最終穩(wěn)定試驗(yàn)對光伏組件濕熱試驗(yàn)結(jié)果的影響

王美娟 曹月娟 陳昊旻

【摘要】 基于IEC 61215—2：2021，對光伏組件進(jìn)行濕熱試驗(yàn)和最終穩(wěn)定試驗(yàn)，考察濕熱試驗(yàn)后靜置時(shí)間和施加機(jī)械應(yīng)力對最終穩(wěn)定試驗(yàn)后功率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：受硼氧光致衰減（BO-LID）缺陷的影響，本文中的組件在濕熱試驗(yàn)后發(fā)生較大的功率衰減，有的組件在靜置后功率會發(fā)生進(jìn)一步衰減，進(jìn)行最終穩(wěn)定試驗(yàn)可使組件功率明顯恢復(fù)，且功率恢復(fù)程度基本不受靜置時(shí)間或機(jī)械應(yīng)力的影響。

【關(guān)鍵詞】 光伏組件;濕熱試驗(yàn);最終穩(wěn)定試驗(yàn);功率

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2022.01.028

Influence of Final Stability Test on Damp Heat Test Results

of Photovoltaic Modules

WANG Mei-juan，CAO Yue-juan，CHEN Hao-min

（Wuxi Inspection，Examination&Certification Institute，Wuxi 214000，China）

Abstract： Based on IEC 61215—2：2021，damp heat test and final stability test are carried out on photovoltaic modules to investigate the effects of standing time and mechanical stress on the power after final stability. The test results show that under the influence of boron oxygen photoinduced attenuation（bo-lid）defects，the components in this paper have large power attenuation after damp heat test，and some components will further attenuate after standing. The final stability test can significantly restore the component power，and the degree of power recovery is basically not affected by standing time or mechanical stress.

Key words： photovoltaic modules;damp heat test;final stability test;power

作為設(shè)計(jì)使用壽命為二十年甚至三十年的產(chǎn)品，光伏組件的可靠性和耐久性一直受到廣泛關(guān)注。雖然組件的使用壽命取決于設(shè)計(jì)、運(yùn)行的環(huán)境和條件，生產(chǎn)方和使用方還是希望能有經(jīng)濟(jì)可靠的試驗(yàn)來驗(yàn)證組件的使用能力。國際電工委員會（IEC）出臺的IEC 61215系列標(biāo)準(zhǔn)和IEC 61730系列標(biāo)準(zhǔn)即針對在實(shí)驗(yàn)室條件下，通過合理設(shè)計(jì)的試驗(yàn)程序，全方位考察組件的可靠性、耐候性和安全性，以此來驗(yàn)證組件是否能夠在戶外長期運(yùn)行。其中，濕熱試驗(yàn)用于確定組件承受長期濕氣滲透的能力[1]，該測試用于驗(yàn)證光伏組件以及光伏原輔材料的長期可靠性，一直以來都是光伏材料選型、組件型式檢驗(yàn)的必做項(xiàng)目，受到光伏組件生產(chǎn)商及使用方的認(rèn)可。

隨著組件材料和生產(chǎn)工藝的升級，早期由于溫濕度作用使組件出現(xiàn)腐蝕、分層和濕氣入侵的失效情況基本已得到解決，但一些組件在濕熱試驗(yàn)后仍表現(xiàn)出明顯的功率下降，而這不是組件正常運(yùn)行時(shí)會發(fā)生的情況[2-3]。研究表明，在摻硼富氧直拉硅（Cz-Si）上制備的太陽能電池，存在硼氧（BO）相關(guān)的缺陷中心，使得電池在光照下效率下降，這種現(xiàn)象通常被稱為硼氧光致衰減（BO-LID）。濕熱可能會改變半導(dǎo)體缺陷的狀態(tài)，導(dǎo)致組件的性能明顯下降，其方式既不代表戶外行為，也與應(yīng)力試驗(yàn)針對的衰減機(jī)制無關(guān)[4]。為了更全面地處理具有BO-LID缺陷組件的穩(wěn)定問題，避免組件由于BO-LID缺陷狀態(tài)變化而使試驗(yàn)失敗，IEC 61215—2：2021中引入了最終穩(wěn)定試驗(yàn)方法——特定應(yīng)力穩(wěn)定（MQT 19.3 stress-specific stabilization—BO-LID），該試驗(yàn)可將導(dǎo)致硼氧光誘導(dǎo)降解的缺陷置于再生狀態(tài)，晶硅組件在濕熱試驗(yàn)后進(jìn)行該穩(wěn)定試驗(yàn)，可避免由于BO-LID缺陷而引起的試驗(yàn)失敗。

