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摘要：光伏組件長期可靠性運行是大規(guī)模商業(yè)應用的前提。為確保光伏組件壽命超過 25 年，分析光伏組件性能衰減的機制顯得至關(guān)重要。

以長沙市戶外使用 9 年的 40 kW 單晶硅光伏組件為對象，對其全過程的性能數(shù)據(jù)進行分析，進行外觀檢查、紅外熱成像測試和電性能評估。

統(tǒng)計外觀缺陷并分類，分析組件電性能參數(shù)衰減、變化情況；嘗試把外觀缺陷與電性能衰減對應關(guān)聯(lián)起來。發(fā)現(xiàn)玻璃侵蝕、背板黃變、電池柵線和抗反射層氧化等頻繁出現(xiàn)的外觀缺陷可導致性能衰減，九年間總功率衰減 7.8%。

本文結(jié)合小型光伏設施的優(yōu)勢，通過外觀檢查、紅外熱成像分析和電性能評估，分析了位于我國湖南省長沙市屋頂光伏組件使用 9 年的衰減情況和衰減機制。

通過詳盡地了解、分析每一個光伏組件的老化、減和失效情況，進而實現(xiàn)以下三個目標：確定發(fā)生頻率高的組件老化類型、找到各電學參數(shù)衰減情況與衰減多種組件老化現(xiàn)象之間的關(guān)系。

實驗

單晶硅光伏組件實驗平臺建于 2008 年，其主要由光伏陣列、匯流箱、交直流防雷配電柜和并網(wǎng)逆變器組成。逆變器將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變成交流電然后并入國家電網(wǎng)，同時逆變器自帶 MPPT，使光伏組件工作在最大輸出功率點。

1.1 光伏陣列

光伏陣列由 208 個額定功率為 180 W 的光伏組件組成，每個光伏組件由 72 片 p 型單晶硅太陽電池串聯(lián)連接構(gòu)成，電池尺寸為 125 mm×125 mm，厚度約 300 mm。

電池片采用正面制絨以提高抗反射率，表面沉積的 SiNx 抗反射層同時也起到電池片表面鈍化的作用。電池片之間采用鍍錫銅焊帶互聯(lián)，并封裝在上下兩層 EVA 之間，上層 EVA 之上采用高透鋼化玻璃起防護作用，下層 EVA 之下采用 TPE(PVF/PET/EVA)復合背板起絕緣和隔離水汽的作用。

每個組件包含一個接線盒，起到輸出電能并實現(xiàn)各組件之間互聯(lián)的作用，每個接線盒內(nèi)接有 3 個旁路二極管用于防止熱斑效應。組件邊框采用陽極氧化鋁邊框。

2008 年組件搭建光伏實驗平臺時，廠家提供了每個組件的電性能出廠數(shù)據(jù)，并與組件上的條形碼一一對應。光伏組件以 16 塊為一串，共 13 串并聯(lián)安裝于固定式金屬支架上，組件安裝方位角為正南，傾斜角度為 22°。

1.2 實驗平臺的運行環(huán)境

光伏組件實驗平臺地處我國湖南長沙，當?shù)貧夂驅(qū)儆趤啛釒Ъ撅L氣候，四季分明，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨。根據(jù)國家氣象數(shù)據(jù)中心提供的數(shù)據(jù)， 在組件安裝平面上的年平均太陽能輻射總量約為 1 120 kWh/m2，年平均氣溫 17.2 ℃，相對濕度為 72%，風速 2.3 m/s。

1.3 紅外熱成像

采 用 分 辨 率 為 384 ×288 像 素 的 三 合 一 紅 外 熱 像 儀FOTRIC226 拍照獲取光伏組件溫度分布圖。由于光伏組件背面的空間過小無法正常拍攝，因此所有的紅外熱輻射照片均從光伏組件的正面拍攝。紅外成像拍攝時光伏組件處在并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，因此逆變器的 MPPT 模塊保證了組件此時工作最大功率點附近。

1.4 電學性能測試

光伏組件的初始電性能數(shù)據(jù)均由組件生產(chǎn)廠家在標準測試條件下測得。經(jīng)過 9 年的戶外使用后，每個光伏組件的電性能參數(shù)由便攜式太陽電池參數(shù)測試儀(HT I-V 400 W)在戶外實地測得，然后基于 IEC 60891通過設備自帶的程序轉(zhuǎn)換為 STC 下的 I-V 數(shù)據(jù)，其中轉(zhuǎn)換參數(shù) a、b、g 和 Rs 由組件生產(chǎn)廠家提供。

