電流連續(xù)性監(jiān)控對PERC單晶硅光伏組件環(huán)境試驗結果的影響研究

胡超杰

(南京航空航天大學，南京 210000)

0 引言

光伏組件工作在戶外，運行環(huán)境較為惡劣，因此為保證光伏組件長期使用過程中的可靠性，國際電工委員會發(fā)布了IEC 61215-2: 2016標準[1]，制定了光伏組件需要進行并達到一定要求的測試，并得到了光伏行業(yè)的普遍認可。各大光伏組件生產(chǎn)商都會在第三方檢測認證機構獲得作為各自產(chǎn)品質量的證明。IEC 61215-2: 2016標準中包含了一系列針對光伏組件的測試，通過試驗模擬光伏組件的初始光致衰減、光伏組件材料老化衰減，以及由外界環(huán)境或破壞性因素導致的光伏組件輸出功率衰減[2]，能在相對較短的時間內(nèi)測試得到光伏組件的質量及可靠性，并可為后續(xù)的新工藝及新材料提供參考。

根據(jù)IEC 61215-2: 2016標準，為避免試驗過程中某一時段內(nèi)部電路出現(xiàn)斷路，但一定時間后又恢復導通的情況出現(xiàn)，部分試驗要求對光伏組件內(nèi)部電路的連續(xù)性進行監(jiān)控，稱為“電流連續(xù)性監(jiān)控”。具體的監(jiān)控方式為：在試驗過程中將光伏組件的正極端子接到直流電源的正極，負極端子接到直流電源的負極，給光伏組件施加一個持續(xù)的電流，并對此電流進行監(jiān)控，以監(jiān)控光伏組件內(nèi)部電路是否存在斷路情況。結合筆者長期的光伏組件測試工作發(fā)現(xiàn)：試驗過程中是否進行電流連續(xù)性監(jiān)控對光伏組件最終的輸出功率衰減存在較大影響。

目前，國內(nèi)外研究主要是針對不同光伏組件材料或太陽電池經(jīng)過IEC 61215-2: 2016部分試驗后的表現(xiàn)情況，但對試驗條件本身的研究較少。本文針對IEC 61215-2: 2016標準中部分試驗對光伏組件內(nèi)部電路連續(xù)性有要求，研究了電流連續(xù)性監(jiān)控時的電流對環(huán)境試驗(濕熱試驗與濕凍試驗)結果的影響，并設計了一套測試方案。期望研究結果可為今后研究PERC單晶硅光伏組件的輸出功率衰減提供參考，并可為晶體硅光伏組件測試標準的制定提供依據(jù)。

1 電流連續(xù)性監(jiān)控對環(huán)境試驗結果影響的測試方案設計

1.1 測試方案具體內(nèi)容

本文以p型PERC單晶硅太陽電池封裝而成的單玻PERC單晶硅光伏組件(下文簡稱為“PERC單晶硅光伏組件”)為例進行測試，從同一批次中選取4塊PERC單晶硅光伏組件(編號為1#～4#)。本研究針對IEC 61215-2: 2016標準中的濕熱(DH)試驗和濕凍(HF)試驗，分別對進行與不進行電流連續(xù)性監(jiān)控情況下的光伏組件DH250試驗和HF10試驗進行測試，電流連續(xù)性監(jiān)控的通電電流為0.05 A。標準中，DH試驗的試驗條件為：85 ℃、85%RH、1000 h；為了進行對比，本文選擇接近HF10試驗的試驗時間，即250 h；標準中該試驗沒有進行光伏組件的電流連續(xù)性監(jiān)控的要求。HF試驗的試驗條件為：從初始溫度升溫至85 ℃、85%RH，保持至少20 h，再降溫至-40 ℃，保持至少0.5 h，再升溫至初始溫度，此為1個循環(huán)；共進行10個循環(huán)；標準中要求對該試驗進行光伏組件的電流連續(xù)性監(jiān)控。本測試方案中不同光伏組件進行的具體試驗如表1所示。

