晶體硅光伏組件蚯蚓紋現(xiàn)象淺談

江蘇輝倫太陽能科技有限公司 ■ 孫建華 姜衛(wèi) 楊建城 王麗芹

一 引言

近年來，隨著蚯蚓紋現(xiàn)象的逐漸大面積發(fā)生，全世界范圍內(nèi)的光伏產(chǎn)業(yè)面臨各方的質(zhì)疑而無法提供合理的解釋，繼而關(guān)于該現(xiàn)象研究的文章不斷涌現(xiàn)，受到了整個光伏組件產(chǎn)業(yè)鏈的廣泛關(guān)注。組件制造商、組件原材料供應(yīng)商甚至終端用戶都在積極尋找這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因、對光伏組件性能的影響以及如何預(yù)防該現(xiàn)象的方法。關(guān)于蚯蚓紋現(xiàn)象的產(chǎn)生機理眾說紛紜，電池片、EVA、背板等主要原材料都被逐一探討。本文著重分析蚯蚓紋對組件性能的影響，以及可能導(dǎo)致蚯蚓紋現(xiàn)象發(fā)生的條件。

蚯蚓紋并不是真正由蚯蚓造成的，它是一種化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的一種細小、變色的條紋。通過EL(Electro Luminescence)檢測發(fā)現(xiàn)，蚯蚓紋并非隨機產(chǎn)生，它通常會沿著電池片的隱裂紋出現(xiàn)，同時也會出現(xiàn)在電池片主柵線和邊緣的副柵線處。蚯蚓紋呈棕色，因與電池片細柵線的銀白色色差加大，所以蚯蚓紋看起來較顯眼。

據(jù)權(quán)威雜志報道，蚯蚓紋現(xiàn)象在2004年首次被發(fā)現(xiàn)，在過去的三年里，該現(xiàn)象開始頻繁地發(fā)生。據(jù)多數(shù)光伏組件制造商和安裝商反映，在單晶硅和多晶硅組件上均發(fā)現(xiàn)蚯蚓紋現(xiàn)象，所以蚯蚓紋現(xiàn)象并非特定的電池片或組件造成的。

二 不同實驗方法對蚯蚓紋的影響

1 長期戶外使用對蚯蚓紋組件的影響

面對光伏組件上如此頻繁出現(xiàn)的蚯蚓紋，組件制造商和系統(tǒng)運營商都在思考：蚯蚓紋是否會影響光伏組件的輸出功率。我們針對戶外應(yīng)用的組件進行功率追蹤，在光伏組件其他主要材料相同的前提下，選取兩年內(nèi)出現(xiàn)蚯蚓紋現(xiàn)象的156mm×156mm多晶硅組件和正常的156mm×156mm多晶硅組件各10件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。圖1為出現(xiàn)蚯蚓紋現(xiàn)象的組件以及正常組件的功率衰減分布圖。

根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，使用一年左右，正常組件最大衰減為2.85%，平均衰減為0.77%，蚯蚓紋的最大衰減為2.85%，平均衰減為0.61%；使用兩年左右，正常組件最大衰減為2.97%，平均衰減為2.25%，蚯蚓紋的最大衰減為2.99%，平均衰減為2.58%。

圖1 戶外組件功率衰減

2 環(huán)境實驗對蚯蚓紋組件的影響

在光伏組件其他主要材料相同的前提下，選取蚯蚓紋156mm×156mm多晶硅組件和正常156mm×156mm多晶硅組件各10件，依據(jù)IEC 61215：2005[1]進行熱循環(huán)試驗、濕凍試驗和濕熱試驗驗證，以探討環(huán)境對蚯蚓紋組件的影響。

(1)熱循環(huán)試驗驗證

試驗驗證過程中，將試驗次數(shù)由標準的200次循環(huán)增加至400次循環(huán)。試驗后，蚯蚓紋組件的蚯蚓紋未出現(xiàn)擴大現(xiàn)象，正常組件未出現(xiàn)蚯蚓紋現(xiàn)象。

(2)濕凍試驗驗證

試驗驗證過程中，將試驗次數(shù)由標準的10次循環(huán)增加至40次循環(huán)。試驗后，蚯蚓紋組件的蚯蚓紋未出現(xiàn)擴大現(xiàn)象，正常組件也未出現(xiàn)蚯蚓紋現(xiàn)象。