為了減小參數(shù)轉(zhuǎn)換為標準條件所帶來的誤差，根據(jù)國際電工委員會 (IEC) 提供的光伏組件 I-V 曲線測試標準 IEC 60904-1，戶外電性能參數(shù)測試過程中嚴格執(zhí)行以下條件：

測試在晴朗無云的天氣下進行，測試時組件表面接收輻射照度大于 800 W/m2；測試期間總輻照度的波動不大于±1%；風速小于 2 m/s；測試期間光伏組件和參考器件共面，仰角偏差±3°內(nèi)；測試期間待測組件和參考器件的溫度變化保持在±1 ℃內(nèi)。

結(jié)果與討論

2.1 外觀缺陷

為了弄清組件衰減的原因，我們首先對每個光伏組件進行徹底的外觀檢查，并將發(fā)現(xiàn)的缺陷按照出現(xiàn)頻率進行歸納整理。

2.1.1 玻璃面板的侵蝕

玻璃侵蝕表現(xiàn)為玻璃表面渾濁及顏色變深，常見于組件正面的底部并且一般無法修復。由于在組件外觀檢查之前，預先對組件進行了清洗，因此純粹的組件的底部積塵效應不在本文外觀缺陷的考察范圍之內(nèi)，也沒有進一步分析該效應對組件輸出功率產(chǎn)生的影響。

玻璃侵蝕產(chǎn)生的原因有：空氣中的灰塵顆粒的沉積，雨水的積淀和浸出作用，以及玻璃中的 K＋和水中 H＋之間的離子交換等[5]。同時，環(huán)境污染和邊框的使用會加重這一缺陷的發(fā)展程度。

受玻璃侵蝕的影響，組件底部的渾濁、發(fā)黑的玻璃產(chǎn)生了不可逆的透射光的損失，因此引起組件輸出功率的降低。由于組件是橫向安裝，因此由透射光損失造成的短路電流減小發(fā)生于組件底部電池串。

在本光伏組件實驗平臺中， 100%的組件底部出現(xiàn)玻璃侵 蝕，直接受影響的電池片占總數(shù)的六分之一，電池片受影響的面積占比從 5%到 13%不等，平均受影響面積為 9%，在光伏電站的運營中，定期清理組件底部積累的污垢將有助于減小玻璃侵蝕的面積。

2.1.2 背板黃變

光伏組件在長時間的戶外使用后，背板顏色黃變或者呈現(xiàn)一定程度的黃色或棕色被稱為背板黃變。在本實驗平臺中，近一半的光伏組件呈現(xiàn)不同程度的背板黃變。

組件正面電池片區(qū)域沒有產(chǎn)生發(fā)黃、變色，而電池片間的空隙區(qū)域明顯發(fā)黃，因此可以確定褪色現(xiàn)象發(fā)生在背板上。實驗平臺光伏組件采用的背板是 TPE(PVF/PET/EVA)結(jié)構(gòu)的三層復合背板。

與組件生產(chǎn)商溝通了解到，早期的光伏組件沒有考慮背板發(fā)黃的問題，在組件封裝的時候采用的 EVA 紫外透過率較高，背板的 EVA 層中沒有添加抗紫外助劑， TPE 結(jié)構(gòu)的背板 E易出現(xiàn)黃變。

由于背板所反射光線有一部分被組件正面的鋼化玻璃二次反射至電池片表面，進而被吸收轉(zhuǎn)化成電能，因此背板黃變將導致組件的光吸收率下降，輸出功率下降。

2.1.3 正面柵線和抗反射層的氧化

電池片和封裝材料之間的黏附力下降導致電池片受到的保護減弱以及電池片上金屬和抗反射層的腐蝕。28%的組件上不同程度地出現(xiàn)了這個現(xiàn)象， 正面的銀柵線和 SiNx 抗反射層顏色變深，表明氧化正在進行。

EVA 是一種無定形聚合物，氧和水的擴散率高，因此氧能夠快速擴散到其他區(qū)域，此外， EVA 脫水產(chǎn)生的醋酸加速金屬柵線的腐蝕。

Kempe 等[6]的研究顯示，與不透氣的背板相比，采用透氣性好的背板醋酸的影響明顯減小。由于電池邊緣的水分子更容易從背板擴散，因此濕度較低，這很好地解釋了電池邊緣氧化速度慢的原因。

