光伏組件隱裂特性的研究進展(下)

■ 王歡 徐征 徐田帥 李文欣 趙謖玲

(1. 北京交通大學理學院太陽能研究所；2. 鑒衡認證中心；3. 北京交通大學發光與光信息技術教育部重點實驗室)

3)隱裂組件對組串的功率影響。通常1個組串中串聯約60個電池片，其中每20～22個電池片與旁路二極管并聯。若1個組件產生功率損失，最大功率大幅減小，該組件因隱裂產生的功率損失比率，與整個組串的功率損失不等。當失效面積小于8%時，單個組件與組串的功率損失都很小，可忽略不計。但當失效面積超過8%時，組串和單個組件的功率損失都隨著失效面積增大而升高，而且20個組件的組串功率失效比單個組件失效高[4]。

圖10 組串上多個組件產生隱裂對組串發電量損失的仿真

隱裂會造成組件功率配比損失，損失的大小與隱裂的數量呈線性關系[4]。組件中沒有隱裂的電池片比有隱裂的抗老化能力更強[21]。

實際測試隱裂對組件的衰減時，通常先進行IEC 61215-2005《地面用晶體硅光伏組件設計鑒定和定性》10.16中的機械載荷測試，該測試可引入不同類型的裂紋；然后對組件進行IEC 61215中10.12加速老化濕凍測試，需經過6 h、200次循環；在測試后，采用EL測試對組件進行隱裂觀察。

經過機械負載測試的組件功率衰減不明顯，而在經過濕凍測試后，組件功率衰減明顯加劇。一些區域在濕凍測試前，由于電阻升高，經低電流EL測試顯示比周圍顏色較暗；經過濕凍測試后，該區域EL測試圖明顯加深(變為黑色)，有的形成功率衰減區域，有的出現與電池片分離的裂片。老化測試對隱裂影響很大，需要對潛在因素和裂紋的發展趨勢作更詳細的分析，為可能的風險作出預判[22]。

圖11 經過機械載荷測試與人工老化處理后的隱裂組件功率損失

參考IEC 61215-2005《地面用晶體硅光伏組件設計鑒定和定性》及IEC 61730-2:2007《光伏組件安全鑒定的試驗方法》，對有不同類型隱裂電池片的組件進行環境測試和安全測試。觀察組件在測試前后的功率變化，結果見表1。

表1 各標準測試后測試結果表

從電學性能上看，比較明顯的功率衰減有TC200、抗破損實驗、熱斑實驗及TC50+。針對實驗項目而言，機械載荷和抗破損實驗后，隱裂更加嚴重，主要是因為組件直接受外力壓迫或撞擊，電池片產生新的隱裂，舊的隱裂也會擴大。其次，所處環境溫變明顯，電池片會不斷收縮擴張，內部應力導致隱裂逐步擴大、變嚴重。熱斑測試對隱裂的影響很小[23]。

3 隱裂的檢測方法

根據目前標準測試的情況來看，光伏組件在施加負載時顯示出相對較好的力學行為，其中負載標準嚴格參照IEC 61215/61646的IEC批準型測試和IEC 61730-2的安全測試。2011年，TüV萊茵對這些測試進行了內部擴展實驗，結果顯示：一批數量為12000塊的在認證程序中失敗的c-Si組件(2005～2010年)，在機械載荷(ML)測試的失敗率為12.6%。

在進行IEC批準型測試時，從10塊組件中選取1塊，在實際安裝條件下對其進行ML測試(IEC 61215中10.16)。“該測試的目的是評估組件對風、雪、靜負載或冰雪負載的抵抗能力”——這意味著總強度為2400 Pa(或5400 Pa)的外部環境機械應力垂直施加到組件表面上。目前，機械載荷測試是唯一能檢測組件抵抗風、雪能力的測試程序，測試時，利用機械力產生張力或壓力來進行模擬。

