碲化鎘薄膜電池組件在高寒高海拔地區(qū)適應(yīng)性研究

齊鵬飛 王萬領(lǐng) 王焜 胡華毅 楊萬

（1.中山瑞科新能源有限公司 中山 528437；2.青海省創(chuàng)業(yè)發(fā)展孵化器有限公司 西寧 810000；3.青海明陽(yáng)新能源有限公司 西寧 817000）

0 引言

中國(guó)的太陽(yáng)能資源十分豐富，超過60%的地區(qū)年日照超過2200 h，年輻照總量為3340～8360 MJ/m2。特別是我國(guó)西部高原，如二類地區(qū)青海，年輻照總量為5400～6700 MJ/m2［1］，是我國(guó)發(fā)展光伏清潔能源的優(yōu)選地區(qū)。然而，這些高寒高海拔地區(qū)通常氣壓低、紫外線強(qiáng)、冬季氣溫很低，如青海南部、藏北平原的極端最低氣溫都平均在-17.5 ℃以下［2］，這種高寒及高紫外環(huán)境易導(dǎo)致部分光伏組件出現(xiàn)電極腐蝕及電極處EVA黃變、柵線斷裂、背板嚴(yán)重粉化、背板減薄導(dǎo)致支撐力減弱［3］等問題。

碲化鎘太陽(yáng)能電池具有吸收系數(shù)高、弱光效應(yīng)好［4］、熱斑效應(yīng)?。?］、透光均勻等優(yōu)勢(shì)，非常適合在光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic，簡(jiǎn)稱BIPV）上應(yīng)用。在建筑上應(yīng)用的碲化鎘薄膜電池組件相對(duì)地面光伏組件的要求更加嚴(yán)格，特別是在高寒高海拔地區(qū)，由于晝夜溫差大、白天日照強(qiáng)等環(huán)境因素導(dǎo)致玻璃的自爆率提高，熱脹冷縮導(dǎo)致的材料不匹配等現(xiàn)象，曾有調(diào)查全美有30%的光伏組件因外界環(huán)境應(yīng)力而發(fā)生失效［6］。再加上國(guó)內(nèi)的主流市場(chǎng)為晶硅市場(chǎng)，對(duì)碲化鎘薄膜電池組件的研究相對(duì)較少。因此，研究碲化鎘薄膜電池組件在高寒高海拔地區(qū)適應(yīng)性具有重要的意義。本文主要對(duì)3種導(dǎo)電膠帶分別制備成的碲化鎘薄膜電池組件進(jìn)行熱循環(huán)、濕熱等測(cè)試，研究碲化鎘薄膜電池組件中導(dǎo)電膠帶失效的原因，為降低碲化鎘薄膜電池組件在高寒高海拔地區(qū)失效的風(fēng)險(xiǎn)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的試樣分為2種，第1種是測(cè)試導(dǎo)電膠帶與碲化鎘電池背電極之間的接觸電阻試樣，1#、2#、3#導(dǎo)電膠帶各制備成為1片，共3片；第2種是測(cè)試1#、2#、3#導(dǎo)電膠帶制備成的碲化鎘薄膜電池組件在高溫高濕、高低溫下的功率衰減測(cè)試及電致發(fā)光測(cè)試，共計(jì)12片。

第1種與第2種試樣的結(jié)構(gòu)相同（圖1），但碲化鎘電池的布線方式不同，如圖2、圖3所示。

圖1 試樣結(jié)構(gòu)示意

圖2 第1種試樣碲化鎘電池布線示意

圖3 第2種試樣碲化鎘電池布線示意

圖1中前板玻璃和背板玻璃采用均質(zhì)處理后的超白鋼化玻璃，尺寸為600 mm×1200 mm×5 mm；封裝膠膜為光伏級(jí)PVB 膠膜，尺寸為600 mm×1200 mm×1.52 mm；碲化鎘電池為玻璃基的碲化鎘電池，尺寸為600 mm×1200 mm×3.2 mm。

在圖2和圖3中，子電池的寬度為8 mm，導(dǎo)電膠帶的寬度為5 mm，厚度為0.05 mm，鍍錫銅帶的寬度為5 mm，厚度為0.15 mm。圖2中的1～8均表示導(dǎo)電膠帶，各段導(dǎo)電膠帶等長(zhǎng)，導(dǎo)電膠帶的長(zhǎng)度為50 mm，導(dǎo)電膠帶之間的間隔為40 mm，導(dǎo)電膠帶與膜面的接觸面積為5 mm×5 mm。

