(jù)分析時，我們認為不同的輻照量間距，會影響(Pmax－Pmin)/Paverage的大小。相應的薄膜標準IEC61646：2008 中,輻照量間距為 43 kWh/m2，GB/T 6495.11-2016電池標準中輻照量間距為1 kWh/m2，參照IEC 61215：2005預衰減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、室外衰減率及穩(wěn)定度分析

首先對3 PCS單晶硅組件在室內穩(wěn)態(tài)模擬器中、短路狀態(tài)下進行穩(wěn)定度分析，輻照度為1 000 W/m2，結果如圖1所示。分析可知，14 kWh/m2以后，(Pmax－Pmin)/Paverage持續(xù) ＜1.0%。因此認為，室內穩(wěn)態(tài)模擬器實驗14 kWh/m2以后，單晶硅組件光致衰減程度將達到穩(wěn)定。

圖1 單晶硅組件在室內穩(wěn)態(tài)模擬短路實驗中的衰減情況

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

圖2 單晶硅組件在室外并網實驗中的衰減情況

對3 PCS單晶硅組件在戶外暴曬、短路狀態(tài)下進行穩(wěn)定度分析，結果如圖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以后衰減率達到穩(wěn)定。

圖3 單晶硅組件在室外短路實驗中的衰減情況

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

2.3 單晶組件室內、室外光衰程度對比分析

為驗證室內外環(huán)境因素對組件光衰程度的影響，我們對單晶硅組件室內外光衰測試進行了對比分析。室內測試在輻照度為1 000 W/m2條件下進行。室內外測試的組件負載方式均為短路。分別選取室內穩(wěn)定點14 kWh/m2、室外穩(wěn)定點30 kWh/m2，以及室內外60 kWh/m2輻照量的情況，對比分析結果如表2所示，光衰程度為3 PCS組件的平均值。

表2 單晶硅組件室內外光衰程度對比

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

室內穩(wěn)態(tài)模擬器測試可以避免天氣因素帶來的不利影響，加快測試進程，是一種有利的測試手段。但是我們在制定組件光致衰減評判依據(jù)時必須考慮到室內外測試帶來的誤差，在評判標準方面予以區(qū)別。

2.4 多晶組件室內外衰減率及穩(wěn)定度分析

圖4 多晶硅組件在室內短路實驗中的衰減情況

3 PCS多晶硅組件在室內穩(wěn)態(tài)模擬器中短路狀態(tài)下進行測試，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%，我們認為 10～14 kWh/m2以后，多晶硅組件在室內測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情況下進行衰減測試，結果如圖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實驗中的衰減情況

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%以內的衰減率，和業(yè)界認可的單多晶組件衰減水平對比結論一致。數(shù)據(jù)表明，多晶硅組件似乎在較短的輻照總量下即達到光衰穩(wěn)定。但是我們認為，由于多晶硅組件的衰減本身較小，受測試誤差影響較大，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光衰分析結果的影響，后續(xù)分析均在單晶硅組件上進行。

2.5 負載方式

組件開路、短路、并網是組件常見的三種狀態(tài)。并網是最接近組件實際工作的狀態(tài)，但是它并不能在室內穩(wěn)態(tài)模擬實驗中采用。而組件在開路、短路狀態(tài)是否與組件并網下的衰減有所不同，需要進行驗證。我們采用相同類型的組件在不同負載方式下進行研究，樣品組件為樓頂同一位置的開路、短路、并網組件。組件衰減結果如表3所示，每個數(shù)據(jù)代表3 PCS組件的平均值。表3表明，組件開路時光致衰減程度最小，短路與并網更為接近。組件并網與短路時，電流在電池片中流通；而組件開路時，電流內耗，實際暴曬時并不會出現(xiàn)熱斑等現(xiàn)象，失配現(xiàn)象少，故而衰減較小。

表3 組件在不同負載情況下的光致衰減程度

實際操作中，為使組件在最接近真實工作的狀態(tài)下進行測試，我們認為最適合組件室外自然光暴曬的負載方式為并網，即讓組件在最大功率點附近工作。而由于穩(wěn)態(tài)模擬器本身的限制，室內模擬暴曬時無法使組件并網，根據(jù)組件光衰程度短路與并網基本一致的結論，室內模擬光源暴曬時組件可以采用短路的負載方式。

2.6 通風條件

不同的通風條件下，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，通過室外實驗，將同類型、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條件中(圖6)，研究通風條件對組件光致衰減大小的影響。表4中每個數(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比

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

3 結論

通過實驗分析，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)律性良好便于實際分析。通過對單晶硅組件初始光致衰減在不同總輻照量、室內外測試環(huán)境、負載方式、通風條件等情況下的分析，定量得到其在室內穩(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。組件開路時失配現(xiàn)象不明顯，光致衰減程度稍小，組件短路時光致衰減程度最大，與組件并網情況下的衰減程度相當。同時，惡劣的通風條件將顯著加速組件的初始光致衰減。

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[7]IEC.IEC61646:Thin-film terrestrial photovoltaic(PV)modulesdesign qualification and type approval[S].Geneva:International Electrotechnical Commission,2008.

[8]龔海丹，王國峰.GB/T 6495.11：光伏器件第11部分：晶體硅太陽電池初始光致衰減測試方法[S].北京：中國標準出版社，2016.