基于不同膠膜封裝的n型雙玻TOPCon光伏組件的可靠性研究

收稿日期：2022-12-19

通信作者：趙桂香（1993—），女，碩士，主要從事太陽電池及光伏組件方面的研究。zhaoguixiang@cecsec.cn

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20221219.02 文章編號：1003-0417（2024）02-103-06

摘 要：膠膜是光伏組件封裝時的關(guān)鍵材料，其性能的優(yōu)劣將直接影響光伏組件輸出功率的大小和使用壽命。采用兩種不同的膠膜封裝n型TOPCon光伏組件，并通過濕熱、熱循環(huán)、電勢誘導衰減（PID）測試，研究兩種膠膜封裝的光伏組件的電性能和可靠性。實驗結(jié)果表明：正、背面均采用聚烯烴彈性體（POE）膠膜的光伏組件較正面POE膠膜+背面聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物（EVA）膠膜的光伏組件最大功率高2.2 W，光電轉(zhuǎn)換效率高0.08%；正、背面均采用POE膠膜的光伏組件在經(jīng)過濕熱、PID測試后輸出功率衰減也低于正面POE膠膜+背面EVA膠膜的光伏組件。POE膠膜可在一定程度上降低出現(xiàn)PID現(xiàn)象的風險，在很大程度上延長光伏組件的使用壽命，因此越來越多的雙玻光伏組件開始使用POE膠膜。

關(guān)鍵詞：膠膜；TOPCon光伏組件；電性能；輸出功率衰減；可靠性

中圖分類號：TM914.4 文獻標志碼：A

0" 引言

光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，以供負載使用或進行存儲，其按結(jié)構(gòu)可分為單玻光伏組件和雙玻光伏組件[1-2]。近年來，隨著光伏發(fā)電技術(shù)不斷突破，雙面太陽電池得到了迅速發(fā)展，進一步推動了雙玻光伏組件的發(fā)展。據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會（CPIA）公布，2018—2021年雙玻光伏組件市場份額從2.0%上升至37.4%，預(yù)計到2023年，雙玻光伏組件的市場占比將與單玻光伏組件基本持平。目前，市場中的雙玻光伏組件與單玻光伏組件的成本價差在逐漸縮小，這有助于促進雙玻光伏組件市場滲透率的提升。單玻晶體硅光伏組件的結(jié)構(gòu)圖[3]如圖1所示。

光伏組件封裝膠膜的主要作用是粘黏玻璃與太陽電池及背板、保護太陽電池，同時還有絕緣、密封的作用[4]。通常，封裝膠膜需要具有高透光

注：EVA為聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物

性、可粘接性、耐紫外線、低水汽透過率及高體積電阻率等性能特點。雖然封裝膠膜的成本較低，但卻是決定光伏組件產(chǎn)品質(zhì)量、壽命的關(guān)鍵因素。

目前，市場中常用的封裝膠膜主要有EVA膠膜和聚烯烴彈性體（POE）膠膜，有一些光伏組件生產(chǎn)廠商開始采用可發(fā)性聚乙烯（EPE）（即EVA+POE）膠膜。EVA材料因其優(yōu)異的流動性、粘結(jié)性、較低的加工溫度及較低的價格，是目前市場上使用最為廣泛的封裝材料，市場占有率超過80%[5]。但是，常用的EVA膠膜在長期使用過程中易發(fā)生水解，出現(xiàn)變色、脫層、腐蝕電極等老化現(xiàn)象，嚴重影響光伏組件的使用壽命和性能[6-8]。近年來，光伏行業(yè)內(nèi)對電勢誘導衰減（PID）現(xiàn)象高度關(guān)注，研究者認為EVA膠膜的性能缺陷是引發(fā)PID現(xiàn)象的原因之一[9]。

本文采用POE和EVA兩種不同的膠膜封裝n型雙玻TOPCon光伏組件（下文稱為“TOPCon光伏組件”），并通過濕熱（DH）、熱循環(huán)（TC）和PID測試研究兩種不同膠膜封裝的光伏組件的電性能及可靠性。

1" 實驗樣品制備

在雙玻光伏組件市場占有率不斷提升的同時，其發(fā)電效率也在逐年走高，目前量產(chǎn)的雙玻PERC光伏組件的平均光電轉(zhuǎn)換效率約為21%，而TOPCon光伏組件在光電轉(zhuǎn)換效率、最大功率和可靠性方面均優(yōu)于雙玻PERC光伏組件。相較PERC技術(shù)，TOPCon技術(shù)在光電轉(zhuǎn)換效率方面提升約5%～6%，發(fā)電性能方面提升3%以上。