1.2 測(cè)試方案

為了測(cè)試導(dǎo)電膠帶與碲化鎘電池背電極的接觸電阻受溫度的影響程度，對(duì)3種導(dǎo)電膠帶利用同樣的高壓釜封裝工藝（135 ℃，1.2 MPa，保溫40 min）制備成第1種試樣后放置在85 ℃的型號(hào)為XHM0-512-3A退火爐中保持1000 h，出爐后冷卻到室溫。測(cè)試封裝前、放入退火爐前、出退火爐后的3種導(dǎo)電膠帶接觸電阻的變化。按照TLM法，測(cè)試各段電阻隨距離變化的各點(diǎn)的R1-2、R1-3、R1-4.....R1-8電阻，擬合出直線，計(jì)算出接觸電阻。

為了測(cè)試碲化鎘薄膜電池組件承受長(zhǎng)期濕氣滲透的能力，根據(jù)IEC 61215－2016標(biāo)準(zhǔn)，選取3種導(dǎo)電膠帶采用高壓釜工藝（135 ℃，1.2 MPa，保溫40 min）制備成第2種碲化鎘薄膜電池組件試樣各2片，經(jīng)過入箱前的最大功率等測(cè)試，再放入實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行濕熱測(cè)試，即放入溫度為85 ℃、濕度為85%、型號(hào)為PVH150-1-1.5-WC-X 的濕熱（Damp heat簡(jiǎn)稱DH）試驗(yàn)箱中，保持時(shí)間1048 h，然后比較入箱前后3種導(dǎo)電膠帶制備的發(fā)電玻璃的電性能等變化。

為了測(cè)試發(fā)電玻璃承受溫度重復(fù)變化而引起的熱失配、疲勞和其它應(yīng)力的能力，根據(jù)IEC 61215－2016，選取3種導(dǎo)電膠帶采用高壓釜工藝（135 ℃，1.2 MPa，保溫40 min）制備成第2種碲化鎘薄膜電池組件試樣各2片，經(jīng)過入箱前的最大功率等測(cè)試，再放入實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行熱循環(huán)（Thermal cycling簡(jiǎn)稱TC）測(cè)試。將其放入低溫為-40 ℃、高溫為+85 ℃、型號(hào)為PVH150-2-1.5-WC-X的熱循環(huán)試驗(yàn)箱中，進(jìn)行200次循環(huán)測(cè)試。循環(huán)曲線如圖4所示，并在-40、+80～+85、+85、+85～+25 ℃溫度段通入電流為小于1%Imax，在-40～+80 ℃溫度段通入電流為100%Imax，然后比較入箱前后3種導(dǎo)電膠帶制備的發(fā)電玻璃的電性能等變化。

圖4 在熱循環(huán)測(cè)試中溫度隨時(shí)間變化曲線

為了測(cè)試碲化鎘薄膜電池組件試驗(yàn)后的缺陷，把經(jīng)過熱循環(huán)和濕熱測(cè)試后的發(fā)電玻璃進(jìn)行EL測(cè)試，EL測(cè)試時(shí)在碲化鎘薄膜電池組件的正負(fù)極加入正向偏置電壓，采用DC POWER SUPPLY LW-2005KD直流源，電壓范圍為1.0～1.2Voc，電流范圍為1.0～1.2Isc，采用Nikon紅外相機(jī)觀察發(fā)電玻璃的缺陷情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 干熱條件下導(dǎo)電膠帶的接觸電阻測(cè)試結(jié)果與分析

經(jīng)測(cè)試后3種導(dǎo)電膠帶在封裝前、封裝后、封裝后在退火爐中85 ℃保溫1000 h或73 h后各個(gè)階段的導(dǎo)電膠帶間的電阻與導(dǎo)電膠帶間距的對(duì)應(yīng)值如表1所示。

從表1中可以看出，2#導(dǎo)電膠帶、1#導(dǎo)電膠帶在溫度85 ℃保持1000 h后出現(xiàn)部分導(dǎo)電膠帶與背電極之間接觸電阻達(dá)到了MW級(jí)，而3#導(dǎo)電膠帶在溫度85 ℃保持73 h后部分出現(xiàn)了類似的情況，這說明導(dǎo)電膠帶與背電極已經(jīng)脫離。