3.1 靜態載荷測試

標準IEC 61215/61646規定，在進行機械載荷測試前，需在同一組件上進行溫度85 ℃和相對濕度(RH)85%的濕熱測試。評估組件質量的方法包括：比較測試前后的電能、隔離性能，以及檢查任何可能由負載導致的主要可見缺陷。根據該定義，靜態載荷測試(SML)用于模擬風、雪載荷。2400 Pa靜態載荷作用于前表面，然后作用于后表面，最后在電池板前表面施加5400 Pa壓力，用于模擬高強度載荷測試。因標準測試規定每一種負載都需持續施加3 h，總負載施加時間為6 h，而組件受力方向則每小時改變一次。

圖12展示了受到繞y軸彎曲時，組件的張力和應力分布，頂部受到壓應力，在底部受到拉應力，在底部封裝材料受到的應力會傳遞到電池片中，與電池片本身的彎曲應力疊加，于是最大的拉應力出現在電池片底部，導致出現隱裂。圖13展示了用鋁邊框封裝、長邊4個夾子的電池片，在5400 Pa壓強條件下，底部受第一主應力的影響。

圖12 光伏組件在壓應力和拉應力圍繞y軸時的剖面圖

圖13 標準鋁邊框封裝電池板，在5400 Pa壓強條件下，底部第一主應力分布圖

為研究封裝太陽電池的機械特性，首先模擬在x軸和y軸方向的機械載荷。圖14展示了探究機械載荷的探究過程。將組件放在負載架上，壓載裝置按照階梯狀過程，逐漸對電池板增加壓力，使電池片出現隱裂。分別將電池片柵線垂直、平行于負載架放置，用EL測試觀察電池片情況[24]。

通過對單晶、多晶硅做多組測試，推算電池板產生隱裂發生的概率與施加應力大小的關系。結果如圖15所示。

圖14 定向機械載荷實驗

圖15 單晶硅和多晶硅形成裂紋的概率統計

3.2 動態載荷測試

在標準IEC 61215/61646中，規定對組件施加的壓力應約等于速度為130 km/h的實際強風所產生的力。例如，歐洲標準EN 1991-1-4(用于計算風力對結構的作用)就指出，基本負載假設應該包括空氣動力負載因素在內。組件受動態風力影響的例子包括：震動零件引起的爆破震動(由變化中的爆破導致)、渦流引起的橫向震動(如馳震、顫動)，以及由降雨/風力引起的振動等。動態因素累積起來后將形成一種“準靜態”過程，以至于由突發強風引起的共振擺動都會被此過程所掩蓋。

目前最先進的光伏組件測試標準IEC 61215和IEC 61646，都只規定了靜態機械負載測試，而對疲勞應力施加在電池、電池連接器或玻璃、框架之類剛性構件的研究則很少。至于振蕩或交變力，實地中的動態(或熱)機械負載對組件所提出的要求要比靜態負載高許多。由于組件需進行實地安裝，附加負載可能會引起內部機械應力，而應力可能來自于電氣接頭或黏合劑，或與電池或連接器單一材料的持久性、疲勞開裂有關。此外，對于由表面刺激引起的頻率范圍在12～35 Hz之間的組件振動，已通過施加交變風力的方法對其進行測試，不過會引起1.5～3.6 mm的較小偏移[25]。

IEEE 1262提出的動態載荷測試(DML)，1440 Pa壓力作用下每3 s循環一次，共循環10000次。BP solar在STC環境測試箱中測試發現，組件功率因隱裂產生的損失高達20%[2]。PI Berlin結合SML、DML和濕熱測試(672 h 85 ℃/85%RH)做出觀察，發現晶硅組件的裂紋擴展與組件的彎曲曲率關系最大，而不是循環次數。動態測試的壓強大小只有靜態測試的一半，動態測試循環10000次才與靜態測試循環3次造成的效果一樣。

