不同溫度條件下晶體硅光伏組件光/電致衰減

收稿日期：2022-01-24

基金項目：浙江省領(lǐng)軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊項目（2019R01012）

通信作者：朱冰潔（1991—），女，碩士、工程師，主要從事光伏器件性能及可靠性檢測技術(shù)方面的研究。cpvtzbj@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0111 文章編號：0254-0096（2023）06-0227-07

摘 要：晶體硅光伏組件存在多種光/電衰減機制，為了研究不同衰減條件的影響，該文首先對不同條件的衰減機理進行探討；然后進行不同類型的衰減試驗，并對試驗結(jié)果進行分析。通過試驗發(fā)現(xiàn)，所有類型的太陽電池均有光致或電致衰減現(xiàn)象；相較于PERC太陽電池，TOPCon太陽電池的光致及電致衰減速率較慢，同時在光致衰減（LID）試驗中穩(wěn)定周期最長；在LID試驗后，所有類型太陽電池均會發(fā)生高溫光致衰減。分析電致衰減（CID）與高溫光致衰減（LeTID）試驗衰減數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)組件功率衰減與填充因子變化呈正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：光伏組件；光/電致衰減；載流子注入；高溫；可靠性

中圖分類號：TM914 """"""" 文獻標志碼：A

0 引 言

光伏組件在投入使用之初都受到光致衰減（light induced degradation， LID）現(xiàn)象的困擾，導(dǎo)致光伏組件的功率在使用早期發(fā)生一定衰減［1］。除LID外，一些研究機構(gòu)提出可在光伏組件上施加適當(dāng)電流來模擬衰減，稱為電致衰減（current induced degradation， CID）［4］。近年來，另一種只有在較高溫度下才出現(xiàn)的光照衰減模式——高溫光致衰減（light and elevated temperature induced degradation， LeTID）引起了制造商的注意［5-6］。LID和CID的機理已有研究發(fā)現(xiàn)（硼氧絡(luò)合物的形成［7］和鐵硼對的離解［8］），然而，LeTID的機制尚不清楚，目前逐漸形成了兩種猜想：1）高溫載流子注入時，金屬雜質(zhì)引起太陽電池性能衰減［9］；2）太陽電池中氫含量太高造成太陽電池性能衰減［10］。

雖然目前LID測試有一些標準，但CID或LeTID測試無公認的標準。為了探討不同溫度下光/電誘導(dǎo)衰減對光伏組件性能的影響，本文設(shè)計并進行幾種實驗條件不同的衰減試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果總結(jié)出合理的CID及LeTID試驗方案。

1 試驗設(shè)計

選擇5種類型的太陽電池：鎵摻雜單晶PERC太陽電池、硼摻雜單晶雙面PERC太陽電池、多晶鋁背場太陽電池、多晶PERC太陽電池及TOPCon太陽電池［11］，太陽電池尺寸均為156 mm×156 mm。各類型的太陽電池初始功率相近，將其分別制備成4片一組的同尺寸光伏組件，光伏組件均為單玻封裝，使用福斯特F406PS/806PS的EVA膠膜以及賽伍KPf白色背板，光伏組件類型及數(shù)量見表1。

依據(jù)不同的測試程序?qū)⒋郎y組件分為A、B、C共3組。A組中，光伏組件在輻照度1000 W/m2，溫度40 ℃的條件下進行光照衰減（LID）試驗，同時保持樣品為開路狀態(tài)。B組中，在室溫條件下對光伏組件進行電注入載流子（CID）試驗，電流值為標準測試條件下光伏組件在最大功率點（maximum power point tracking，MPP）工作時的電流[Impp]。C組對組件進行LeTID試驗，試驗溫度75 ℃，同時注入[Isc-Impp]的電流［12］。為了防止LID的影響，所有光伏組件在進行LeTID試驗前均需進行LID初始穩(wěn)定性試驗。試驗序列如圖1所示，試驗中標準測試（standard test conditiom，STC）條件為：測試輻照度1000 W/m2，樣品溫度（25±2）℃。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 LID試驗

LID試驗后同種類型光伏組件樣品衰減趨勢基本一致，對2件光伏組件樣品選取其中一件作為代表，功率歸一化后變化趨勢結(jié)果如圖2。

LID試驗后各種類型光伏組件穩(wěn)定所需時長及22 h試驗后平均衰減率見表2，參照標準IEC 63202-1： 2019［13］穩(wěn)定條件為：

[Pmax-PminPaverage×100%lt;0.5%]" （1）

式中：[Pmax]、[Pmin]、[Paverage]——[Pn-2、][Pn-1]和[Pn]連續(xù)3次LID試驗后的最大功率的最大值、最小值與平均值。

通過圖2及表2可看出，LID試驗后，按照IEC 63202-1的穩(wěn)定判定依據(jù)，單晶光伏組件MA、MB到達穩(wěn)定的時長短于多晶光伏組件PA、PB，但穩(wěn)定后繼續(xù)進行LID試驗仍會發(fā)生功率衰減，且整體衰減率高于多晶光伏組件，其中MB即硼摻雜多晶雙面太陽電池22 h試驗后的光致衰減率最高，說明LID的發(fā)生的確與硼摻雜有較大關(guān)系。TOPCon光伏組件在進行光致衰減試驗時功率先升高后降低，整體穩(wěn)定時長最長，但衰減程度最小。