本文通過對濕熱試驗(yàn)及最終穩(wěn)定試驗(yàn)（MQT 19.3）后光伏組件的功率和電致發(fā)光（EL）圖像進(jìn)行分析，考察了靜置時(shí)間、機(jī)械應(yīng)力等對光伏組件功率恢復(fù)情況的影響。

1 試驗(yàn)方法

濕熱試驗(yàn)是在高溫高濕條件下模擬長時(shí)間濕氣對組件性能的影響。試驗(yàn)方法：組件在試驗(yàn)溫度（85±2） ℃，相對濕度（85±5）%的環(huán)境箱中放置（[1000+480]） h。

特定應(yīng)力穩(wěn)定是基于研究證明，通過照明或在高溫下施加正向偏置電壓注入過量載流子，BO-LID缺陷可以永久失活，即效率可以完全再生。試驗(yàn)方法：在環(huán)境箱中，使組件的溫度達(dá)到（80±5） ℃，對每個(gè)組件施加Isc±5%的電流（組件的正極連接到電源的正極，組件負(fù)極連接電源的負(fù)極），保持該條件（48±2） h。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇同一批次6塊P型Cz-Si PERC光伏組件，經(jīng)過初始穩(wěn)定后，組件功率為（381±1） W。本文設(shè)計(jì)了幾組對比試驗(yàn)，考察組件在濕熱試驗(yàn)1000 h（DH1000）、機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)及最終穩(wěn)定試驗(yàn)后的一系列表現(xiàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及流程見圖1。

3 試驗(yàn)過程與結(jié)果

3.1 DH1000后組件功率隨靜置時(shí)間及最終穩(wěn)定試驗(yàn)的改變

DH1000試驗(yàn)后，組件放置在室溫25 ℃左右的暗室內(nèi)靜置。靜置2周后，測試組件功率，再進(jìn)行最終穩(wěn)定試驗(yàn)。

1#和2#組件功率隨試驗(yàn)流程的變化見圖2。在DH1000試驗(yàn)后，1#和2#組件功率與初始功率相比，分別下降14 W和11 W。靜置2周后，1#組件功率沒有繼續(xù)發(fā)生大幅衰減，2#組件功率繼續(xù)下降約10 W。與初始功率相比，此時(shí)2#組件功率衰減達(dá)到5.5%。進(jìn)行最終穩(wěn)定試驗(yàn)后，兩塊組件最終功率回升至相近的功率水平，均恢復(fù)至初始功率的98.5%左右。可以看到，相同技術(shù)類型的組件，靜置對組件功率的影響程度是不同的。

電致發(fā)光（EL）可以通過電池發(fā)光強(qiáng)度顯示電流密度，是一種能夠反映組件性能變化的有效測試手段。我們對1#和2#組件在試驗(yàn)過程中進(jìn)行了多次EL測試，各EL圖像測試的條件相同，EL圖像見圖3和圖4。從圖3的EL圖像可見，與初始EL圖像對比，1#組件經(jīng)歷DH1000后，EL圖像亮度下降，出現(xiàn)明顯的明暗片，靜置后EL圖像基本保持不變，最終穩(wěn)定試驗(yàn)后EL圖像亮度回升，與功率先下降再升高的變化趨勢一致。從圖4的EL圖像可見，2#組件的EL圖像也同樣經(jīng)歷了亮度下降再回升的過程，與1#組件不同的是，2#組件DH1000后的靜置發(fā)生了明顯的功率下降，反映在EL圖像上，DH1000后的靜置使組件EL圖像也繼續(xù)變暗，明暗片之間的差異增大，這與功率的變化趨勢一致。

一塊組件內(nèi)若不同電池間EL圖像明暗不均勻，是因?yàn)殡姵刂g存在失配。有研究認(rèn)為[5]，每片電池的明暗程度除了與電流成正比外，還與單片電池的串聯(lián)電阻和開路電壓有關(guān)。1#、2#樣品，初始狀態(tài)下EL圖像一致性比較好，經(jīng)過DH1000試驗(yàn)后，組件出現(xiàn)了較為明顯的明暗片。可以認(rèn)為，各電池在經(jīng)過DH1000后，受BO-LID缺陷的影響程度不同，從而在同一塊組件內(nèi)，不同電池的性能不再與初始相近，而且在靜置過程中，BO-LID缺陷還會繼續(xù)改變電池的狀態(tài)。對于該種電池類型的組件，在DH1000后進(jìn)行最終穩(wěn)定試驗(yàn)非常有必要。