動態測試的高循環次數會引起焊接連接處分離或與銅線斷裂。這兩種材料的塑性變形在塑性范圍之外，且不像晶硅材料在收到張應力時易碎[25]。

4 對電池片及組件的裂紋探測

電池片及組件的隱裂無法通過肉眼直接看到，需要專門的儀器進行檢測。目前探測晶體硅組件、電池片缺陷的方法主要用電致發光(EL)測試，該方法不僅可探測組件隱裂，還可探測到黑斑、黑心、裂片及焊接缺陷等問題，是目前組件生產及電站測試常用的方法。除了對組件成品進行隱裂探測，還要在硅片進入生產線之前，對生產線上的電池片進行嚴格檢測。為了保證產品質量，隱裂探測需盡可能準確地發現電池片缺陷，需對細小裂紋引起警惕，因為裂紋會在各生產環節引起不同程度的擴展[26]。若誤把壞片(EI)漏過，在后續生產過程中，會引起裂紋擴展甚至導致裂片。對電池片隱裂的檢測方法，有電致發光(EL)測試、電子散斑干涉法(ESPI)、光致發光(PI)測試、超聲波共振(RUV)。

4.1 EL測試

EL用來測試晶體硅太陽電池片及組件存在的裂紋。其原理是利用太陽電池外加正向偏壓，勢壘區內建電場減弱，原載流子平衡被打破，發生載流子擴散，注入大量非平衡載流子。太陽電池依靠從擴散區注入的大量非平衡載流子不斷復合發光，放出光子；利用紅外檢測方法，通過CCD近紅外相機檢測電池片上的缺陷[27]。

EL測試的圖像亮度與電池片的少子壽命(或少子擴散長度)和電流密度成正比。太陽電池中有缺陷的地方，少子擴散長度較低，從而顯示出圖像亮度較暗。通過EL測試圖像的分析可清晰地發現太陽電池及組件存在的隱性缺陷，這些缺陷包括：硅材料缺陷、擴散缺陷、印刷缺陷、燒結缺陷，以及組件封裝過程中的裂紋等。

4.2 電子散斑干涉

電子散斑干涉可用來快速探測電池片的隱裂紋[9]。其原理是利用加熱固定邊緣的電池片時發生的熱變形，測量在不同溫度下電池片應力分布變形的變化。該方法可探測EL測試探測不到的細小裂紋。用電子散斑干涉法探測電池片時，檢測圖像為與樣品同心的明暗相間的條紋。在沒有缺陷的區域，產生形狀規則的干涉條紋；有缺陷的區域發生熱形變后，該區域的應力會重新分布，因而觀察到的條紋圖形與無缺陷區域明顯不同，如切線方向條紋不連續或同心多邊形，用CCD拍下干涉圖像進行分析。因此，ESPI可用于檢測溫度梯度大導致的裂紋擴展[28]。

圖16 156 mm×156 mm×0.2 mm多晶硅太陽電池的EL圖和ESPI圖(裂紋長30 mm)

4.3 光致發光探測隱裂

太陽電池的缺陷往往限制其光電轉換、效率和使用壽命。光致發光可快速通過少子壽命變化進行硅片檢測，其原理是利用光致發光原理獲取晶體硅的熒光照片，且具有高分辨率，用以探測硅片的粗糙面及破損情況。晶體硅吸收外界的光子，產生非平衡少數載流子，一部分載流子復合發光。用CCD相機可得到太陽電池的輻射復合分布圖像。這種光強分布反映出非平衡少數載流子的數目分布，裂痕和缺陷處表現為較低的光致發光強度[29]。相比于EL測試需要接觸樣品才能進行測試，PL測試不接觸樣品，因此可對生產多晶硅電池片中各生產過程進行監測[10]。PL圖像測試的原理是利用少子壽命的變化進行測試[30]。

目前類穩態光致發光技術(QSS PL)是有效分析硅片及電池片的工具，對電池片氮化及磷化后、氮化未經磷化、絲網印刷等生產過程進行分析[31]。新南威爾士大學Trupk等在QSS-PL測試中利用光導橋整合2 cm × 2 cm的硅探測器，810 nm LED作為激發光源，用分光鏡和硅探測器測量相對輸出強度，PL圖像用CCD相機捕獲[31]。PL測試的好處在于成像像素高，不受少數載流子復合、DRM效應和溫度變化影響[32]。

圖17 1倍太陽光強下，利用PL技術檢測出的硅片裂紋圖[33]