本實驗光伏組件樣品制備采用n型TOPCon雙面太陽電池，尺寸為182 mm×182 mm，11根主柵線；所用EVA膠膜和POE膠膜均采用市面常見膠膜。光伏組件樣品根據(jù)中節(jié)能太陽能科技（鎮(zhèn)江）有限公司的工業(yè)工藝生產(chǎn)，工藝步驟依次為：玻璃→膠膜→太陽電池→膠膜→玻璃。樣品分為兩組，每組3個，第1組光伏組件樣品的編號為樣品1～樣品3，均為正面POE膠膜+背面EVA膠膜封裝的光伏組件；第2組光伏組件樣品的編號為樣品4～樣品6，均為正面POE膠膜+背面POE膠膜封裝的光伏組件。兩組樣品的可靠性均通過DH1000 h、TC200 h和PID192 h進行測試，最大功率在標準測試條件（STC）下測量。

2" 光伏組件的電性能研究

電致發(fā)光（EL）測試是對光伏組件外施加正向電壓，同時向內(nèi)注入非平衡載流子，這些非平衡載流子會不斷的發(fā)生復合而放出光子，利用紅外相機捕捉這些光子，通過計算機處理后成像。EL圖像的亮度與電流密度成正比，因此有缺陷的部位會呈現(xiàn)出黑色或灰色。層壓后6塊光伏組件樣品的EL圖像如圖2所示。

從圖2可以看出，兩組樣品的EL圖像均正常，不存在隱裂、碎片、明暗片、過焊等現(xiàn)象。

對兩組樣品進行電性能測試，測試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出：樣品1～樣品3的最大功率平均值為556.861 W，光電轉(zhuǎn)換效率平均值為21.55%；樣品4～樣品6的最大功率平均值為559.061 W，光電轉(zhuǎn)換效率平均值為21.63%。兩組最大功率平均值相差2.2 W，光電轉(zhuǎn)換效率平均值相差0.08%。同時兩組樣品的開路電壓相差在0.006 V之內(nèi)，可忽略不計，但樣品4～樣品6的短路電流明顯比樣品1～樣品3的高，且兩者均值相差34 mA。很明顯正、背面均采用POE膠膜封裝的光伏組件的電性能優(yōu)于正面POE膠膜+背面EVA膠膜封裝的光伏組件。

光伏組件的封裝損失（CTM）是衡量光伏組件理論輸出功率與實際輸出功率差異的重要參數(shù)之一，其值越高，說明光伏組件封裝損失程度越小。樣品1～樣品3的CTM平均值為99.27%，樣品4～樣品6的CTM平均值為99.66%，由此可知，正、背面均采用POE膠膜封裝的光伏組件的CTM值小于正面POE膠膜+背面EVA膠膜封裝的光伏組件，說明雙面均采用POE膠膜封裝的光伏組件具有良好的性能，這歸功于POE材料的優(yōu)異性能。

3" 光伏組件可靠性研究

3.1" 光伏組件初始功率測試

測試兩組樣品實驗前的初始最大功率，測試結(jié)果如表2所示。由表2可知：樣品1～樣品3的正面初始最大功率平均值為556.86 W；背面初始最大功率平均值為417.56 W；樣品4～樣品6的正面初始最大功率平均值為559.06 W，背面的初始最大功率平均值為419.12 W。綜上可知，樣品4～樣品6的初始最大功率均大于樣品1～樣品3的初始最大功率，說明正、背面均采用POE膠膜的光伏組件初始最大功率優(yōu)于正面POE膠膜+背面EVA膠膜封裝的光伏組件，該結(jié)果與電性能測試結(jié)果一致。

3.2" DH測試對光伏組件輸出功率的影響

通過DH測試可有效確定光伏組件長期在高溫、高濕環(huán)境中的承受能力。分別對樣品1和樣品4進行DH1000 h測試，研究兩種膠膜在高溫、高濕環(huán)境中的可靠性，測試結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出：樣品4的輸出功率衰減量比樣品1的小；樣品1正面的輸出功率衰減量為8.21 W，背面的輸出功率衰減量為5.42 W；樣品4正面的輸出功率衰減量為8.19 W，背面的輸出功率衰減量為2.31 W。兩者正面的輸出功率衰減量基本一樣；而背面采用POE膠膜的樣品輸出功率衰減量明顯小于采用EVA膠膜時的值，二者相差3.11 W。這說明在濕熱環(huán)境中，樣品1的使用壽命更短，原因可能是在高溫高濕環(huán)境下，EVA膠膜發(fā)生了降解[10-11]，促使光伏組件輸出功率產(chǎn)生了較大的衰減。相比之下，正、背面均采用POE膠膜封裝的光伏組件輸出功率衰減較小，原因可能是POE膠膜是非極性分子，不易水解，低水汽透過率的封裝膠膜可降低PID風險，確保了光伏組件在高溫高濕環(huán)境下的安全性，使光伏組件能夠長期有效的使用。所以，在雙玻光伏組件的封裝膠膜選擇中，POE較EVA更合適[1]。