表1 在不同階段導(dǎo)電膠帶間的電阻值

TLM法采用由相互平行的形狀相同、間距不等的矩形電極組成的圖案來測(cè)量接觸電阻。電流被限制在平行電極之間流動(dòng)，任意兩電極之間的電阻R可表示為［7］：

式中：Rc——電極與半導(dǎo)體的接觸電阻；

Rsh——電極間半導(dǎo)體的薄層方塊電阻；

Z——電極長(zhǎng)度；

S——電極間的間距。

從式（1）中可以看出，兩個(gè)電極之間的電阻R與電極間距S呈線性關(guān)系。2Rc為R與S對(duì)應(yīng)點(diǎn)擬合的直線在R軸上的截距。根據(jù)TLM法，圖5、圖6、圖7分別為1#、2#、3#導(dǎo)電膠帶各段之間的電阻R隨電極間距變化的曲線，虛線為擬合出函數(shù)R與自變量S的直線關(guān)系。

從圖5、圖6、圖7擬合出函數(shù)R與自變量S的直線中得到R軸的截距，計(jì)算后各導(dǎo)電膠帶的接觸電阻見表2。

表2 在不同階段三種導(dǎo)電膠帶與背電極接觸電阻 W

圖5 1 #導(dǎo)電膠帶各段之間的電阻及擬合直線

圖6 2 #導(dǎo)電膠帶各段之間的電阻及擬合直線

圖7 3 #導(dǎo)電膠帶各段之間的電阻及擬合直線

每種導(dǎo)電膠帶在封裝前、封裝后和在85 ℃退火一段時(shí)間后的接觸電阻依次先減小后增大。封裝后接觸電阻變小，是由于在溫度和壓力的作用下，導(dǎo)電膠帶的導(dǎo)電粒子受擠壓，充分與發(fā)電玻璃的背電極接觸形成良好的通路。封裝后放入85 ℃的退火爐中一定時(shí)間后，接觸電阻變大，這可能與導(dǎo)電膠帶在85 ℃與室溫下與背電極的粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)。

2.2 濕熱測(cè)試結(jié)果與分析

由1#、2#、3#導(dǎo)電膠帶分別制備成碲化鎘薄膜電池組件，各取2片，分別放入溫度為85 ℃、濕度為85%的試驗(yàn)箱中保持1048 h（DH1048），測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3中，DPm/Pm是碲化鎘薄膜電池組件經(jīng)過試驗(yàn)箱后的功率衰減，即DPm/Pm＝（Pmax1-Pmax2）/Pmax1，Pmax1為入箱前發(fā)電玻璃的最大功率，Pmax2為出箱后發(fā)電玻璃的最大功率。從表3中看出，樣品1#-1、1#-2在DH1048 后，功率衰減分別為8.09%、10.60%；樣品2#-1、2#-2在DH1048 后，功率衰減分 別 為2.89%、3.88%；樣 品3#-1、3#-2在DH1048后，功率衰減分別為2.57%、3.55%。樣品1#-1、1#-2的功率衰減大于5%，不滿足IEC 61215－2016對(duì)光伏組價(jià)在DH1048后功率衰減小于5%的標(biāo)準(zhǔn)。

表3 濕熱測(cè)試前后3種導(dǎo)電膠帶制備的碲化鎘組件樣品電性能數(shù)據(jù)

為了進(jìn)一步了解造成樣品1#-1、1#-2在DH1048后功率衰減過大的原因，對(duì)1#-1、1#-2樣品進(jìn)行了EL測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 樣品1 #-1 的EL圖

圖9 樣品1 #-2 的EL圖

從圖8、圖9可以看出，DH0 短邊的貼敷導(dǎo)電膠帶的EL圖比DH1048 短邊的貼敷導(dǎo)電膠帶的EL圖更亮。圖8、圖9中的DH1048短邊邊緣出現(xiàn)的暗區(qū)較為嚴(yán)重，這與晶硅的虛焊十分相似［8］。說明1#樣品中的導(dǎo)電膠帶與碲化鎘電池的背電極接觸不良而導(dǎo)致陰影暗區(qū)。由于PVB膠膜相對(duì)其它膠膜如SGP，EVA吸水率較高，樣品長(zhǎng)期在濕熱試驗(yàn)箱中，會(huì)導(dǎo)致PVB的粘結(jié)強(qiáng)度下降［9］，在溫度及濕度的影響下導(dǎo)電膠帶吸收水汽后變形彎曲［10］，導(dǎo)電膠帶與碲化鎘電池的背電極脫離，從而導(dǎo)致導(dǎo)電膠帶失效。