4.4 超聲波共振

RUV技術專門為在線非破壞性裂紋檢測而開發。其方法基于硅片超聲波縱向振動，將外置壓電轉換器(20～90 kHz)與高靈敏超聲波探測器和計算機數據采集系統連接，裂紋硅片與同質無裂紋硅片的共振頻率響應曲線進行對比，檢測是否有偏離[34]。

有裂紋的晶硅片RUV測試結果顯示，裂紋的RUV峰值陡升，峰值帶寬擴大。峰值與帶寬越大，說明裂紋的長度越長。

RUV與其他檢測方法不同之處在于，其他檢測采用視覺觀察或光學成像方法，因此對細小裂紋檢測的靈敏度更高。

(3)相關手續、權責不清楚。在存貨模式中，物流等監管其中角色重要。但是法律上的職責界定存在模糊。具體職責確定，風險、收益等的情況。現實中存在監管企業承擔了過大的風險，但是收益過低的情況。造成一種不匹配情景。

5 隱裂的形成原因

在制作過程中，黑斑、網紋、斑點多是在電池片制造過程中或更早形成的，在可靠性實驗下基本穩定，不會明顯擴展、增加。而裂紋、裂片、斷柵在可靠性實驗后會擴大，甚至新增。交叉的裂紋在外力或溫度的影響下，較易形成裂片。對生產過程中產生的隱裂進行統計分析，對各環節進行系統對比研究，除電池片本身厚度較薄及面積越來越大的行業發展趨勢外，生產中電池片的焊接、層壓、搬運、抖動、反轉及包裝運輸等，均存在較強的隱裂風險。

5.1 制作硅片

隨著光伏產業制造的硅片越來越薄、越來越大，硅片出現了高破損率的問題[35]。一般用于生產硅片的方法主要有切割法和生長帶硅法。硅片裂紋的出現主要在處理和傳送時發生。用晶片位移測量與有限元分析，可研究晶片在處理和傳送過程中的破裂分析。

受處理和傳送時夾子和橡膠圈對硅片產生的拉應力，硅片易破裂。晶片在處理過程中收到的斷裂應力與裂紋長度的開方成反比。裂紋擴展主要受拉應力大小、裂紋的形狀和大小，以及材料的斷裂韌性Kc[36]因素的影響。

5.2 絲網印刷、燒結

絲網印刷過程中印刷過厚，刮刀由于安裝不當或壓力過大，增大電池片機械負載，導致產生隱裂甚至是裂片。

另外，在絲網印刷過程中，燒結時的溫度極高，導致在冷卻時彈性應力增大而產生彎曲。由于硅和Al背板的熱膨脹系數不同，電池片彎曲是生產過程中存在的普遍問題。電池片持續彎曲會造成隱裂擴展，不管是多晶硅還是單晶硅電池片，裂紋在深度方向上擴展到硅層和鋁背板的接觸面終止，因為Al-Si共熔層有較高的斷裂韌性[14]。

5.3 焊接

隨著硅片厚度不斷減薄和電池面積不斷增大的趨勢，焊接過程造成的電池碎片或隱裂是影響組件可靠性的主要因素。焊接過程中，除了電池片本身的質量因素外，影響焊接效果的主要因素有：焊接溫度、助焊劑的選擇、焊帶焊料的選擇、操作者的操作規范等，一定的助焊劑和焊料都對應著相適應的最優焊接溫度。

另外，在IEC 61215中10.11的熱循環測試中，焊帶會因為本身的熱學膨脹系數出現變形，從而導致疲勞裂紋。

5.3.1 焊接溫度

在單焊和串焊中，焊接的溫度直接影響光伏組件的焊接質量。電池片放置在焊接面板上操作，焊接面板一般維持在約50 ℃，起傳熱和使電池片受熱均勻的作用，避免局部受熱。焊接過程中，由于烙鐵溫度較高，對電池片形成一定溫差，有熱的沖擊。如果焊接溫度偏低，一方面焊面上氧化層不易除去，形成虛焊；焊接溫度偏高，又會使電池片由于熱應力而產生變形，導致隱裂和碎片的產生。