表1 不同光伏組件進行的具體試驗方案Table1 Specific test schemes for different PV modules

整個測試開始前，先對PERC單晶硅光伏組件進行最大輸出功率測試及電致發(fā)光(EL)檢測；測試結束后再對這4塊光伏組件進行最大輸出功率測試及EL檢測；然后對比PERC單晶硅光伏組件測試前、后的輸出功率衰減及EL的變化。

1.2 測試方案設計思路

本文提出的測試方案的設計思路是從已完成的大量試驗結果中得出，IEC 61215-2: 2016標準中進行電流連續(xù)性監(jiān)控的試驗有HF10試驗及靜態(tài)機械載荷(SML)試驗。其中，根據(jù)IEC 61215-2: 2016的測試序列，是先經(jīng)過DH1000試驗后再進行SML試驗，這部分光伏組件和經(jīng)過HF10試驗的光伏組件一樣，常出現(xiàn)較大的輸出功率衰減，且光伏組件EL圖像會出現(xiàn)明顯的明暗不均現(xiàn)象；而直接進行SML試驗的光伏組件則不會出現(xiàn)此類現(xiàn)象。所以推測該現(xiàn)象與SML試驗無關。

因此，本文的測試方案設計直接在DH250試驗和HF10試驗過程中進行通電和不通電的對比試驗，從而確定試驗過程中電流連續(xù)性監(jiān)控的存在是否會對試驗后光伏組件的輸出功率衰減產(chǎn)生影響。

2 結果與討論

根據(jù)表1中設計的測試方案，4塊PERC單晶硅光伏組件根據(jù)不同試驗項目和要求分別進行測試，測試后4塊PERC單晶硅光伏組件的輸出功率衰減情況如表2所示。

表2 測試后4塊PERC單晶硅光伏組件的功率衰減情況Table 2 Output power degradation of four PERC mono-silicon PV modules after test

從表2的測試結果很容易看出，同批次的光伏組件進行同樣的試驗時，進行電流連續(xù)性監(jiān)控的光伏組件的輸出功率衰減率會明顯大于不進行電流連續(xù)性監(jiān)控的光伏組件。

對4塊PERC單晶硅光伏組件測試前、后的電性能參數(shù)進行對比，具體如表3所示。

表3 4塊PERC單晶硅光伏組件測試前、后的電性能參數(shù)對比Table 3 Comparison of electrical performance parameters of four PERC mono-silicon PV modules before and after test

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，對進行相同試驗的1#光伏組件與2#光伏組件進行對比，二者測試后的短路電流Isc的變化幅度相當接近，但二者測試后開路電壓Voc的變化幅度不同，導致光伏組件輸出功率衰減率差異明顯；3#、4#光伏組件的對比結論與此相似。由此可以看出，在環(huán)境試驗時進行電流連續(xù)性監(jiān)控會對光伏組件的Voc造成影響，導致光伏組件出現(xiàn)更大的輸出功率衰減。

對4塊PERC單晶硅光伏組件測試前、后的EL圖進行對比，具體如圖1～圖4所示。

圖1 1#光伏組件測試前、后的EL圖Fig. 1 EL images of 1# PV module before and after test

圖2 2#光伏組件測試前、后的EL圖Fig. 2 EL images of 2# PV module before and after test

圖3 3#光伏組件測試前、后的EL圖Fig. 3 EL images of 3# PV module before and after test

圖4 4#光伏組件測試前、后的EL圖Fig. 4 EL images of 4# PV module before and after test

從圖1～圖4可以看出：4塊PERC單晶硅光伏組件在測試前均無明顯缺陷；經(jīng)過測試后，未進行電流連續(xù)性監(jiān)控的光伏組件的EL圖像變化不大，而進行電流連續(xù)性監(jiān)控的光伏組件的EL圖像出現(xiàn)了明顯的明暗片現(xiàn)象。EL圖像出現(xiàn)明暗片說明進行電流連續(xù)性監(jiān)控的PERC單晶硅光伏組件出現(xiàn)了更大的輸出功率衰減。