2.1.4 熱斑

在實驗平臺中，有一塊電池片出現(xiàn)熱斑燒穿。由于熱斑區(qū)域溫度過高，導致電池片燒熔，組件背板燒穿。另外，通過紅外熱成像發(fā)現(xiàn)另有 3 塊組件出現(xiàn)不同程度的熱斑效應，后面將會進一步介紹。

熱斑現(xiàn)象普遍認為由接線盒二極管損壞、局部組件積塵，電池片失效或者嚴重的電池串間失配引起。組件中，短路電流減小的電池片被正常的電池片反偏，不僅本身吸收的光能全部轉(zhuǎn)化為熱能，反偏電流產(chǎn)生的能量消耗也全部發(fā)生于反偏的電池片上，并全部轉(zhuǎn)換為熱量，因此可能產(chǎn)生非常高的溫度[7]。

2.1.5 電池片開裂

少量的電池片出現(xiàn)裂紋，但是電池片之間仍然保持連接，沒有出現(xiàn)完全分離，這些開裂可能由于外力或者熱應力所致。

2.2 紅外熱成像分析

紅外熱成像分析中，一個重要的發(fā)現(xiàn)是所有接線盒上方的電池片溫度比其他地方高出 6 ℃左右，因此這些電池片會有更高的熱衰減速率。此外，我們也發(fā)現(xiàn)了電池串間的失配現(xiàn)象。

下面的電池串的溫度明顯高于上面的電池串，但是我們無法得知此電池串間的失配是由于使用后組件的功率衰減引起的，還是在組件進行初始曝光前就已經(jīng)產(chǎn)生。

由于功率衰減或失效，光伏組件中的一塊電池片工作在反偏狀態(tài)下，并出現(xiàn)明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，紅外熱成像顯示熱斑所在電池片的溫度比周圍其他電池片的溫度高 13 ℃。

經(jīng)過外觀檢查，在熱斑區(qū)域附近的正面電池片以及背面背板上未發(fā)現(xiàn)外觀缺陷。這也說明，由于溫度急劇增加導致電池片燒穿后，電池片的并聯(lián)電阻變得非常低，因此沒有再出現(xiàn)熱斑過熱的現(xiàn)象。

2.3 電性能分析

實地的室外測量中，所有 208 個光伏組件的電性能參數(shù)都是在 850 ~ 1 100 W/m2 的輻照度區(qū)間內(nèi)測量，而環(huán)境溫度在22~33 ℃，測得的光伏組件的電性能參數(shù)經(jīng)過軟件轉(zhuǎn)換到 STC的數(shù)值。

分別給出了開路電壓 (Voc)、最大功率電壓(Vmpp)、最大功率電流(Impp)、短路電流(Isc)、最大輸出功率(Pmax)和填充因子(FF)六個參數(shù)在使用前和 9 年的戶外衰減后的平均值和標準差。

數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過 9 年的戶外使用，實驗平臺的單晶硅光伏組件最大輸出功率衰減率為 7.8%，這主要是由 5.4%短路電流衰減所致。此外，開路電壓和填充因子也出現(xiàn)了相對較小的衰減比例，分別為 1.1%和 1.5%。

考慮光伏組件首次曝光的前幾個小時會有約 3%的初始光致衰減[8]，因此可以計算得到平均每年的最大輸出功率衰減約為 0.53%，低于組件生產(chǎn)商保證的每年功率衰減值 0.7 %。

在數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析中發(fā)現(xiàn)，組件的各性能參數(shù)都近似服從正態(tài)分布。數(shù)據(jù)分布直方圖顯示光伏組件的四個參數(shù)分布區(qū)間擴大，標準差增加，這與先前研究人員的統(tǒng)計結(jié)果相一致[9-10]。

在這四個光伏組件性能參數(shù)中，短路電流的標準差增加量最大，達到 +153%，而這個標準差隨組件使用時間逐漸增加的原因，目前尚無統(tǒng)一的結(jié)論。

在組件各參數(shù)平均值的衰減上，由于在忽略二次效應的情況下，組件最大輸出功率的平均值衰減率是短路電流、開路電壓和填充因子的衰減率之和，因此組件最大輸出功率的平均值衰減比例最大。

