光伏組件反向通電的電流響應(yīng)特性及其可靠性測試

劉文俊，鄭佳楠，張放心，劉 文，夏小健，程 野

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進技術(shù)研究院，合肥 230000；2.通威太陽能(合肥)有限公司，合肥 230000)

0 引言

在光伏組件的出廠品控檢測過程中，通常會利用電致發(fā)光(EL)原理對光伏組件反向通電，在這一過程中太陽電池會不斷發(fā)出近紅外光譜，近紅外光譜會被CCD 相機捕捉到，從而測定光伏組件是否存在隱裂、瑕疵。這一過程即為EL 檢測過程。

EL 的基本原理為：在平衡的p-n 結(jié)中，存在著具有一定寬度和勢壘高度的勢壘區(qū)，并相應(yīng)出現(xiàn)了內(nèi)建電場，每一種載流子的擴散電流和漂移電流互相抵消；但當(dāng)給太陽電池進行反向通電時，勢壘高度會降低，勢壘區(qū)內(nèi)建電場會相應(yīng)減弱，此時繼續(xù)發(fā)生載流子的擴散，即電子由n 區(qū)注入到p 區(qū)，同時空穴由p 區(qū)注入到n 區(qū)，這些注入p 區(qū)的電子和注入n 區(qū)的空穴都是非平衡少數(shù)載流子，其會不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光[1]。

本征硅的帶隙約為1.12 eV，據(jù)此可以計算出晶體硅太陽電池的帶間直接輻射復(fù)合光譜的峰值在1150 nm 附近，所以EL 檢測的光譜屬于近紅外光[2]。而對太陽電池反向通電時其發(fā)出的也是近紅外光，由于近紅外光具有加熱能力，隨著近紅外光的不斷輻射，將帶動太陽電池周圍相同頻率的微粒共振，進而增大原子或分子的活動幅度，從而使太陽電池溫度增加。理論上，對太陽電池反向通電不但可以加熱電池，還可以向外界輻射熱量。圖1 為反向通電時太陽電池發(fā)出的光譜[3]。

冬季的積雪覆蓋光伏組件表面后，會造成光伏組件發(fā)電量下降，這屬于常見現(xiàn)象[4-6]。通常的除雪手段包括人工掃雪、撒鹽除雪、機器除雪等，此外，還有一種新的除雪方式，即對光伏組件進行通電，使光伏組件成為發(fā)熱負載，從而達到除雪的目的[7]；崔凌闖等[8]研究了積雪厚度對光伏組件自加熱除雪性能的影響。劉恩科等[9]指出半導(dǎo)體材料功耗大可能會導(dǎo)致p-n 結(jié)的失效和擊穿，也有人指出p-n 結(jié)的發(fā)熱會降低其壽命[10]。本文通過對光伏組件進行不同電流的反向通電，探究了在通電過程中光伏組件的溫升和功率衰減等情況。

1 不同反向通電電流下光伏組件的發(fā)熱能力

1.1 實驗方法

隨機選取4 塊275 Wp、版型為60 片太陽電池的光伏組件作為實驗組件，將實驗組件在封閉的環(huán)境內(nèi)恒溫靜置24 h 后，用測溫槍測試實驗組件玻璃面的溫度；然后分別對其反向通2、4、8、12 A 電流1 h，并記錄4 塊組件玻璃面溫度在反向通電1 h 內(nèi)的變化情況。實驗組件的出廠信息如表1 所示。

表1 實驗組件的出廠標(biāo)定參數(shù)Table 1 Manufacturer calibration parameters of experimental PV module

實驗中采用恒壓源進行測試，因此整個實驗過程對實驗組件輸入的電壓保持不變；整個測試環(huán)境處于密閉狀態(tài)，主要是為了盡可能減少外界對實驗環(huán)境的影響；溫度測試均由同一人進行測試；在4 塊實驗組件玻璃面上均取9 個點測試溫度，上部3 個點、中部3 個點，下部3個點，以減少組件的差異影響。9 個測溫點的選取方法如圖2 所示。

