電流連續性監控對PERC單晶硅光伏組件環境試驗結果的影響研究

胡超杰

(南京航空航天大學，南京 210000)

0 引言

光伏組件工作在戶外，運行環境較為惡劣，因此為保證光伏組件長期使用過程中的可靠性，國際電工委員會發布了IEC 61215-2: 2016標準[1]，制定了光伏組件需要進行并達到一定要求的測試，并得到了光伏行業的普遍認可。各大光伏組件生產商都會在第三方檢測認證機構獲得作為各自產品質量的證明。IEC 61215-2: 2016標準中包含了一系列針對光伏組件的測試，通過試驗模擬光伏組件的初始光致衰減、光伏組件材料老化衰減，以及由外界環境或破壞性因素導致的光伏組件輸出功率衰減[2]，能在相對較短的時間內測試得到光伏組件的質量及可靠性，并可為后續的新工藝及新材料提供參考。

根據IEC 61215-2: 2016標準，為避免試驗過程中某一時段內部電路出現斷路，但一定時間后又恢復導通的情況出現，部分試驗要求對光伏組件內部電路的連續性進行監控，稱為“電流連續性監控”。具體的監控方式為：在試驗過程中將光伏組件的正極端子接到直流電源的正極，負極端子接到直流電源的負極，給光伏組件施加一個持續的電流，并對此電流進行監控，以監控光伏組件內部電路是否存在斷路情況。結合筆者長期的光伏組件測試工作發現：試驗過程中是否進行電流連續性監控對光伏組件最終的輸出功率衰減存在較大影響。

目前，國內外研究主要是針對不同光伏組件材料或太陽電池經過IEC 61215-2: 2016部分試驗后的表現情況，但對試驗條件本身的研究較少。本文針對IEC 61215-2: 2016標準中部分試驗對光伏組件內部電路連續性有要求，研究了電流連續性監控時的電流對環境試驗(濕熱試驗與濕凍試驗)結果的影響，并設計了一套測試方案。期望研究結果可為今后研究PERC單晶硅光伏組件的輸出功率衰減提供參考，并可為晶體硅光伏組件測試標準的制定提供依據。

1 電流連續性監控對環境試驗結果影響的測試方案設計

1.1 測試方案具體內容

本文以p型PERC單晶硅太陽電池封裝而成的單玻PERC單晶硅光伏組件(下文簡稱為“PERC單晶硅光伏組件”)為例進行測試，從同一批次中選取4塊PERC單晶硅光伏組件(編號為1#～4#)。本研究針對IEC 61215-2: 2016標準中的濕熱(DH)試驗和濕凍(HF)試驗，分別對進行與不進行電流連續性監控情況下的光伏組件DH250試驗和HF10試驗進行測試，電流連續性監控的通電電流為0.05 A。標準中，DH試驗的試驗條件為：85 ℃、85%RH、1000 h；為了進行對比，本文選擇接近HF10試驗的試驗時間，即250 h；標準中該試驗沒有進行光伏組件的電流連續性監控的要求。HF試驗的試驗條件為：從初始溫度升溫至85 ℃、85%RH，保持至少20 h，再降溫至-40 ℃，保持至少0.5 h，再升溫至初始溫度，此為1個循環；共進行10個循環；標準中要求對該試驗進行光伏組件的電流連續性監控。本測試方案中不同光伏組件進行的具體試驗如表1所示。

表1 不同光伏組件進行的具體試驗方案Table1 Specific test schemes for different PV modules

整個測試開始前，先對PERC單晶硅光伏組件進行最大輸出功率測試及電致發光(EL)檢測；測試結束后再對這4塊光伏組件進行最大輸出功率測試及EL檢測；然后對比PERC單晶硅光伏組件測試前、后的輸出功率衰減及EL的變化。

1.2 測試方案設計思路

本文提出的測試方案的設計思路是從已完成的大量試驗結果中得出，IEC 61215-2: 2016標準中進行電流連續性監控的試驗有HF10試驗及靜態機械載荷(SML)試驗。其中，根據IEC 61215-2: 2016的測試序列，是先經過DH1000試驗后再進行SML試驗，這部分光伏組件和經過HF10試驗的光伏組件一樣，常出現較大的輸出功率衰減，且光伏組件EL圖像會出現明顯的明暗不均現象；而直接進行SML試驗的光伏組件則不會出現此類現象。所以推測該現象與SML試驗無關。

因此，本文的測試方案設計直接在DH250試驗和HF10試驗過程中進行通電和不通電的對比試驗，從而確定試驗過程中電流連續性監控的存在是否會對試驗后光伏組件的輸出功率衰減產生影響。

2 結果與討論

根據表1中設計的測試方案，4塊PERC單晶硅光伏組件根據不同試驗項目和要求分別進行測試，測試后4塊PERC單晶硅光伏組件的輸出功率衰減情況如表2所示。

表2 測試后4塊PERC單晶硅光伏組件的功率衰減情況Table 2 Output power degradation of four PERC mono-silicon PV modules after test