5.3.2 助焊劑

在晶體硅太陽電池焊接過程中，助焊劑的使用影響到焊接的質量，而且直接影響到后續層壓工藝的效果。在整個焊接過程中，助焊劑主要起到以下幾個作用：助焊劑通過自身的活性物質在高溫下作用，去除焊接材質表面的氧化層，同時使錫液及被焊材質之間的表面張力減小，增強錫液流動和浸潤的性能；同時通過助焊劑本身在基體中移動，將熱傳遞到基體，并且有時還能保護被焊材質在焊接完成前不再氧化。其中最主要的是去除氧化物和降低被焊接材質表面張力。若助焊劑不能有效降低材質表面張力，易導致隱裂出現[37]。

而對于焊接完好的組件，在熱循環測試中同樣會遇到隱裂產生的問題。也就是說，EL測試并不能看出一些潛在的隱裂紋。在熱循環測試中，在銅和銀之間的焊接處物(62Sn36Pb2Ag)由于熱膨脹系數與硅片不匹配，在溫度變化差異較大的情況下，在銀電極與焊接處出現疲勞裂紋，增加組件的串聯電阻，導致整個組件的功率衰減。觀察SEM圖像焊接處的橫截面，可看到溫度變化差異越大，產生的裂紋越嚴重[38]。

圖18 不同溫度熱循環后橫截面的隱裂SEM圖

5.4 層壓

層壓工藝主要是針對用來封裝光伏組件的透明膠體的特性設計的，其主要目的是使EVA實現最優程度的固化，并防止移位和氣泡的產生，使各層物質嚴密的壓合在一起。在傳統的真空層壓過程中，電池要承受1個標準大氣壓的壓力(即101 kPa)。太陽電池層壓板各區域變形情況存在極大差異性，一般層壓造成的裂紋電池組件占總實驗比例的0.9%[39]。

層壓的厚度與應力有一定關系，層壓的EVA越厚，可減少層壓的卷曲。層壓的溫度也會影響受到的應力，高溫下玻璃和硅片之間的薄層受到的應力減小。層壓后，由于硅、金屬粘合劑和銅的CTE不同，連接處會收到較大應力，此處易產生裂紋[15]。

5.5 搬運中造成的隱裂

通過隱裂統計，發現在生產過程中應避免搬運和抖動，以減少玻璃自重引起的形變，對減少組件隱裂有至關重要的影響。

當人工搬運層壓后的組件到冷卻臺時，組件產生彎曲，中間部位受重力作用向下彎曲。在水平方向搬運過程中，組件上、下抖動的幅度較大，且規格越大的組件，彎曲程度越厲害。這種情況下，位于組件中間部位的電池片彎曲的幅度較嚴重，易引起隱裂。

5.6 后清洗和測試過程產生的隱裂

在清洗和測試環節，組件存在被反轉的步驟。在反轉過程中，組件有振動現象，可能引起電池片與組件共振，從而導致電池片隱裂[40]。

6 隱裂的解決方案

6.1 生產階段中的控制手段

6.1.1 層壓

可伸縮的硅膠板將層壓機殼體隔開而形成上室和下室，層壓盤內部有加熱裝置，熱量通過層壓盤傳遞給組件。層壓機的作用就是在真空條件下對EVA進行加熱加壓，實現對EVA的固化，達到對太陽電池密封的目的。為防止隱裂產生，將層壓工藝改為分段式層壓，降低組件的受力強度，可提高組件的合格率。需優化層壓溫度、抽真空時間、加壓大小，以及層壓時間。

加壓的強度不能太大，否則會導致電池片被壓碎；而加壓太小會使EVA固化后的緊密度影響很小，無法去除殘存氣泡，EVA與背板、EVA與玻璃之間的粘合力較小。調整加壓時機可避免壓力突變對電池的沖擊影響，分布進行壓力釋放，太陽電池裂紋的比例由0.9%降到0.3%[39]。

6.1.2 層壓后的組件搬運方法

將層壓件從層壓機抬出的過程中，受力點應在兩個長邊上，減少組件彎曲的幅度；同時對于未打框組件短距離的搬運，不能以水平方向進行搬運，必須把組件豎起；在翻轉過程中，組件平穩置于操作臺上。

由于組件規格越來越大，可考慮在組件背面的中間位置加橫檔來增加載荷強度，以減少大面積組件中間區域的形變[40]。

6.2 運輸中的控制手段

為了減少電池片隱裂現象的發生，在電池片運輸、傳遞過程中應注意避免不當的外力介入，也應注意儲存環境溫度變化較大的地區的使用。

[21] 李長嶺, 戴麗麗, 張海磊, 等. 隱裂對光伏組件性能影響的研究[J]. 上海有色金屬, 2013, 33(4): 180－183.

