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摘要：

結(jié)合在組件生產(chǎn)和電站質(zhì)量管理中遇到的問題，對(duì)組件材料老化衰減及組件初始光致衰減原因進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，提出相應(yīng)對(duì)策。結(jié)果表明：組件材料老化功率衰減主要是EVA和背板老化黃變引起，組件初始功率衰減主要由于硅片內(nèi)硼、氧元素復(fù)合引起，提出的對(duì)策具有可行性。

引言

光伏組件是太陽能發(fā)電的關(guān)鍵元件，光伏組件功率衰減是指隨著光照時(shí)間的增加，組件輸出功率不斷呈下降趨勢(shì)的現(xiàn)象[1]。

組件功率衰減直接關(guān)系到組件的發(fā)電效率。國(guó)內(nèi)組件的功率衰減與國(guó)外最好的組件相比，仍存在一定差距，因此研究組件功率衰減非常有必要。組件功率衰減包括組件初始光致衰減、組件材料老化衰減及外界環(huán)境或破壞性因素導(dǎo)致的組件功率衰減[2]。

外界環(huán)境導(dǎo)致功率衰減主要由光伏電站運(yùn)營(yíng)不當(dāng)造成，可通過加強(qiáng)光伏電站的維護(hù)進(jìn)行改善或避免;破壞性因素導(dǎo)致的組件功率衰減是由于組件明顯的質(zhì)量問題所致，在組件生產(chǎn)和電站安裝過程對(duì)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)把控，可減少此類功率衰減的現(xiàn)象。本文主要研究組件初始光致衰減及材料老化衰減。

1組件初始光致衰減分析

1.1組件初始光致衰減原理分析

組件初始光致衰減(LID)是指光伏組件在剛開始使用的幾天其輸出功率發(fā)生大幅下降，之后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。普遍認(rèn)為的衰減機(jī)理為硼氧復(fù)合導(dǎo)致，即由p型(摻硼)晶體硅片制作而成的光伏組件經(jīng)過光照，其硅片中的硼、氧產(chǎn)生復(fù)合體，從而降低了其少子壽命。在光照或注入電流條件下，硅片中摻入的硼、氧越多，則生成復(fù)合體越多，少子壽命越低，組件功率衰減幅度就越大[3]。

1.2組件初始光致衰減的實(shí)驗(yàn)分析

本研究采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的辦法，在背板、EVA、玻璃和封裝工藝等條件完全一致情況下，采用兩組電池片(一組經(jīng)初始光照，另一組未經(jīng)初始光照)，分別將其編號(hào)為I和II。同時(shí)，生產(chǎn)出的所有組件經(jīng)質(zhì)量全檢及電致發(fā)光(EL)檢測(cè)，確保質(zhì)量完全正常。實(shí)驗(yàn)過程條件確保完全一致，采用同一臺(tái)太陽能模擬儀測(cè)量光伏組件I-V曲線。

分別取I和II光伏組件各3組進(jìn)行試驗(yàn)，記錄其在STC狀態(tài)下的功率輸出值。隨后，將I和II光伏組件放置于輻照總量為60kWh/m2(根據(jù)IEC61215的室外暴曬試驗(yàn)要求)的同一地點(diǎn)進(jìn)行暴曬試驗(yàn)，分別記錄其功率，結(jié)果見表1。

由表1可知，I組光伏組件整體功率衰減明顯較II組低。因此，可推測(cè)光伏組件的初始光致衰減主要取決于電池的初始光致衰減。在光伏組件封裝前對(duì)其電池片進(jìn)行初始光照，則組件功率衰減會(huì)顯著減弱。

1.3組件初始功率衰減與I-V曲線不良的關(guān)系研究

隨機(jī)選取一塊質(zhì)量正常組件，組件內(nèi)所有電池的衰減基本一致，對(duì)其進(jìn)行功率測(cè)試，I-V曲線平滑曲線如圖1所示。

由圖1可知，盡管輸出功率下降，但I(xiàn)-V曲線平滑、無臺(tái)階，其紅外圖像類似正常組件，即無熱斑出現(xiàn)。

取光伏組件中任一電池片無初始光照衰減，即組件內(nèi)電池的衰減不一致，對(duì)其進(jìn)行功率測(cè)試，I-V曲線如圖2所示。

由圖2中I-V曲線出現(xiàn)臺(tái)階可看出，組件內(nèi)部整體輸出功率下降的同時(shí)，未經(jīng)初始光照衰減的電池片造成光伏組件整體電流降低、輸出功率減小。