2.4 外觀缺陷和性能衰減之間的聯(lián)系

經(jīng)過 9 年的戶外使用后，開路電壓和填充因子分別呈現(xiàn)了 1.1%和 1.5%的衰減率， 28%光伏組件正面電池柵線和抗反射層的氧化被認為是其主要原因之一。

正面電池柵線由于氧化后變細發(fā)黑，因此柵線的電阻率增加，組件的串聯(lián)電阻增大；抗反射層的氧化使得電池片表面的鈍化效果減弱，表面載流子復合增加，而載流子的復合會帶來電池片短路電流和并聯(lián)電阻的減小。

并聯(lián)電阻減小會降低光伏組件的開路電壓和填充因子，同時串聯(lián)電阻增大也會降低組件的填充因子和短路電流。

在短路電流的衰減方面，影響因素除了上述的正面電池柵線和抗反射層的氧化外，玻璃面板侵蝕和背板黃變被考慮作為短路電流衰減的主要原因之一，而電池片開裂和熱斑現(xiàn)象影響電池片和組件的比例小，因此這兩項外觀缺陷不被考慮作為組件衰減的主要原因。

由于組件背板反射的光線經(jīng)過前玻璃面板二次反射后可被電池吸收，因此白色背板的使用有利于提高組件的短路電流，我們的實驗結(jié)果以及 MR Vogt 等的研究結(jié)果均顯示白色背板的使用可以使組件的短路電路增加 2%~3%[11]，背板的發(fā)黃引起光反射率的減少一般不超過 20%[12]。

結(jié)合背板黃變的統(tǒng)計比例，我們可以計算得到背板黃變引起的短路電流損失不超過 0.3%，因此背板黃變對本實驗平臺中的組件短路電流影響較小。

同理，玻璃面板侵蝕體現(xiàn)在電池片接收的入射光減少，因此會減少光伏組件的短路電流。根據(jù)外觀統(tǒng)計結(jié)果，玻璃面板平均受侵蝕的面積為 9%，盡管玻璃面板受侵蝕的程度不同，侵蝕區(qū)域 10%的光學損失是一個合理的值[13-14]，因此可以計算得到玻璃面板侵蝕造成的短路電流損失近 1%。

隨機選取 5 塊組件測量，發(fā)現(xiàn)底部電池串的短路電流平均比頂部串低約1.5%，與預測的數(shù)值相近。除了本文統(tǒng)計的外觀缺陷外，根據(jù)NERL 的研究結(jié)果，與電池片制作工藝有關(guān)，電池片本身的 p-n結(jié)老化也是組件短路電流衰減的主要原因之一。

組件性能參數(shù)的標準差呈現(xiàn)較大幅度的增加，說明各光伏組件老化程度差異較大。正如外觀檢查統(tǒng)計結(jié)果所示，光伏組件的各組成部件，包括正面玻璃面板、EVA、金屬柵線、電池片和背板均出現(xiàn)不同程度、不同比例的老化，這種差異性的產(chǎn)生最終致使組件的各性能參數(shù)的標準差增加。

在實際光伏電站的運營中，組件性能的差異性增加會加重組件間失配，進而導致電站輸出功率的下降。

結(jié)論

本文分析了 40 kW 單晶硅光伏組件戶外使用 9 年的功率衰減情況和衰減機制。最主要的外觀缺陷是玻璃侵蝕、背板黃變、電池柵線和抗反射層的氧化。此外，也發(fā)現(xiàn)有少量的熱斑和電池片開裂現(xiàn)象。

對比 208 塊光伏組件使用前后的性能參數(shù)，組件的峰值功率衰減 7.8%，除去初始光致衰減，平均每年的功率衰減約為0.53%，低于組件生產(chǎn)商保證的每年功率衰減值 0.7%。

短路電流衰減是組件峰值功率衰減的主要原因，玻璃面板侵蝕、正面電池柵線和抗反射層氧化貢獻了部分短路電流損失。正面電池柵線和抗反射層氧化也是組件開路電壓衰減的主要原因之一。

此外，組件性能參數(shù)標準差增幅較大，將增加組件間的失配，進而影響整個發(fā)電站的發(fā)電效率，因此，組件的生產(chǎn)過程中應盡可能保證原材料的一致性和生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性。

原標題：單晶硅光伏組件性能衰減分析