(3)濕熱試驗驗證

試驗驗證過程中，將試驗時間由標準的1000h增加至2000h。試驗后，蚯蚓紋組件的蚯蚓紋未出現(xiàn)擴大現(xiàn)象，正常組件未出現(xiàn)蚯蚓紋現(xiàn)象。

根據(jù)熱循環(huán)試驗、濕凍試驗和濕熱試驗的驗證結(jié)果可知，組件均未出現(xiàn)蚯蚓紋現(xiàn)象，即單一的測試條件無法重現(xiàn)蚯蚓紋現(xiàn)象。

3 蚯蚓紋現(xiàn)象與原材料的關(guān)系

對戶外使用的組件進行統(tǒng)計并匯總，按照電池片、EVA以及背板三種可能導(dǎo)致蚯蚓紋現(xiàn)象的主要材料進行分類。

(1)蚯蚓紋與電池片的關(guān)聯(lián)性統(tǒng)計

目前統(tǒng)計的組件中，涉及的電池片為A、B和C三個廠商。表1為根據(jù)電池片進行分類。

表1 組件依據(jù)電池片分類的信息

(2)蚯蚓紋與EVA的關(guān)聯(lián)性統(tǒng)計

目前統(tǒng)計的組件中，涉及的EVA均為一個廠商的一種型號的EVA。因為EVA產(chǎn)品的單一性，所以蚯蚓紋與EVA之間不存在關(guān)聯(lián)性。

(3)蚯蚓紋與背板的關(guān)聯(lián)性統(tǒng)計

目前統(tǒng)計的組件中，涉及的背板為1#、2#和3#三個廠商。表2為根據(jù)電池片進行分類。

表2 組件依據(jù)背板分類的信息

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，1#背板的組件從安裝到發(fā)生蚯蚓紋的時間為4～5個月；2#背板的組件從安裝到發(fā)生蚯蚓紋的時間為11～12個月；3#背板的組件從安裝到發(fā)生蚯蚓紋的時間為11～12個月。

4 戶外極端條件對蚯蚓紋現(xiàn)象的影響

依據(jù)以上得出的單一測試條件無法重現(xiàn)蚯蚓紋現(xiàn)象的結(jié)論，筆者推測蚯蚓紋可能是溫度、濕度、電流和太陽光照綜合作用的產(chǎn)物，并針對這一推論制定了戶外綜合條件驗證計劃：在高溫、高濕條件下，對組件進行通電和曝曬處理，觀察蚯蚓紋現(xiàn)象。

(1)戶外極端條件驗證

在光伏組件其他主要材料相同的前提下，選取1#、2#和3#背板各兩件進行驗證。拆除其旁路二極管后，與多件組件串聯(lián)，進行曝曬。在組件的背面放置海綿，正面放置鋼化玻璃。試驗過程中，對組件背面的海綿進行注水，以增加濕氣；隱裂組件的上表面覆蓋鋼化玻璃，使其發(fā)生熱斑，且降低組件上表面的熱交換速率，以提高組件的溫度。組件戶外驗證的情況詳見表3。

當1#背板的兩件組件在累計輻照量分別達到14kWh/m2和18kWh/m2時，電池片出現(xiàn)了明顯的蚯蚓紋現(xiàn)象。根據(jù)試驗結(jié)果可知：蚯蚓紋的出現(xiàn)與組件使用的背板確實存在一定關(guān)系。

表3 組件戶外試驗信息

(2)背板特性與蚯蚓紋關(guān)系分析

背板個體的差異導(dǎo)致了組件出現(xiàn)蚯蚓紋比例的差異和出現(xiàn)時間長短的差異，到底是背板的何種性能導(dǎo)致這些差異的存在呢？對戶外應(yīng)用組件進行檢查時，發(fā)現(xiàn)一件1#背板的組件出現(xiàn)蚯蚓紋現(xiàn)象，如圖2所示，EL圖顯示該處并沒有電池片隱裂，但蚯蚓紋處的背板存在劃痕，如圖3所示。背板存在劃痕，會導(dǎo)致水汽較易滲入組件。水汽在一定條件下，可能誘使組件表面產(chǎn)生蚯蚓紋。

圖2 組件蚯蚓紋

圖3 組件背板劃痕

業(yè)內(nèi)針對蚯蚓紋現(xiàn)象也提出一種假設(shè)：組件在背板滲入的水或水蒸氣的影響下，引起了隱裂位置的電氣阻抗產(chǎn)生熱量，令EVA膠膜中的物質(zhì)溶解。這些物質(zhì)其后成為沉積在電池表面的殘留物，形成了蚯蚓紋。