[22] Kajari-Schr?der S, Kunze I, K?ntges M. Criticality of cracks in PV modules[J]. Energy Procedia, 2012, 27: 658－663.

[23] 李娜, 張志根, 武耀忠, 等. 隱裂電池片在標準測試后的變化及分析[J]. 中國建設動態: 陽光能源, 2011, (3): 69－71.

[24] Sander M, Dietrich S, Pander M, et al. Systematic investigation of cracks in encapsulated solar cells after mechanical loading[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2013, 111: 82－89.

[25] Koch S, Kupke J, Tornow D, et al. Dynamic Mechanical Load Tests on Crystalline Silicon Modules[A]. 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference[C], Valencia, 2010.

[26] A?mus M, Nold S, Rein S, et al. Performance requirements of crack detection systems in silicon solar cell production[J]. Energy Procedia, 2012, 27: 147－153.

[27] Potthoff T, Bothe K, Eitner U, et al. Detection of the voltage distribution in photovoltaic modules by electroluminescence imaging[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications,2010, 18(2): 100－106.

[28] Wen T K, Yin C C. Crack detection in photovoltaic cells using electronic speckle pattern interferometry[A]. Fourth International Conference on Experimental Mechanics. International Society for Optics and Photonics[C], Singapore, 2009: 75224Q-1－75224Q-5.

[29] 嚴婷婷, 張光春, 李果華, 等. 光致發光技術在 Si 基太陽電池缺陷檢測中的應用[J]. 半導體技術, 2010, 35(5): 454－457.

[30] Trupke T, Nyhus J, Sinton R, et al. Photoluminescence imaging on silicon bricks[J]. Sun Energy, 2010, 6: 33.

[31] Trupke T, Bardos R, Nyhus J. Photoluminescence characterization of silicon wafers and silicon solar cells[A].8th workshop on Crystalline Silicon Solar cells & Modules[C],Colorado，2008.

[32] Trupke T, Bardos R, Schubert M, et al. Photoluminescence imaging of silicon wafers[J]. Applied Physics Letters, 2006, 89(4):044107.

[33] Abbott M, Cotter J, Chen F, et al. Application of photoluminescence characterization to the development and manufacturing of high-effi ciency silicon solar cells[J]. Journal of Applied Physics, 2006, 100(11): 114514.

[34] Belyaev A, Polupan O, Dallas W, et al. Crack detection and analyses using resonance ultrasonic vibrations in full-size crystalline silicon wafers[J]. Applied Physics Letters, 2006, 88(11):111907.

[35] Dominguez P, Fernandez J. Introduction of thinner monocrystalline silicon wafers in an industrial cell-manufacturing facility[A]. Proceedings of the 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference[C], Barcelona, Spain, 2005, 6－10.

[36] Brun X F, Melkote S N. Analysis of stresses and breakage of crystalline silicon wafers during handling and transport[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2009, 93(8): 1238－1247.

[37] 王海東, 帥爭鋒, 王鶴, 等. 晶體硅太陽能電池焊接技術及其發展趨勢[J]. 電子工藝技術, 2012, 33(3): 136－138.

[38] Park N, Jeong J, Han C. Estimation of the degradation rate of multi-crystalline silicon photovoltaic module under thermal cycling stress[J]. Microelectronics Reliability, 2014, 54(8):1562－1566.

[39] 蔡愛玲, 王永清, 張向前, 等. 減少硅太陽電池組件在層壓時裂紋的研究[J]. 電子測量技術, 2012, 35(5): 19－21.

[40] 李長嶺, 江揚宇, 周華英, 等. 晶體硅光伏組件工藝研究[J].上海有色金屬, 2012, 33(3): 135－137.