2.2 CID試驗

將CID試驗后各類型光伏組件電性能參數(shù)進行整理，同種光伏類型組件樣品衰減趨勢基本一致，對兩件光伏組件樣品選取其中一件作為代表，功率歸一化后各電性能參數(shù)變化趨勢結(jié)果如圖3所示，其中Isc為短路電流，Voc為開路電壓，F(xiàn)F為填充因子。

試驗84 h后，各樣品平均衰減率見表3。

對最大功率[Pmax]與開路電壓[Voc、]短路電流[Isc、]填充因子[FF]進行皮爾遜（Pearson’s）相關(guān)系數(shù)（[r]）分析，相關(guān)系數(shù)分析公式為：

[r=i=1nXi-XYi-Yi=1nXi-X2i=1nYi-Y2]" （2）

式中：[X、][Y]——隨機變量；[Xi、][Yi]——[X、][Y]對應(yīng)[i]點的觀測值；[X][、][Y]——[X、][Y]對應(yīng)的樣本平均數(shù)。

相關(guān)性分析結(jié)果如表4。

分析圖3、表3與表4可發(fā)現(xiàn)：單晶樣品中，MB類型即硼摻雜單晶雙面PERC光伏組件的衰減同樣高于MA類型即鎵摻雜單晶PERC光伏組件；多晶樣品中，PA類型即多晶鋁背場光伏組件的衰減率高于PB類型即多晶PERC光伏組件；TOPCon光伏組件在CID試驗后功率衰減趨勢與LID試驗后衰減趨勢基本一致，同樣存在先升高后衰減的現(xiàn)象，且衰減程度最小。但84 h試驗后，多晶光伏組件的功率衰減整體高于單晶光伏組件的衰減。說明電注入與光注入均會對光伏組件造成一定的功率衰減影響，且衰減趨勢基本一致，因為兩種注入方式均為載流子注入，只是衰減的速率稍有差異。通過分析最大功率的變化與短路電流、開路電壓、填充因子變化的相關(guān)系數(shù)，可發(fā)現(xiàn)填充因子與最大功率的相關(guān)系數(shù)最接近于1，即最大功率的衰減主要與填充因子的衰減呈完全正相關(guān)關(guān)系。

2.3 LeTID試驗

將LeTID試驗后各類型光伏組件電性能參數(shù)進行整理，對兩件樣品的光伏組件選取其中一件樣品作為代表，功率歸一化后各電性能參數(shù)變化趨勢結(jié)果如圖4所示。圖4中，初始穩(wěn)定性數(shù)據(jù)體現(xiàn)在初始～0 h階段，試驗456 h后，各類樣品平均衰減率見表5。

對最大功率[Pmax]與開路電壓[Voc、]短路電流[Isc、]填充因子FF進行皮爾遜相關(guān)系數(shù)（[r]）分析，分析結(jié)果見表6。

分析圖4、圖5與表6可發(fā)現(xiàn)：進行光致衰減，樣品達到穩(wěn)定后，各類型光伏組件然會在高溫小電流情況下發(fā)生衰減。單晶樣品中，MA類型即鎵摻雜單晶PERC光伏組件的衰減高于MB類型即硼摻雜單晶雙面PERC光伏組件；多晶樣品中，PB類型即多晶PERC光伏組件的衰減率高于PA類型即多晶鋁背場光伏組件；單晶、多晶光伏組件的衰減與LID或CID的衰減程度均相反；TOPCon光伏組件仍存在先升高后衰減的現(xiàn)象，衰減程度高于其他兩類單晶光伏組件。456 h試驗后，多晶光伏組件的功率衰減整體高于單晶光伏組件的衰減。通過分析最大功率的變化與短路電流、開路電壓、填充因子變化的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，可發(fā)現(xiàn)各類型樣品的填充因子與最大功率的相關(guān)系數(shù)最接近于1，即最大功率的衰減主要與填充因子的衰減呈完全正相關(guān)關(guān)系。

由于試驗時間有限， 456 h的試驗時長并未使所有樣品達到穩(wěn)定狀態(tài)，相信隨著試驗時間的增加，衰減仍會繼續(xù)進行，此部分試驗有待進一步驗證。