對于上述現(xiàn)象，很容易聯(lián)想到IEC 61215-2: 2016標準中的熱循環(huán)試驗，該試驗的目的是確定光伏組件承受因溫度重復變化而引起的熱失配、疲勞和其他應力的能力。熱循環(huán)試驗過程中同樣需要對光伏組件施加電流，該電流值在試驗升溫階段等于Impp值，在其余階段為1%的Impp值。由于目前的PERC單晶硅光伏組件的Impp值都在9 A以上，根據(jù)工作經(jīng)驗，該值比電流連續(xù)性監(jiān)控的通電電流0.05 A大了至少180倍，但熱循環(huán)試驗后PERC單晶硅光伏組件很少出現(xiàn)輸出功率衰減增大、EL圖像出現(xiàn)明暗片的現(xiàn)象。

對IEC 61215-2: 2016標準中3個環(huán)境試驗的試驗條件進行對比。DH試驗的測試條件為恒溫85 ℃、恒濕85%RH；HF試驗與熱循環(huán)試驗的試驗條件分別如圖5、圖6所示。

圖5 HF試驗的試驗條件Fig. 5 Test conditions of humidity-freeze test

圖6 熱循環(huán)試驗的試驗條件Fig. 6 Test conditions of thermal cycle test

結合DH試驗及圖5和圖6中的試驗條件可以看出，3個試驗的濕度條件存在差異，即PERC單晶硅光伏組件在環(huán)境試驗時承受電流并不一定會出現(xiàn)測試后EL圖像明暗不均與輸出功率衰減較大的現(xiàn)象，造成此類現(xiàn)象需要在試驗時存在濕氣的條件。也就是說，電流連續(xù)性監(jiān)控對有濕度條件的環(huán)境試驗的結果存在影響。

此次測試選用的PERC單晶硅光伏組件均為常規(guī)的單玻PERC單晶硅光伏組件，該類光伏組件采用的背板都會出現(xiàn)一定的透水情況，在高溫、高濕的環(huán)境下，水汽必定會進入光伏組件內(nèi)部，從而接觸到太陽電池。此時，如果太陽電池處于通電狀態(tài)，就可能會使光伏組件內(nèi)部出現(xiàn)漏電流通道，從而使光伏組件產(chǎn)生較大的輸出功率衰減。在高溫、高濕的環(huán)境下也有可能出現(xiàn)類似LeTID衰減的現(xiàn)象，目前對LeTID衰減主流的測試條件是溫度為75 ℃、測試電流值為Isc-Impp，但在實驗室多次LeTID測試后，這些光伏組件并未出現(xiàn)明顯的輸出功率衰減現(xiàn)象，可能在增加濕度后會更容易產(chǎn)生LeTID衰減，因此這一結論還需要更多測試數(shù)據(jù)的支持。

3 結論

基于IEC 61215-2: 2016標準中部分試驗過程中有電流連續(xù)性監(jiān)控的要求，本文設計了一套測試方案，對電流連續(xù)性監(jiān)控對PERC單晶硅光伏組件環(huán)境試驗結果的影響進行了研究。研究表明，在PERC單晶硅光伏組件進行環(huán)境試驗時施加電流連續(xù)性監(jiān)控會影響其測試后的輸出功率，且與未進行電流連續(xù)性監(jiān)控的PERC單晶硅光伏組件表現(xiàn)出不同的衰減機理。

目前IEC 61215-2: 2016標準是光伏組件的形式試驗標準，各大光伏組件生產(chǎn)商及第三方檢測認證機構都會參考該標準制定測試序列進行測試，但是光伏組件的輸出功率衰減機理非常復雜，濕氣加上電流的共同作用對光伏組件的輸出功率衰減有很大的影響。因此，在濕凍試驗和靜態(tài)載荷試驗過程中監(jiān)控光伏組件內(nèi)部電路連續(xù)性的要求是否合理，還需要進行長期研究，對測試數(shù)據(jù)進行積累，以此為光伏行業(yè)的發(fā)展提供有力的支持。