對(duì)樣品2#-1、2#-2、3#-1、3#-2進(jìn)行EL測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10～圖13所示。

從圖10～圖13可以看出，短邊貼敷導(dǎo)電膠帶在DH0，DH1048均未出現(xiàn)暗區(qū)，說明導(dǎo)電膠帶與碲化鎘電池背電極接觸良好。

圖10 樣品2 #-1 的EL圖

圖11 樣品2 #-2 的EL圖

圖12 樣品3 #-1的EL圖

圖13 樣品3 #-2 的EL圖

2.3 熱循環(huán)測(cè)試結(jié)果與分析

為了確定發(fā)電玻璃承受由于溫度重復(fù)變化而引起的熱失配、疲勞和其他應(yīng)力的能力，對(duì)由1#、2#、3#導(dǎo)電膠帶分別制備成的BIPV發(fā)電玻璃（結(jié)構(gòu)如圖1）各取2片，分別放入TC試驗(yàn)箱中進(jìn)行200次循環(huán)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 在熱循環(huán)測(cè)試前后3種導(dǎo)電膠帶制備的碲化鎘組件樣品電性能數(shù)據(jù)

從表4中可以看出，樣品1#-3、1#-4、3#-3、3#-4組件經(jīng)過TC200后，功率衰減超過了10%，超過了IEC 61215—2016對(duì)光伏組件在TC200后功率衰減小于5%的標(biāo)準(zhǔn)。樣品2#-3、2#-4經(jīng)過TC200后，樣品功率衰減在5%以內(nèi)。通過對(duì)3種導(dǎo)電膠帶制備的組件樣品在TC200前后的EL測(cè)試可以看出，功率衰減超過10%的樣品1#-3、1#-4、3#-3、3#-4四個(gè)樣品在TC200前后出現(xiàn)了類似樣品2#-1、2#-2、3#-1、3#-2的問題，如樣品1#-3的TC0和TC200的EL圖，如圖14所示。而功率衰減小于5%的樣品2#-3、2#-4的在TC200前后的EL圖與2#-1、2#-2、3#-1、3#-2的DH1000的前后EL圖類似，如樣品2#-3的TC0和TC200的EL圖，如圖15所示。這說明導(dǎo)電膠帶樣品1#、3#在TC測(cè)試的過程由于高低溫的周期性變化，導(dǎo)致導(dǎo)電膠帶的彈性變差，其與背電極的接觸性變差。

圖14 樣品1 #-3 的EL圖

圖15 樣品2 #-3 的EL圖

3 結(jié)論

通過1#、2#、3#導(dǎo)電膠帶接觸電阻及高效碲化鎘薄膜電池組件經(jīng)過DH1048、TC200功率及EL測(cè)試，得出：

（1）1#、2#、3#導(dǎo)電膠帶封裝前、封裝后、保溫85 ℃接觸電阻先減小后增大，這表明在一定熱壓的作用下，導(dǎo)電膠帶與碲化鎘電池背電極的接觸良好，但在溫度的作用下，導(dǎo)電膠帶與背電極的接觸變差。

（2）1#、2#、3#導(dǎo)電膠帶制備的碲化鎘薄膜電池組件在濕熱條件下可能會(huì)導(dǎo)致1#導(dǎo)電膠帶吸水，與背電極接觸變差，熱循環(huán)導(dǎo)致1#、3#導(dǎo)電膠帶彈性變差，與背電極接觸變差。這些導(dǎo)電膠帶與背電極接觸性變差直接影響到高效碲化鎘薄膜電池組件的功率衰減超過5%。所選的2#導(dǎo)電膠帶制備的碲化鎘薄膜電池組件在經(jīng)過濕熱測(cè)試、熱循環(huán)測(cè)試后功率衰減均小于5%。