1.2 數(shù)據(jù)分析

不同反向通電電流下4 塊實驗組件的輸入電壓和輸入功率情況如表2 所示。

表2 不同反向通電電流時組件的輸入電壓和輸入功率Table 2 Input voltage and input power of PV modules at different reverse power currents

由表2 可知，4 塊實驗組件的反向通電電流分別為2、4、8、12 A 時，對應(yīng)的輸入電壓分別是31、33、37、 41 V，電流與所對應(yīng)的輸入電壓的變化規(guī)律明顯不是呈線性關(guān)系，這是由于太陽電池本質(zhì)上是p-n 結(jié)，因此此種變化規(guī)律比較符合p-n 結(jié)的I-V特性曲線，具體如圖3 所示。圖中，UBR為反向擊穿電壓。

在環(huán)境溫度為22 ℃時，對4 塊實驗組件分別反向通2、4、8、12 A 電流1 h 后，取實驗組件表面9 個測溫點的溫度平均值作為實驗組件表面溫度。1 h 內(nèi)不同反向通電電流時實驗組件表面溫度的變化情況如圖4 所示。

通常情況下，光伏組件的輸入功率越大，組件的溫升越快、越明顯。由圖4 可知，反向通電一段時間后，實驗組件表面的溫度逐漸趨于穩(wěn)定，反向通2、4、8、12 A 電流1 h 后，實驗組件表面的溫度與其通電前相比分別約升高了3、7、11、16 ℃。

理論情況下，光伏組件輸入功率和光伏組件表面溫度之間存在直接關(guān)系，二者關(guān)系可表示為：

式中，Pheat為光伏組件的輸入功率，W；Poutput為恒壓源輸出功率，W；Ploss為其他材料造成的功率損失，包括線纜損失、接線盒損失、電池損失和其他損失，W；TPV為光伏組件表面溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；ρPV-a為光伏組件與環(huán)境之間的熱阻，℃/W。

不同反向通電強度下，通電后實驗組件的表面溫度與其通電前的表面溫度的溫差變化曲線如圖5 所示。由圖5 可知，隨著通電時間的累積，通電后的前幾分鐘，實驗組件的表面溫度與其通電前的差值較大，溫差變化幅度較為明顯；之后，二者的溫差變化幅度逐漸減小，且趨于穩(wěn)定；其中，在12 A 的反向通電強度下，二者的溫差最大值達16.2 ℃；另外，反向通電電流越大，實驗組件的表面溫度上升速度越快。

在不同通電強度下連續(xù)通電1 h 后，4 塊實驗組件表面的上部、中部和下部的溫度也發(fā)生了變化，具體的溫度變化曲線如圖6 所示。

由圖6 可知，隨著通電時間增長，實驗組件表面上部的溫度略高于下部的。這是由于實驗環(huán)境是密閉空間，隨著時間增長，空氣中的熱量不斷積累，熱空氣向上移動，實驗組件上部所處的環(huán)境溫度相對較高，導(dǎo)致組件上部的溫度會比下部的略高。此外，光伏組件的接線盒位于組件上部，也可能會對組件溫度造成影響，但筆者未對此進行深入探索。

測試結(jié)束時對4 塊實驗組件的反向通電電流進行復(fù)測，具體如表3 所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，實驗結(jié)束時組件反向通電電流都會比實驗開始時通入的電流略高。

表3 實驗前、后組件的電流與電壓情況Table 3 Current and voltage of PV modules before and after experiment

隨著組件溫度的提升，根據(jù)不同組件溫度時p-n結(jié)的I-V特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，相同反向偏壓下，當(dāng)組件溫度升高后，反向通電電流會隨組件溫度的升高而增大，具體如圖7 所示。這是因為實驗采用恒壓源，所以才出現(xiàn)了電流增加的情況。隨著組件溫度的提升，組件的等效電阻將會變小，組件的輸入功率將會有略微提升。

2 反向通電對光伏組件性能的影響

2.1 實驗樣品

本實驗采用的光伏組件均依據(jù)通威太陽能(合肥)有限公司(下文簡稱“通威太陽能”)的封裝工藝和技術(shù)要求生產(chǎn)。實驗組件的標(biāo)定功率均為275 Wp，型號為TW275PW-60，規(guī)格尺寸為1650 mm×992 mm×35 mm。實驗組件的主要原材料信息如表4 所示。