通過實(shí)驗(yàn)說明，如果光伏組件內(nèi)部電池片衰減不一致，導(dǎo)致組件內(nèi)部串聯(lián)的電池片產(chǎn)生電流失配，由此I-V曲線出現(xiàn)臺(tái)階。在組件生產(chǎn)的質(zhì)量檢驗(yàn)過程中，對(duì)組件I-V曲線出現(xiàn)臺(tái)階的問題組件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，也進(jìn)一步驗(yàn)證了組件的初始光致功率衰減是導(dǎo)致I-V曲線異常的內(nèi)在原因。

1.4組件初始光致衰減的驗(yàn)證

為確保組件功率質(zhì)量，在組件制造過程中，隨機(jī)對(duì)抽取組件進(jìn)行太陽下暴曬，暴曬至組件功率基本穩(wěn)定為止，檢測(cè)其初始光致衰減值，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知，光伏組件初始都有光致衰減現(xiàn)象，但不同批次功率衰減幅度差異較大，1%～3.7%都有，因此改善初始光致衰減現(xiàn)象顯得非常必要。

通過以上分析可知，組件初始光衰幅度主要取決于電池光致衰減，電池光致衰減則由硅片的硼、氧含量等決定。要消除由于組件初始功率衰減導(dǎo)致的問題，可利用硅片分選機(jī)來控制硅片質(zhì)量，確保硅片內(nèi)部的硼、氧元素含量處于正常范圍，從而保障電池片的轉(zhuǎn)換效率;同時(shí)在組件封裝前，對(duì)電池片進(jìn)行功率分檔，保證電池片功率匹配，從而改善組件的初始光致功率衰減問題。

2材料老化導(dǎo)致功率衰減分析

光伏組件封裝結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，組件的主要材料包括電池片、玻璃、EVA、背板等[1]。由圖3可知，光伏組件材料老化衰減主要可從電池片功率衰減及封裝材料的性能退化兩方面分析，而影響這兩方面因素的主要原因是紫外線照射及濕熱老化環(huán)境，而玻璃對(duì)紫外線和濕熱環(huán)境的性能變化較小[4]，因此組件功率的老化衰減研究主要可圍繞EVA和背板兩種材料的老化開展。圖4為某電站運(yùn)營(yíng)后材料老化的外觀圖。

2.1EVA老化對(duì)光伏組件功率衰減影響

把組件分為A、B、C、F8064組，分別采用4個(gè)不同廠家的EVA材料，電池片、玻璃、背板、焊帶、邊框等材料及生產(chǎn)工藝設(shè)備都一致，制作每塊組件的同時(shí)還制作一個(gè)陪樣，用于測(cè)試組件EVA材料的黃變指數(shù)。生產(chǎn)出的組件經(jīng)過EL檢測(cè)和I-V曲線的測(cè)試，確定質(zhì)量合格，把4組組件和陪樣同時(shí)放入環(huán)境試驗(yàn)箱進(jìn)行濕熱老化，測(cè)試條件為溫度85℃、濕度85%。每隔一段時(shí)間測(cè)試其組件功率及陪樣EVA的黃變指數(shù)，共測(cè)試1000h后把組件取出，其組件測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5所示，對(duì)應(yīng)陪樣EVA的黃變指數(shù)如圖6所示。

由圖5和圖6可看出，不同品牌的EVA耐濕熱老化性能差異很大，其中F806EVA黃變小，耐老化性能明顯比其他EVA強(qiáng)，做成的組件功率衰減少。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與組件老化功率衰減結(jié)果相符合，說明EVA黃變是組件材料老化導(dǎo)致功率衰減的一個(gè)重要原因。