從表2的測試結果很容易看出，同批次的光伏組件進行同樣的試驗時，進行電流連續性監控的光伏組件的輸出功率衰減率會明顯大于不進行電流連續性監控的光伏組件。

對4塊PERC單晶硅光伏組件測試前、后的電性能參數進行對比，具體如表3所示。

表3 4塊PERC單晶硅光伏組件測試前、后的電性能參數對比Table 3 Comparison of electrical performance parameters of four PERC mono-silicon PV modules before and after test

根據表3的數據，對進行相同試驗的1#光伏組件與2#光伏組件進行對比，二者測試后的短路電流Isc的變化幅度相當接近，但二者測試后開路電壓Voc的變化幅度不同，導致光伏組件輸出功率衰減率差異明顯；3#、4#光伏組件的對比結論與此相似。由此可以看出，在環境試驗時進行電流連續性監控會對光伏組件的Voc造成影響，導致光伏組件出現更大的輸出功率衰減。

對4塊PERC單晶硅光伏組件測試前、后的EL圖進行對比，具體如圖1～圖4所示。

圖1 1#光伏組件測試前、后的EL圖Fig. 1 EL images of 1# PV module before and after test

圖2 2#光伏組件測試前、后的EL圖Fig. 2 EL images of 2# PV module before and after test

圖3 3#光伏組件測試前、后的EL圖Fig. 3 EL images of 3# PV module before and after test

圖4 4#光伏組件測試前、后的EL圖Fig. 4 EL images of 4# PV module before and after test

從圖1～圖4可以看出：4塊PERC單晶硅光伏組件在測試前均無明顯缺陷；經過測試后，未進行電流連續性監控的光伏組件的EL圖像變化不大，而進行電流連續性監控的光伏組件的EL圖像出現了明顯的明暗片現象。EL圖像出現明暗片說明進行電流連續性監控的PERC單晶硅光伏組件出現了更大的輸出功率衰減。

對于上述現象，很容易聯想到IEC 61215-2: 2016標準中的熱循環試驗，該試驗的目的是確定光伏組件承受因溫度重復變化而引起的熱失配、疲勞和其他應力的能力。熱循環試驗過程中同樣需要對光伏組件施加電流，該電流值在試驗升溫階段等于Impp值，在其余階段為1%的Impp值。由于目前的PERC單晶硅光伏組件的Impp值都在9 A以上，根據工作經驗，該值比電流連續性監控的通電電流0.05 A大了至少180倍，但熱循環試驗后PERC單晶硅光伏組件很少出現輸出功率衰減增大、EL圖像出現明暗片的現象。

對IEC 61215-2: 2016標準中3個環境試驗的試驗條件進行對比。DH試驗的測試條件為恒溫85 ℃、恒濕85%RH；HF試驗與熱循環試驗的試驗條件分別如圖5、圖6所示。

圖5 HF試驗的試驗條件Fig. 5 Test conditions of humidity-freeze test

圖6 熱循環試驗的試驗條件Fig. 6 Test conditions of thermal cycle test

結合DH試驗及圖5和圖6中的試驗條件可以看出，3個試驗的濕度條件存在差異，即PERC單晶硅光伏組件在環境試驗時承受電流并不一定會出現測試后EL圖像明暗不均與輸出功率衰減較大的現象，造成此類現象需要在試驗時存在濕氣的條件。也就是說，電流連續性監控對有濕度條件的環境試驗的結果存在影響。

此次測試選用的PERC單晶硅光伏組件均為常規的單玻PERC單晶硅光伏組件，該類光伏組件采用的背板都會出現一定的透水情況，在高溫、高濕的環境下，水汽必定會進入光伏組件內部，從而接觸到太陽電池。此時，如果太陽電池處于通電狀態，就可能會使光伏組件內部出現漏電流通道，從而使光伏組件產生較大的輸出功率衰減。在高溫、高濕的環境下也有可能出現類似LeTID衰減的現象，目前對LeTID衰減主流的測試條件是溫度為75 ℃、測試電流值為Isc-Impp，但在實驗室多次LeTID測試后，這些光伏組件并未出現明顯的輸出功率衰減現象，可能在增加濕度后會更容易產生LeTID衰減，因此這一結論還需要更多測試數據的支持。

3 結論

基于IEC 61215-2: 2016標準中部分試驗過程中有電流連續性監控的要求，本文設計了一套測試方案，對電流連續性監控對PERC單晶硅光伏組件環境試驗結果的影響進行了研究。研究表明，在PERC單晶硅光伏組件進行環境試驗時施加電流連續性監控會影響其測試后的輸出功率，且與未進行電流連續性監控的PERC單晶硅光伏組件表現出不同的衰減機理。

目前IEC 61215-2: 2016標準是光伏組件的形式試驗標準，各大光伏組件生產商及第三方檢測認證機構都會參考該標準制定測試序列進行測試，但是光伏組件的輸出功率衰減機理非常復雜，濕氣加上電流的共同作用對光伏組件的輸出功率衰減有很大的影響。因此，在濕凍試驗和靜態載荷試驗過程中監控光伏組件內部電路連續性的要求是否合理，還需要進行長期研究，對測試數據進行積累，以此為光伏行業的發展提供有力的支持。