2.2 實驗方法

隨機挑選4 塊已經(jīng)進行過室外曝曬的光伏組件，編號為1#～4#，并進行實驗前的檢驗；將這4 塊組件串聯(lián)后的正極接外接電源的正極，負極接外接電源的負極，然后進行反向通電(見圖8)，通電電流為6.67 A，通電時長為500 h，平均環(huán)境溫度為23 ℃；實驗后檢驗光伏組件是否出現(xiàn)缺陷。

表4 實驗組件主要原材料清單Table 4 List of main raw materials of experimental PV modules

2.3 實驗數(shù)據(jù)分析

對實驗前、后的實驗組件進行EL 測試，測試結(jié)果如表5 所示。

觀察實驗前、后組件的EL 圖片可以發(fā)現(xiàn)，實驗后組件無新增隱裂和黑片，且有部分組件經(jīng)過反向通電后比通電前還要明亮，這說明這些組件的功率較實驗前有些許提升。為了能更清楚地檢查組件是否存在隱裂等瑕疵，雖然檢測設(shè)備本身可以調(diào)整曝光度，進而調(diào)整組件的亮度，但按照一般企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)可以認為組件EL 檢測未出現(xiàn)新瑕疵。

表5 實驗前、后組件的EL 測試結(jié)果Table 5 EL test results of PV modules before and after experiment

在太陽輻照度1000 W/m2、環(huán)境溫度25 ℃、大氣質(zhì)量AM1.5 的測試條件下，測試實驗前、后4 塊組件的I-V電性能情況，結(jié)果如表6 所示。

表6 實驗前、后組件的I-V 測試結(jié)果Table 6 I-V test results of PV modules before and after experiment

由表6 可知，實驗后，有2 塊實驗組件的最大功率出現(xiàn)了小幅下降，但下降幅度最高才0.02%；其余2 塊實驗組件的最大功率出現(xiàn)了上升，且升幅達0.31%，具體如表7 所示。

通過對實驗組件反向通電500 h(通電電流為6.67 A)，未發(fā)現(xiàn)新的外觀缺陷和組件EL 缺陷，且組件最大功率的變化范圍均小于0.5%。

表7 實驗前、后組件的最大功率變化Table 7 Change of maximum power of PV modules before and after experiment

根據(jù)表7 中的數(shù)據(jù)可知，反向通電對光伏組件最大功率的影響符合IEC 61215:2005《地面用晶體硅光伏組件——設(shè)計鑒定和定型》中規(guī)定的組件缺陷功率衰減范圍(5%)[11]，但還需要進一步檢驗組件的干濕漏電、絕緣耐壓，特別是接線盒相關(guān)性能是否受到損害。

3 結(jié)論

本文通過對光伏組件反向通2、4、8、12 A電流且連續(xù)通電1 h 后發(fā)現(xiàn)，不同電流強度下光伏組件玻璃表面的溫度均會有所提升，并且電流越大，溫升越快、越明顯。由于實驗是在密閉環(huán)境中進行，隨著時間的推移，空氣被加熱后會對光伏組件表面的溫升產(chǎn)生干擾；由于實驗使用恒壓源設(shè)備，即輸出電壓基本恒定，因此隨著組件溫度的升高，反向通電電流也會略微升高，這和不同組件溫度時p-n 結(jié)的I-V特性曲線相呼應(yīng)。對實驗組件反向通電500 h(通電電流為6.67A)后，未發(fā)現(xiàn)組件有明顯的外觀瑕疵和功率損失，且2塊組件的最大功率還略微上升，最大升幅為0.31%，變化幅度均在0.5%以內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范的要求。

綜上所述可知，短期對光伏組件反向通電，可以使光伏組件發(fā)熱，且對光伏組件最大功率的影響較小。在高緯度地區(qū)，積雪對光伏組件的影響十分明顯，相較于機械、人工等除雪方式，通過對光伏組件自身加熱而進行除雪不僅可減少除雪成本，還可有效提升光伏組件發(fā)電量；此方式還可以應(yīng)用在需要加熱的光伏建筑一體化項目或需要給屋頂加熱的項目中。