為了深入對(duì)此質(zhì)量問題進(jìn)行分析，結(jié)合類似的EVA黃變現(xiàn)象，本文選取某研究所光伏電站的組件進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)該光伏電站的組件也部分存在EVA黃變現(xiàn)象，如圖7所示。

在該電站上分別選取一塊EVA黃變組件和一塊EVA未黃變組件，分別測(cè)試其功率，數(shù)據(jù)見表3。

由表3可知，EVA未黃變組件在電站運(yùn)營(yíng)過程中只衰減了2.23%，而EVA黃變組件的功率衰減了5.7%，因此進(jìn)一步驗(yàn)證了EVA黃變是造成組件功率衰減的一個(gè)重要原因。

2.2背板老化對(duì)光伏組件功率衰減影響

把組件分為A、B兩組，分別采用兩個(gè)不同廠家的背板材料(A組背板為雙面含氟背板，B組為不含氟的背板)，電池片、玻璃、背板、焊帶、邊框等材料及生產(chǎn)工藝設(shè)備都一致，制作每塊組件的同時(shí)還制作一個(gè)陪樣，用于測(cè)試背板的耐紫外黃變指數(shù)。生產(chǎn)出的組件經(jīng)過EL檢測(cè)和I-V曲線的測(cè)試，確定質(zhì)量合格，實(shí)驗(yàn)前記錄兩組光伏組件及陪樣組件在STC狀態(tài)下的功率輸出值。按照IEC61215-2005的實(shí)驗(yàn)要求，將兩組光伏組件放于紫外試驗(yàn)箱中，溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)(60±5℃)，組件受波長(zhǎng)為280～385nm范圍的紫外輻射(15kWh/m2)，其中波長(zhǎng)為280～320nm的紫外輻照不少于5kWh/m2[1]。用太陽能測(cè)試儀測(cè)試組件的功率，結(jié)果見表4;同時(shí)測(cè)試陪樣背板及樣品紫外老化后的黃變指數(shù)，結(jié)果如圖8所示。

從表4和圖8可知，A組光伏組件背板雙面含氟(黃變指數(shù)為2.2)，具有較強(qiáng)耐紫外功能，因此其功率衰減較小;而B組光伏組件背板不含氟，有黃變現(xiàn)象(黃變指數(shù)為67.4)，功率衰減明顯。2.3材料老化功率衰減現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試分析本文對(duì)某研究所光伏電站進(jìn)行跟蹤測(cè)試分析，選取一塊質(zhì)量正常的組件定期進(jìn)行功率測(cè)試，其功率衰減數(shù)據(jù)見表5。

各時(shí)間段該組件的EL圖片如圖9所示，EL圖片顯示組件內(nèi)部完好，未發(fā)生隱裂等質(zhì)量問題，每次測(cè)試時(shí)清除表面的臟污和灰塵，排除外界條件對(duì)組件功率的影響。測(cè)試結(jié)果說明組件功率衰減是由于自身材料老化原因所造成，衰減的比例與功率質(zhì)保規(guī)定的質(zhì)保統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接近。

從實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和具體電站中組件分析可看出，EVA和背板材料的老化、黃變是導(dǎo)致組件功率老化衰減的主要原因，采用高質(zhì)量的EVA和背板能有效減少組件的功率老化衰減。

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)對(duì)組件初始功率衰減和材料老化功率衰減兩種現(xiàn)象進(jìn)行分析研究，同時(shí)對(duì)某研究所電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試分析，得出以下結(jié)論：

1)光伏組件的初始光致衰減主要是由于電池片的初始光致衰減不同所致。不同批次硅片的硼氧含量不同，導(dǎo)致電池片的初始光致衰減不同。因此利用硅片分選機(jī)控制硅片質(zhì)量，從而保證電池片的初始光致衰減是解決光伏組件初始光致衰減的有效方法。

2)光伏組件的材料老化衰減主要取決于光伏組件封裝過程中EVA和背板質(zhì)量，使用濕熱老化功能較強(qiáng)和耐紫外的背板和EVA材料，能較大程度保證光伏組件質(zhì)量。 

原標(biāo)題：【光伏科普】光伏組件功率衰減的罪魁禍?zhǔn)?