抗隱裂光伏組件的研究與應用

楊曉君，任現坤*，韓玉杰，陳沖

(1.山東力諾太陽能電力股份有限公司，山東 濟南 250103；2.山東力諾光伏高科技有限公司，山東 濟南 250103)

晶體硅光伏組件在使用過程中會出現電池片隱裂、破片等問題，會大為降低光伏組件的發電性能[1-2]。中山大學的孫曉等[3]對該現象做了詳細的研究，通過對安裝在我國海南省一光伏電站上組件的失效問題進行統計分析，得出了組件常見的缺陷問題及占比，如表1所示。由數據可以看出，光伏組件的隱裂問題占比較大，達到23.6%。光伏組件隱裂問題的出現，不僅影響到光伏電站的發電量，而且會形成“熱斑效應”，影響光伏組件的使用壽命[4]。因此，光伏組件制造商亟需提升產品性能來改善此問題。

表1 光伏電站組件外觀缺陷統計

隱裂是晶體硅光伏組件生產過程中的一種常見的問題，主要是指光伏組件封裝后內部的電池片出現微小裂紋的現象，這種現象沒有辦法用肉眼分辨[5]。李長嶺等[6]研究了隱裂對光伏組件性能的影響，發現組件的隱裂問題，會造成光伏組件的功率損失，一般情況下，裂紋對組件電性能的影響小，而裂片對組件功率損失非常大。在光伏組件使用時，電池片出現的微小裂紋在外力的作用下逐步放大，進而影響光伏組件的發電性能和使用壽命[7-9]。常見的組件隱裂分為線狀隱裂、叉狀/網狀隱裂等，不同隱裂類型的EL測試圖如圖1所示。

(a)線狀隱裂 (b)網狀隱裂

本文主要針對光伏組件出現的隱裂問題，從組件封裝材料互聯條和鋁邊框結構等方面進行了實驗，驗證了不同互聯條拉伸比例、互聯條彎折和鋁邊框加橫梁等條件對光伏組件中電池片隱裂的影響，提出了提升組件抗隱裂性能的方案。

1 實驗方案

1.1 實驗材料及儀器

實驗中使用的設備有全自動串焊機(CH56型，寧夏小牛自動化設備有限公司)；EL檢測機(EL-Z4 Plus，沛德光電科技(上海)有限公司)。實驗材料分別是太陽能組件(1650 mm×992 mm×35 mm，山東力諾光伏高科技有限公司)；互聯條(0.25 mm×0.9 mm，蘇州賽歷新材料科技股份有限公司)；鋁邊框(結構如圖1所示，濟南桑尼光優科技有限公司)。

圖2 光伏組件用鋁邊框結構圖

1.2 實驗方案

本文針對光伏組件的封裝工藝和鋁邊框結構進行實驗，分別研究了互聯條拉伸比例、互聯條彎折、鋁邊框加橫梁對組件隱裂的影響。具體方案如下：

實驗1：為了保證光伏組件焊接質量，全自動焊接機在焊接前需要對互聯條進行拉伸[10]，一般行業內互聯條的拉伸比例在0.5%～1.0%。為了驗證不同拉伸比例對組件隱裂的影響，本文把串焊機的互聯條拉伸比例分別設定為0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%，采用同一臺設備按照每個實驗條件生產1000板組件，統計層壓前隱裂數據。

實驗2：采用0.7%的互聯條拉伸比例，對比組件和實驗組件中的互聯條工藝分別按照圖3(a)、(b)所示結構進行封裝。

圖3 互聯條有無彎折示意圖

實驗3：實驗組光伏組件背面長鋁邊框的中間位置增加一橫梁，如圖4所示，對比組無橫梁。

圖4 鋁邊框加橫梁組件實拍圖

對實驗2和實驗3的光伏組件進行負載質量測試，如圖5所示，實驗時在光伏組件的中心位置加載不同質量的負載，選定標識兩側電池片為實驗區域,加載不同質量的負載，負載質量從20 kg加到90 kg，步長10 kg。每次實驗后測試組件EL，統計不同負載下組件中新增電池片隱裂數量及位置，不同實驗組進行多次實驗，取最大極限值進行對比。

圖5 負載質量測試實驗示意圖

2 結果分析

2.1 互聯條拉伸比例對光伏組件隱裂的影響

互聯條在使用時需要進行拉伸以保證其垂直度和平整性。圖6給出了實驗1不同互聯條拉伸比例下光伏組件生產過程中的隱裂情況，從圖中可以看出，0.7%的拉伸比例下組件隱裂率最低。這是因為在0.5%的拉伸比例下，互聯條的厚度比其他拉伸比例略大，較厚的互聯條在與電池片焊接時產生較大的應力，這種作用力會造成電池片出現壓隱裂；而隨著拉伸比例增加，互聯條變薄，其橫截面積也逐漸減小，互聯條造成隱裂的作用力減弱，光伏組件隱裂率降低[11]。隨著拉伸比例的增加，焊接后互聯條回拉力逐漸加大，并造成光伏組件出現隱裂。由此可見，串焊機設置合適的互聯條拉伸比例可以改善光伏組件生產過程中電池片的隱裂率。

圖6 互聯條拉伸比例對光伏組件隱裂率的影響

2.2 互聯條彎折對光伏組件隱裂的影響

圖7給出了實驗2互聯條有彎折和無彎折光伏組件在不同負載質量時組件中電池片的隱裂數量。從圖中可以看出，當負載質量達到30 kg及以上時，互聯條有彎折組件中電池片的隱裂數量要低于互聯條無彎折組件。這是因為光伏組件受到外力作用時，電池片間的互聯條可以分解電池片上互聯條產生的應力。而電池片間互聯條長度有彎折組件略大于無彎折組件，當光伏組件所受外力達到一定程度時，相對于無彎折組件，有彎折組件中電池片間的互聯條可以分解更多電池片上的應力，從而減少了電池片的隱裂數量。所以，互聯條彎折有助于減少光伏組件受壓時電池片的隱裂率。

圖7 有無互聯條彎折對組件隱裂的影響

2.3 鋁邊框加橫梁對光伏組件隱裂的影響

實驗3驗證了光伏組件鋁邊框有無橫梁對組件隱裂性能的影響，實驗數據如圖8所示。從圖中可以看出，在同樣的負載質量下，有橫梁組件中電池片的隱裂數量明顯低于無橫梁組件。在光伏組件的中心位置增加抗壓橫梁，可以明顯降低組件中心區域受外力作用時的彎曲形變量，提高組件的機械強度，降低組件在中心位置受外力作用時的電池片的隱裂率。另外，根據光伏組件中電池片出現隱裂的位置發現，隱裂的電池片集中在橫梁區域，這主要是因為當外力作用于橫梁上方時，在橫梁與組件的接觸區域產生較大的剪切力，造成了該區域電池片的隱裂。

圖8 不同鋁邊框對組件隱裂的影響

3 結論

本文主要研究了降低光伏組件隱裂的方法，針對組件用互聯條和鋁邊框結構進行了實驗驗證，得出了以下結論：設置合適的互聯條拉伸比例、增加電池片間互聯條的長度以及增加組件的機械強度均有助于降低光伏組件中電池片在受外力作用時的隱裂率，提升組件的可靠性能。通過實驗發現最優的工藝方案為互聯條拉伸比例為0.7%，互聯條彎折和組件用長鋁邊框的中間位置加一條橫梁。