實際應(yīng)用組件和現(xiàn)象的假說均認為水汽對組件產(chǎn)生蚯蚓紋現(xiàn)象有影響。是否背板的透水率大小對組件產(chǎn)生蚯蚓紋現(xiàn)象有影響呢？

圖4為目前市面上的主流背板的透水率分布，其中前3種為本文中涉及的1#、2#和3#背板。

圖4中，1#背板的透水率明顯高于其他背板，透水率較大，則單位面積、單位時間內(nèi)滲入到組件內(nèi)部的水汽越多，組件發(fā)生蚯蚓紋現(xiàn)象的概率越大。

圖4 不同背板透水率

結(jié)合以上數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：背板透水率越高，組件產(chǎn)生蚯蚓紋的概率越大，產(chǎn)生蚯蚓紋的時間就越短；背板的透水率差異可能與組件產(chǎn)生蚯蚓紋的比例和時間的長短存在一定關(guān)系，背板透水率高會加速該現(xiàn)象形成。

三 數(shù)學(xué)分析方法分析

本文針對統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進行數(shù)理分析，使用了方差分析和卡方檢驗兩種分析工具。

1 方差分析

方差分析法是指將所獲得的數(shù)據(jù)按某些項目分類后，再分析各組數(shù)據(jù)之間有無差異的方法。下列為針對上文中蚯蚓紋現(xiàn)象的156mm×156mm多晶硅組件和正常的156mm×156mm多晶硅組件戶外使用兩年的功率衰減的差異分析。圖5為方差分析的計算和殘差圖。

圖5 功率衰減方差分析

設(shè)定置信度為95%，即當P＜0.05時，認為兩者的功衰減存在差異。數(shù)據(jù)分析：P=0.894＞0.5，因此判定，蚯蚓紋現(xiàn)象的156mm×156mm多晶硅組件和正常的156mm×156mm多晶硅組件的功率衰減水準無差異。

針對125mm×125mm單晶硅和156mm×156mm單晶硅的組件也進行了功率追蹤分析。結(jié)果顯示，組件的功率衰減不存在差異。由此可見，蚯蚓紋組件在戶外使用，未對組件輸出功率產(chǎn)生影響。

2 卡方檢驗

卡方分析是用來研究兩個定類變量間是否獨立即是否存在某種關(guān)聯(lián)性的最常用的方法。下列為針對第二章第小三節(jié)中電池片以及背板與蚯蚓紋現(xiàn)象關(guān)聯(lián)性進行驗證。

(1)蚯蚓紋與電池片的關(guān)聯(lián)性驗證(圖6)

圖6

分析：當P＜0.05時，認為兩者存在關(guān)聯(lián)性關(guān)系。經(jīng)卡方分析后得到P=0.352＞0.05，因此判定，蚯蚓紋現(xiàn)象的發(fā)生與不同廠商的電池片之間不存在關(guān)聯(lián)性。

(2)蚯蚓紋與背板的關(guān)聯(lián)性驗證(圖7)

圖7

分析：當P＜0.05時，認為兩者存在關(guān)聯(lián)性關(guān)系。經(jīng)卡方分析后得到P=0.000＜0.05，因此判定，蚯蚓紋現(xiàn)象的發(fā)生與不同廠商的背板之間存在關(guān)聯(lián)性。

結(jié)合上文中對組件的蚯蚓紋現(xiàn)象時間的統(tǒng)計，由此可見，蚯蚓紋現(xiàn)象出現(xiàn)的時間與背板存在一定關(guān)系。

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：(1)蚯蚓紋組件在戶外使用，未對組件輸出功率產(chǎn)生影響。(2)蚯蚓紋現(xiàn)象的發(fā)生與不同廠商的電池片之間不存在關(guān)聯(lián)性。(3)蚯蚓紋現(xiàn)象的發(fā)生與不同廠商的背板之間存在關(guān)聯(lián)性。

四 總結(jié)

針對本文進行的研究和試驗驗證得出以下結(jié)論：

(1)蚯蚓紋對組件早期的功率衰減無明顯影響。

(2)單純的環(huán)境試驗不會產(chǎn)生蚯蚓紋。

(3)水汽滲透是形成蚯蚓紋的一個重要原因，背板透水率高會加速該現(xiàn)象形成。

[1] IEC 61215eda：2005，Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV)modules -Design qualification and type approval [S].日內(nèi)瓦：國際電工委員會, 2005.