碲化鎘薄膜電池組件在高寒高海拔地區適應性研究

齊鵬飛 王萬領 王焜 胡華毅 楊萬

（1.中山瑞科新能源有限公司 中山 528437；2.青海省創業發展孵化器有限公司 西寧 810000；3.青海明陽新能源有限公司 西寧 817000）

0 引言

中國的太陽能資源十分豐富，超過60%的地區年日照超過2200 h，年輻照總量為3340～8360 MJ/m2。特別是我國西部高原，如二類地區青海，年輻照總量為5400～6700 MJ/m2［1］，是我國發展光伏清潔能源的優選地區。然而，這些高寒高海拔地區通常氣壓低、紫外線強、冬季氣溫很低，如青海南部、藏北平原的極端最低氣溫都平均在-17.5 ℃以下［2］，這種高寒及高紫外環境易導致部分光伏組件出現電極腐蝕及電極處EVA黃變、柵線斷裂、背板嚴重粉化、背板減薄導致支撐力減弱［3］等問題。

碲化鎘太陽能電池具有吸收系數高、弱光效應好［4］、熱斑效應小［5］、透光均勻等優勢，非常適合在光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic，簡稱BIPV）上應用。在建筑上應用的碲化鎘薄膜電池組件相對地面光伏組件的要求更加嚴格，特別是在高寒高海拔地區，由于晝夜溫差大、白天日照強等環境因素導致玻璃的自爆率提高，熱脹冷縮導致的材料不匹配等現象，曾有調查全美有30%的光伏組件因外界環境應力而發生失效［6］。再加上國內的主流市場為晶硅市場，對碲化鎘薄膜電池組件的研究相對較少。因此，研究碲化鎘薄膜電池組件在高寒高海拔地區適應性具有重要的意義。本文主要對3種導電膠帶分別制備成的碲化鎘薄膜電池組件進行熱循環、濕熱等測試，研究碲化鎘薄膜電池組件中導電膠帶失效的原因，為降低碲化鎘薄膜電池組件在高寒高海拔地區失效的風險提供參考依據。

1 試驗

1.1 試樣設計

本實驗所設計的試樣分為2種，第1種是測試導電膠帶與碲化鎘電池背電極之間的接觸電阻試樣，1#、2#、3#導電膠帶各制備成為1片，共3片；第2種是測試1#、2#、3#導電膠帶制備成的碲化鎘薄膜電池組件在高溫高濕、高低溫下的功率衰減測試及電致發光測試，共計12片。

第1種與第2種試樣的結構相同（圖1），但碲化鎘電池的布線方式不同，如圖2、圖3所示。

圖1 試樣結構示意

圖2 第1種試樣碲化鎘電池布線示意

圖3 第2種試樣碲化鎘電池布線示意

圖1中前板玻璃和背板玻璃采用均質處理后的超白鋼化玻璃，尺寸為600 mm×1200 mm×5 mm；封裝膠膜為光伏級PVB 膠膜，尺寸為600 mm×1200 mm×1.52 mm；碲化鎘電池為玻璃基的碲化鎘電池，尺寸為600 mm×1200 mm×3.2 mm。

在圖2和圖3中，子電池的寬度為8 mm，導電膠帶的寬度為5 mm，厚度為0.05 mm，鍍錫銅帶的寬度為5 mm，厚度為0.15 mm。圖2中的1～8均表示導電膠帶，各段導電膠帶等長，導電膠帶的長度為50 mm，導電膠帶之間的間隔為40 mm，導電膠帶與膜面的接觸面積為5 mm×5 mm。

1.2 測試方案

為了測試導電膠帶與碲化鎘電池背電極的接觸電阻受溫度的影響程度，對3種導電膠帶利用同樣的高壓釜封裝工藝（135 ℃，1.2 MPa，保溫40 min）制備成第1種試樣后放置在85 ℃的型號為XHM0-512-3A退火爐中保持1000 h，出爐后冷卻到室溫。測試封裝前、放入退火爐前、出退火爐后的3種導電膠帶接觸電阻的變化。按照TLM法，測試各段電阻隨距離變化的各點的R1-2、R1-3、R1-4.....R1-8電阻，擬合出直線，計算出接觸電阻。

為了測試碲化鎘薄膜電池組件承受長期濕氣滲透的能力，根據IEC 61215－2016標準，選取3種導電膠帶采用高壓釜工藝（135 ℃，1.2 MPa，保溫40 min）制備成第2種碲化鎘薄膜電池組件試樣各2片，經過入箱前的最大功率等測試，再放入實驗箱進行濕熱測試，即放入溫度為85 ℃、濕度為85%、型號為PVH150-1-1.5-WC-X 的濕熱（Damp heat簡稱DH）試驗箱中，保持時間1048 h，然后比較入箱前后3種導電膠帶制備的發電玻璃的電性能等變化。