2.4 CID與LeTID衰減分析

對于常溫及高溫電注入試驗（CID及LeTID），光伏組件均發(fā)生明顯衰減，其衰減趨勢的原因仍有待解釋。雖然很多研究提出復(fù)合中心的假說［14-15］，但這些復(fù)合假說與光伏組件性能之間缺乏對應(yīng)的因果聯(lián)系。根據(jù)上述相關(guān)性系數(shù)分析結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，測試光伏組件在CID與LeTID中的性能衰減主要與[FF]的衰減相關(guān)，因此建立[FF]與光伏組件內(nèi)部的參量變化是該工作的重點。[FF]的定義為：

[FF=PmppVocIsc×100%]"" （3）

式中：[Pmpp]——特定太陽電池或光伏組件在最大功率點的輸出光功率，W；[Voc]——組件開路電壓，V；[Isc]——光伏組件短路電流，I。

可看出[FF]實際定義了光電轉(zhuǎn)換過程中光功率輸出能力的矩形比，也就是說，[FF]可衡量光電轉(zhuǎn)換過程中光電流對外輸出的能力強弱。因此，光伏組件內(nèi)部的阻值分布情況直接影響太陽電池的輸出能力。根據(jù)試驗前后的綜合，總結(jié)了光伏組件在CID與LeTID的阻值變化情況，如表7所示

可看出，經(jīng)過CID與LeTID測試，光伏組件的串聯(lián)電阻Rs均有明顯升高，說明光伏組件內(nèi)的復(fù)合中心被激活，故電荷在傳輸過程中受到復(fù)合中心的牽引而偏離向電極的定向傳導(dǎo)［16］。此時，太陽電池不對外供電，串聯(lián)電阻反映光伏組件內(nèi)部阻值的復(fù)合情況。故，CID與LeTID試驗過程都能激發(fā)光伏組件內(nèi)部的復(fù)合態(tài)，引起串聯(lián)電阻增加，從而導(dǎo)致光伏組件對外輸出能力下降，最終使光伏組件性能衰減。

為進一步證明串聯(lián)電阻是導(dǎo)致衰減測試效率降低的原因，對比CID與LeTID試驗前后光伏組件的電致發(fā)光（electroluminescence， EL）圖像，如圖5及圖6所示，試驗前后EL測試時采用的電流為0.1倍[Isc]。

從圖5及圖6可看出，CID與LeTID試驗后，光伏組件電致發(fā)光圖像未發(fā)生明顯缺陷，但整體亮度變暗。在輸入功率一定的條件下，由于內(nèi)部非輻射復(fù)合加劇，輻射復(fù)合分擔(dān)的能量減少，EL發(fā)光的光子數(shù)減少，故經(jīng)過衰減試驗的樣品整體發(fā)光強度弱于初始狀態(tài)（[E=Nhv]其中，E為總光子能量，N為總光子數(shù)，h為普朗克常數(shù)，V為頻率）；[FF]的降低也導(dǎo)致了光伏組件流經(jīng)的電流整體下降，故發(fā)光效率隨內(nèi)部復(fù)合增加而減小，導(dǎo)致光伏組件EL圖像整體變暗。

3 結(jié) 論

通過上述試驗數(shù)據(jù)的分析，可得到以下結(jié)論：

1）所有類型的光伏組件在不同試驗溫度下均存在不同程度的光致/電致衰減。

2）在LID及CID試驗中，與其他單晶、多晶光伏組件相比，TOPCon光伏組件衰減最小，且在LID試驗中，其所需的穩(wěn)定時間最長。

3）在所有試驗中，TOPCon光伏組件的功率均存在先升高后降低的衰減趨勢。

4）在進行光致穩(wěn)定LID試驗后，所有類型光伏組件仍存在高溫光致衰減LeTID現(xiàn)象，說明所有光伏組件在戶外到達初始光致穩(wěn)定后，仍在高溫條件下存在光致衰減的風(fēng)險，此類試驗有必要在實驗室內(nèi)評估光伏組件可靠性的前期階段進行。

5）分析CID與LeTID試驗衰減數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)光伏組件功率衰減與FF變化呈正相關(guān)，對比試驗前后串聯(lián)電阻及EL圖像變化，發(fā)現(xiàn)主要是由于試驗導(dǎo)致光伏組件內(nèi)部非輻射復(fù)合加劇，引起串聯(lián)電阻增加，從而導(dǎo)致光伏組件對外輸出能力下降，最終使光伏組件的性能衰減。通過該研究，為光伏組件實驗室內(nèi)可靠性測試提供了試驗方向。

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LIGHT/CURRENT-INDUCED DEGRADATION OF CRYSTALLINE SILICON PHOTOVOLTAIC MODULES UNDER DIFFERENT TEMPERATURES

Zhu Bingjie1，Song Hao1，Chen Haomin1，Huai Chaojun1，Hu Dan1，He Yifeng2

（1. Wuxi Institute of Inspection， Testing and Certification， Wuxi 214000， China；

2. Zhejiang Beyondsun PV Co.， Ltd.， Huzhou 313008， China）

Keywords：PV modules； light/current-induced degradation； carrier injection； high temperature； reliability