晶體硅光伏組件EL測試的缺陷分析

■ 程安琪 宋昊 白建波 王喜煒 李華鋒 張超

（1.河海大學(xué)機電工程學(xué)院；2.國家太陽能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心）

0 引言

當(dāng)下，在全球氣候變暖、常規(guī)能源短缺、環(huán)境污染等問題日益突出的形勢下，光伏發(fā)電得到越來越多的重視與支持。

由于硅電池在生產(chǎn)過程中易受到損傷，會產(chǎn)生隱裂、黑心片、斷柵、碎裂等組件缺陷，而這些隱性缺陷的存在極大地影響了太陽電池的轉(zhuǎn)換效率和使用壽命，因此，缺陷檢測是太陽電池生產(chǎn)制造過程中的核心步驟。隨著光伏組件制造行業(yè)的迅速發(fā)展，檢測手段也越來越先進(jìn)，目前業(yè)內(nèi)廣泛采用電致發(fā)光(EL)來檢測組件的隱性缺陷[1]。為了提高組件的效率，本文主要研究組件電池片中常見的隱裂、黑片、斷柵、碎裂4種缺陷，分別從EL圖像和功率參數(shù)分析它們對組件產(chǎn)生的影響[2]。

1 EL測試原理

EL缺陷檢測是探知和監(jiān)控電池片因工藝或材料本身所導(dǎo)致缺陷的重要手段；通過EL圖像的分析可有效發(fā)現(xiàn)硅片擴(kuò)散、鈍化、印刷及燒結(jié)各個環(huán)節(jié)可能存在的問題，對改進(jìn)工藝、提高效率和穩(wěn)定生產(chǎn)都有重要的作用。因而，EL被認(rèn)為是太陽電池生產(chǎn)線的“眼睛”，目前也廣泛用于檢查光伏組件的隱性缺陷。

圖1 測試系統(tǒng)工作原理圖

EL技術(shù)原理是基于對晶體硅太陽電池外加正向偏置電壓，電源向太陽電池注入大量非平衡載流子，EL依靠從擴(kuò)散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，放出光子；再利用CCD相機捕捉這些光子，并通過計算機進(jìn)行處理后顯示出來，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)電池片中存在的問題。

處于導(dǎo)帶的電子是一個亞穩(wěn)態(tài)，最終會基于自身或在外界的激勵下躍遷到價帶，并與價帶中一個空穴復(fù)合，在復(fù)合過程中會釋放出一個光子，當(dāng)光子數(shù)量很多時就會形成EL圖像。

圖2 電子-空穴復(fù)合能帶模型圖

2 實驗

2.1 實驗方法

本次實驗采用水平對比的方法。選取已在戶外運行過的6塊多晶硅光伏組件，且這些組件均來自同一廠家的同一批次，背板、封裝材料及工藝等條件完全一樣；所有組件在測試最大功率時都已依照IEC 61215的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外觀檢測，無明顯缺陷[3]。實驗過程及條件保持完全一致，都采用Pasan 3A級瞬態(tài)太陽能模擬器記錄組件在STC狀態(tài)下的輸出功率，然后再進(jìn)行EL測試[4]。

圖3 測試桌面

2.2 實驗結(jié)果分析

組件功率測試結(jié)果見表1，EL圖像的結(jié)果如圖4所示。其中，1#為無明顯缺陷的組件，2#、3#為有隱裂缺陷的組件、4#為有斷柵缺陷的組件、5#為有黑片缺陷的組件、6#為有碎片缺陷的組件。由表1可知，1#組件功率最高，最接近組件的額定功率；6#組件的功率最低。綜上，下文分析全部基于1#組件。

表1 組件功率測試結(jié)果

圖4 光伏組件的隱性缺陷

2.2.1 隱裂和碎片缺陷帶來的影響

從EL測試結(jié)果可以看出，2#組件中電池片有明顯的隱裂，裂紋在EL測試下產(chǎn)生明顯的明暗差異的紋路(黑線)，且裂紋方向具有不確定性；而6#組件中電池片的隱裂情況較嚴(yán)重，從而引發(fā)局部碎片。

對比表1中的2#、6#與1#組件的性能參數(shù)可知，6#組件比2#組件功率低7 W左右，短路電流和開路電壓對比發(fā)現(xiàn)相差并不大，而并聯(lián)電阻相差較大，所以推測組件功率的明顯差異是由并聯(lián)電阻造成的，這也說明碎片比隱裂對組件的功率影響更大。

1)產(chǎn)生原因分析：由于硅片較薄且十分脆弱，在機械力或熱應(yīng)力作用時，易產(chǎn)生隱形裂紋，也可能是在焊接或搬運時受到外力作用。

2)影響：裂紋可能造成電池片部分損壞或電流的缺失，也會造成電池片橫貫的細(xì)柵線斷裂，從而影響電流的收集；在戶外使用時，裂紋可能會越來越嚴(yán)重，最后變成碎片，導(dǎo)致電性能的損失甚至開路，嚴(yán)重影響電池的使用壽命和可靠性。