為了測試發電玻璃承受溫度重復變化而引起的熱失配、疲勞和其它應力的能力，根據IEC 61215－2016，選取3種導電膠帶采用高壓釜工藝（135 ℃，1.2 MPa，保溫40 min）制備成第2種碲化鎘薄膜電池組件試樣各2片，經過入箱前的最大功率等測試，再放入實驗箱進行熱循環（Thermal cycling簡稱TC）測試。將其放入低溫為-40 ℃、高溫為+85 ℃、型號為PVH150-2-1.5-WC-X的熱循環試驗箱中，進行200次循環測試。循環曲線如圖4所示，并在-40、+80～+85、+85、+85～+25 ℃溫度段通入電流為小于1%Imax，在-40～+80 ℃溫度段通入電流為100%Imax，然后比較入箱前后3種導電膠帶制備的發電玻璃的電性能等變化。

圖4 在熱循環測試中溫度隨時間變化曲線

為了測試碲化鎘薄膜電池組件試驗后的缺陷，把經過熱循環和濕熱測試后的發電玻璃進行EL測試，EL測試時在碲化鎘薄膜電池組件的正負極加入正向偏置電壓，采用DC POWER SUPPLY LW-2005KD直流源，電壓范圍為1.0～1.2Voc，電流范圍為1.0～1.2Isc，采用Nikon紅外相機觀察發電玻璃的缺陷情況。

2 試驗結果與分析

2.1 干熱條件下導電膠帶的接觸電阻測試結果與分析

經測試后3種導電膠帶在封裝前、封裝后、封裝后在退火爐中85 ℃保溫1000 h或73 h后各個階段的導電膠帶間的電阻與導電膠帶間距的對應值如表1所示。

從表1中可以看出，2#導電膠帶、1#導電膠帶在溫度85 ℃保持1000 h后出現部分導電膠帶與背電極之間接觸電阻達到了MW級，而3#導電膠帶在溫度85 ℃保持73 h后部分出現了類似的情況，這說明導電膠帶與背電極已經脫離。

表1 在不同階段導電膠帶間的電阻值

TLM法采用由相互平行的形狀相同、間距不等的矩形電極組成的圖案來測量接觸電阻。電流被限制在平行電極之間流動，任意兩電極之間的電阻R可表示為［7］：

式中：Rc——電極與半導體的接觸電阻；

Rsh——電極間半導體的薄層方塊電阻；

Z——電極長度；

S——電極間的間距。

從式（1）中可以看出，兩個電極之間的電阻R與電極間距S呈線性關系。2Rc為R與S對應點擬合的直線在R軸上的截距。根據TLM法，圖5、圖6、圖7分別為1#、2#、3#導電膠帶各段之間的電阻R隨電極間距變化的曲線，虛線為擬合出函數R與自變量S的直線關系。

從圖5、圖6、圖7擬合出函數R與自變量S的直線中得到R軸的截距，計算后各導電膠帶的接觸電阻見表2。

表2 在不同階段三種導電膠帶與背電極接觸電阻 W

圖5 1 #導電膠帶各段之間的電阻及擬合直線

圖6 2 #導電膠帶各段之間的電阻及擬合直線

圖7 3 #導電膠帶各段之間的電阻及擬合直線

每種導電膠帶在封裝前、封裝后和在85 ℃退火一段時間后的接觸電阻依次先減小后增大。封裝后接觸電阻變小，是由于在溫度和壓力的作用下，導電膠帶的導電粒子受擠壓，充分與發電玻璃的背電極接觸形成良好的通路。封裝后放入85 ℃的退火爐中一定時間后，接觸電阻變大，這可能與導電膠帶在85 ℃與室溫下與背電極的粘結強度有關。

2.2 濕熱測試結果與分析

由1#、2#、3#導電膠帶分別制備成碲化鎘薄膜電池組件，各取2片，分別放入溫度為85 ℃、濕度為85%的試驗箱中保持1048 h（DH1048），測試結果如表3所示。