3.3" TC測試對光伏組件輸出功率的影響

TC測試能有效確定光伏組件對因溫度重復變化引起的熱失配、疲勞及其他應(yīng)力的承受能力。TC200 h的測試方法為：試驗箱內(nèi)光伏組件置于模擬試驗箱中，將溫度在-40～85 ℃之間循環(huán)200次，然后測試光伏組件的輸出功率衰減量。對樣品2和樣品5進行了TC200 h測試，測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：樣品2的輸出功率增加了，而樣品5正面的輸出功率衰減量為1.86 W，背面輸出功率無衰減；兩組樣品的輸出功率變化均在合格范圍內(nèi)，說明兩種類型的封裝膠膜在-40～85 ℃溫度變化的環(huán)境中均表現(xiàn)出了良好的可靠性。

3.4" PID實驗對光伏組件輸出功率的影響

PID效應(yīng)是指光伏組件長期在高強度負電壓作用下出現(xiàn)離子遷移，使太陽電池表面的鈍化作用失效，最終導致填充因子、開路電壓、短路電流降低、光伏組件輸出功率衰減的現(xiàn)象[12-13]。造成光伏組件發(fā)生PID效應(yīng)的原因有很多，其中封裝膠膜是重要的影響因素之一。對樣品3和樣品6進行了PID192 h測試，即在負偏壓為1500 V、溫度為85 ℃、濕度為85%條件下試驗192 h后，測試樣品輸出功率衰減情況，測試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：樣品3正、背面的輸出功率衰減量均大于樣品6的正、背面輸出功率衰減量，兩者的正面輸出功率衰減量相差2.68 W，背面相差2.13 W。綜上可知，在高壓、高溫、高濕環(huán)境下，兩種封裝膠膜都表現(xiàn)出了優(yōu)異的可靠性，但是正、背面均采用POE膠膜光伏組件的輸出功率衰減量較小，主要是因為POE膠膜具有較高的體積電阻率和較低的水汽透過率。膠膜材料的體積電阻率越高，其絕緣性能就越好，越能有效阻隔鈉離子的遷移，提高材料的抗PID能力[14]。故采用POE膠膜能有效減少PID效應(yīng)的發(fā)生，從而達到延長光伏組件使用壽命的目的。

4" 結(jié)論

為研究不同膠膜封裝材料對光伏組件性能和使用壽命的影響，本文制備了采用兩種封裝膠膜的n型雙玻TOPCon光伏組件樣品，采用DH、TC和PID測試研究了兩組光伏組件的電性能和可靠性。研究結(jié)果顯示：正、背面均采用POE膠膜封裝的光伏組件，其CTM平均值為99.66%，相較于正面POE膠膜+背面EVA膠膜封裝的光伏組件，其最大功率高2.2 W，光電轉(zhuǎn)換效率高0.08%。在可靠性方面，正、背面均采用POE膠膜的光伏封裝組件在經(jīng)過DH1000 h測試后，正面輸出功率衰減量為8.19 W，背面輸出功率衰減量為2.31 W，經(jīng)過PID192 h測試后正面輸出功率衰減量為17.51，背面的輸出功率衰減量僅為4.80 W，衰減量均低于正面POE膠膜+背面EVA膠膜封裝的光伏組件。綜上可知，正、背面均采用POE膠膜封裝的光伏組件在高溫、高濕環(huán)境和施加高電壓時均表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的電性能及可靠性。

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STUDY ON RELIABILITY OF n-TOPCon PV MODULE BASED ON DIFFERENT ENCAPSULATION FILMS

Zhang Zhongjian1，Zhao Guixiang1，Song Shuang2，Li Shiyu1，Huang Xixi1，Zhuang Hao1

（1. CECEP Solar Energy Technology （Zhenjiang） Co.，Ltd，Zhenjiang 212132，China；

2. CECEP Solar Energy Co.，Ltd，Beijing 100082，China）

Abstract：The encapsulating film is the key material for the packaging of PV modules，and its material properties will directly affect the output power and service life of PV modules. This paper uses two different types of encapsulating films packaging n-TOPCon PV modules，and studied the electrical performance and reliability of the two types of PV modules through the test of wet heat，heat cycle and potential induced attenuation（PID）. The experimental results show that the maximum power of the PV module with POE encapsulating film on the front and back is 2.2 W higher than that of the PV module with POE+EVA encapsulating film on the front and back，and the photoelectric conversion efficiency is 0.08% higher. The output power attenuation of the PV module with POE encapsulating film on the front and back is lower than that of the PV module with POE+EVA encapsulating film on the back after the damp-heat and PID test. POE encapsulating film can reduce the risk of PID phenomenon to a certain extent，and can greatly extend the service life of PV modules，so more and more bifacial glass PV modules begin to use POE encapsulating film.

Keywords：encapsulating film；TOPCon PV modules；electrical performance；output power attenuation；reliability