圖5 2#組件中缺陷電池片EL圖像

圖6 6#組件中缺陷電池片EL圖像

2.2.2 斷柵缺陷帶來的影響

4#組件有斷柵缺陷，其成像特點是兩柵線之間出現(xiàn)豎直的紋路，而且斷柵處往往發(fā)光強度較弱或不發(fā)光。

對比表1中4#與1#組件的性能參數(shù)可知，4#組件的功率比1#組件低12 W左右，其余參數(shù)相差不大，但并聯(lián)電阻差得較大，故推測是并聯(lián)電阻導(dǎo)致的功率差異。

1)產(chǎn)生原因分析：可能是絲網(wǎng)印刷質(zhì)量不佳。

2)影響：不利于電流的收集，會降低組件的轉(zhuǎn)換效率。

圖7 4#組件中缺陷電池片EL圖像

2.2.3 黑片缺陷帶來的影響

5#組件有黑片缺陷，該缺陷特點是組件某個位置出現(xiàn)一塊或多塊電池全黑的現(xiàn)象。

圖8 5#組件中缺陷電池片EL圖像

對比表1中5#與1#組件的性能參數(shù)可知，有黑片的組件與正常組件功率相差15 W左右，并聯(lián)電阻相差也較大，因此推測是并聯(lián)電阻造成的功率差異。

1)產(chǎn)生原因分析：①組件焊接過程中造成的短路；②在組件層壓前混入低效電池片所造成；③硅片材料質(zhì)量差。

2)影響：組件功率和填充因子都會受到較大影響，黑片不對外提供功率，整塊組件輸出功率降低[5]。

為進(jìn)一步研究黑片的影響，選取3#和4#組件進(jìn)行PID試驗[6]。試驗條件為：將組件置于高溫高濕環(huán)境箱內(nèi)，并給組件內(nèi)部電路和邊框施加-1000 V電壓，持續(xù)96 h后停止，設(shè)置環(huán)境箱溫度為85 ℃，相對濕度為85%，試驗結(jié)果如圖9、圖10及表2、表3所示。

圖9 3#組件進(jìn)行PID試驗后EL圖像

圖10 4#組件進(jìn)行PID試驗后EL圖像

表2 3#組件試驗前后衰減對比

表3 4#組件試驗前后衰減對比

由以上結(jié)果分析可知，兩塊組件的邊緣都出現(xiàn)了多塊電池片黑片的情況，功率衰減較大，填充因子下降較多，同時串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻都增大，由于并聯(lián)電阻主要反映組件的漏電流水平，越大對組件越有益，所以猜想是串聯(lián)電阻增大造成的功率衰減[7]。4#組件的黑片數(shù)量更多，組件功率衰減也比3#組件大，說明黑片數(shù)量與組件的輸出功率正相關(guān)。

3 總結(jié)

對于光伏組件在生產(chǎn)制造、實驗室測試這兩個過程所觀察到的4種不同類型的缺陷，每種缺陷對組件的影響程度不同。從測試結(jié)果來看，碎片和黑片對組件的影響最大，主要原因在于這兩種缺陷對電池片造成了大面積破壞，致使電池片失效。

另外，EL圖像只是提供一種分析的手段，只能反映問題的存在，并不能反映問題本身。在使用和分析時，需要更多的經(jīng)驗積累和對各種問題原因的本質(zhì)分析，才能在發(fā)現(xiàn)問題時找到解決問題的方法。我們可以通過分析EL反映的問題，不斷改善光伏組件的制造生產(chǎn)工藝，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低組件次品率，以減少在生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的浪費，因此，EL技術(shù)對光伏組件的制造和檢測有重要的指導(dǎo)意義。

[1] 沈輝, 曾祖勤. 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005: 21－22.

[2] Green M A. Silicon Photovoltaic Modules : a brief history of the first 50 years [J]. Progress in Photovoltaics Research &Applications, 2005, 13 (5): 447－455.

[3] IEC 61215,“Crystalline Silicon Terrestrial Photovoltaic Modules-Design Quali fi cation and Type Approval”edtion2(61215)[S].

[4] 竇爭寶. 基于EL圖像的太陽能電池組件缺陷在線檢測研究[D]. 浙江: 浙江理工大學(xué), 2013.

[5] 龔海丹, 王國峰, 朱景兵. 晶體硅光伏組件EL檢測出的黑片缺陷失效分析[J]. 太陽能, 2015, (12): 26－31.

[6] 曾雪華, 張志根, 蔣建平. PID效應(yīng)及影響因素[J]. 太陽能,2013, (3): 25－30.

[7] 肖嬌, 徐林. 太陽電池缺陷EL檢測及電性能分析[J]. 上海計量測試, 2011, 38(3): 15－18.