表3中，DPm/Pm是碲化鎘薄膜電池組件經過試驗箱后的功率衰減，即DPm/Pm＝（Pmax1-Pmax2）/Pmax1，Pmax1為入箱前發電玻璃的最大功率，Pmax2為出箱后發電玻璃的最大功率。從表3中看出，樣品1#-1、1#-2在DH1048 后，功率衰減分別為8.09%、10.60%；樣品2#-1、2#-2在DH1048 后，功率衰減分 別 為2.89%、3.88%；樣 品3#-1、3#-2在DH1048后，功率衰減分別為2.57%、3.55%。樣品1#-1、1#-2的功率衰減大于5%，不滿足IEC 61215－2016對光伏組價在DH1048后功率衰減小于5%的標準。

表3 濕熱測試前后3種導電膠帶制備的碲化鎘組件樣品電性能數據

為了進一步了解造成樣品1#-1、1#-2在DH1048后功率衰減過大的原因，對1#-1、1#-2樣品進行了EL測試，測試結果見圖8、圖9。

圖8 樣品1 #-1 的EL圖

圖9 樣品1 #-2 的EL圖

從圖8、圖9可以看出，DH0 短邊的貼敷導電膠帶的EL圖比DH1048 短邊的貼敷導電膠帶的EL圖更亮。圖8、圖9中的DH1048短邊邊緣出現的暗區較為嚴重，這與晶硅的虛焊十分相似［8］。說明1#樣品中的導電膠帶與碲化鎘電池的背電極接觸不良而導致陰影暗區。由于PVB膠膜相對其它膠膜如SGP，EVA吸水率較高，樣品長期在濕熱試驗箱中，會導致PVB的粘結強度下降［9］，在溫度及濕度的影響下導電膠帶吸收水汽后變形彎曲［10］，導電膠帶與碲化鎘電池的背電極脫離，從而導致導電膠帶失效。

對樣品2#-1、2#-2、3#-1、3#-2進行EL測試，測試結果如圖10～圖13所示。

從圖10～圖13可以看出，短邊貼敷導電膠帶在DH0，DH1048均未出現暗區，說明導電膠帶與碲化鎘電池背電極接觸良好。

圖10 樣品2 #-1 的EL圖

圖11 樣品2 #-2 的EL圖

圖12 樣品3 #-1的EL圖

圖13 樣品3 #-2 的EL圖

2.3 熱循環測試結果與分析

為了確定發電玻璃承受由于溫度重復變化而引起的熱失配、疲勞和其他應力的能力，對由1#、2#、3#導電膠帶分別制備成的BIPV發電玻璃（結構如圖1）各取2片，分別放入TC試驗箱中進行200次循環的測試，測試結果如表4所示。

表4 在熱循環測試前后3種導電膠帶制備的碲化鎘組件樣品電性能數據

從表4中可以看出，樣品1#-3、1#-4、3#-3、3#-4組件經過TC200后，功率衰減超過了10%，超過了IEC 61215—2016對光伏組件在TC200后功率衰減小于5%的標準。樣品2#-3、2#-4經過TC200后，樣品功率衰減在5%以內。通過對3種導電膠帶制備的組件樣品在TC200前后的EL測試可以看出，功率衰減超過10%的樣品1#-3、1#-4、3#-3、3#-4四個樣品在TC200前后出現了類似樣品2#-1、2#-2、3#-1、3#-2的問題，如樣品1#-3的TC0和TC200的EL圖，如圖14所示。而功率衰減小于5%的樣品2#-3、2#-4的在TC200前后的EL圖與2#-1、2#-2、3#-1、3#-2的DH1000的前后EL圖類似，如樣品2#-3的TC0和TC200的EL圖，如圖15所示。這說明導電膠帶樣品1#、3#在TC測試的過程由于高低溫的周期性變化，導致導電膠帶的彈性變差，其與背電極的接觸性變差。

圖14 樣品1 #-3 的EL圖

圖15 樣品2 #-3 的EL圖

3 結論

通過1#、2#、3#導電膠帶接觸電阻及高效碲化鎘薄膜電池組件經過DH1048、TC200功率及EL測試，得出：

（1）1#、2#、3#導電膠帶封裝前、封裝后、保溫85 ℃接觸電阻先減小后增大，這表明在一定熱壓的作用下，導電膠帶與碲化鎘電池背電極的接觸良好，但在溫度的作用下，導電膠帶與背電極的接觸變差。

（2）1#、2#、3#導電膠帶制備的碲化鎘薄膜電池組件在濕熱條件下可能會導致1#導電膠帶吸水，與背電極接觸變差，熱循環導致1#、3#導電膠帶彈性變差，與背電極接觸變差。這些導電膠帶與背電極接觸性變差直接影響到高效碲化鎘薄膜電池組件的功率衰減超過5%。所選的2#導電膠帶制備的碲化鎘薄膜電池組件在經過濕熱測試、熱循環測試后功率衰減均小于5%。