3.2 DH1000后不同靜置時(shí)間對功率結(jié)果的影響

3#、4#組件對比了DH1000試驗(yàn)后，組件靜置不同時(shí)間后再進(jìn)行最終穩(wěn)定試驗(yàn)對功率結(jié)果的影響。通過表1的數(shù)據(jù)可以看到，兩塊組件在DH1000后均有明顯功率下降，且靜置后組件功率還在進(jìn)一步下降。3#組件在DH1000結(jié)束1個(gè)月后進(jìn)行最終穩(wěn)定試驗(yàn)，4#組件在DH1000結(jié)束3個(gè)月后進(jìn)行最終穩(wěn)定試驗(yàn)。兩塊組件最終功率比較接近，即不同靜置時(shí)間間隔后，組件功率均能夠恢復(fù)到相似的水平，達(dá)到初始功率98%以上。可以認(rèn)為BO-LID缺陷能長期保持再生的能力。

3.3 最終穩(wěn)定試驗(yàn)進(jìn)行的順序?qū)ψ罱K功率的影響

為了綜合考察組件的壽命與可靠性，在IEC 61215系列標(biāo)準(zhǔn)中，DH1000后試驗(yàn)后還有機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)，如靜態(tài)機(jī)械載荷試驗(yàn)（LOAD）和冰雹試驗(yàn)，它們與DH1000共同組成一個(gè)完整的序列。為考察機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)對最終穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果的影響，本文對兩塊組件設(shè)計(jì)了一組對比試驗(yàn)，5#組件DH1000試驗(yàn)后2天后進(jìn)行最終穩(wěn)定，再過2天進(jìn)行靜態(tài)機(jī)械載荷試驗(yàn)（試驗(yàn)載荷為正面5400 Pa，背面2400 Pa）;6#組件DH1000試驗(yàn)后2天進(jìn)行靜態(tài)機(jī)械載荷試驗(yàn)（試驗(yàn)載荷為正面5400 Pa，背面2400 Pa），再過2天后進(jìn)行最終穩(wěn)定。兩塊組件的功率變化見圖4。

通過圖4的功率變化曲線可以看到，5#組件DH1000 后先進(jìn)行最終穩(wěn)定，再進(jìn)行靜態(tài)機(jī)械載荷試驗(yàn)的組件，功率變化比較平穩(wěn);6#組件DH1000后直接進(jìn)行靜態(tài)機(jī)械載荷試驗(yàn)，組件的功率大幅下降，與初始功率相比下降21 W，經(jīng)過最終穩(wěn)定后，功率回升。兩塊組件雖然試驗(yàn)序列不同，但是試驗(yàn)項(xiàng)目相同，最終的功率水平也比較接近，達(dá)到初始功率97%以上。在最終穩(wěn)定試驗(yàn)之前或是之后進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)，對組件最終功率影響不大。可以認(rèn)為，機(jī)械應(yīng)力不會影響由于BO-LID缺陷而發(fā)生衰減的功率再生。

4 試驗(yàn)結(jié)論

本文針對一種p型Cz-Si PERC光伏組件，研究了最終穩(wěn)定試驗(yàn)對DH1000后組件功率恢復(fù)的作用：1）組件功率恢復(fù)情況不受靜置時(shí)間長短的影響，最終穩(wěn)定試驗(yàn)后組件功率均可回升至初始功率98%以上;2）組件功率恢復(fù)程度不受試驗(yàn)順序的影響，DH1000后在應(yīng)力試驗(yàn)之前或之后進(jìn)行最終穩(wěn)定試驗(yàn)，組件功率的回升程度均可達(dá)到97%以上。

需要注意的是，最終穩(wěn)定試驗(yàn)解決的是由于BO-LID缺陷帶來的功率下降，若經(jīng)過濕熱試驗(yàn)后組件中材料發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化，最終穩(wěn)定對該類組件功率的恢復(fù)沒有明顯幫助。另外，IEC 61215—1：2021標(biāo)準(zhǔn)中說明[6]，由于不同電池中BO-LID缺陷狀態(tài)不同，也可能會出現(xiàn)DH1000后組件功率明顯提升的情況，期待在未來的研究中解決這一現(xiàn)象。

【參考文獻(xiàn)】

[1] IEC 61215-2：2021Terrestrial photovoltaic（PV）modules-Design qualification and type approval-Part 2：Test procedures[S].

[2] Fabian Fertig，Juliane Broisch，etc.，Stability of the regeneration of the boron–oxygen complex in silicon solar cells during module certification[J].Solar Energy Materials & Solar Cells，2014（121）：157-162.

[3] Friederike Kersten，F(xiàn)elix Frühauf，etc.，Stability investigations of Cz-PERC modules during damp heat testing and transport：the impact of the boron-oxygen defect[A].SiliconPV，2019，the 9th International Conference on Crystalline Silicon Photovoltaics，090001-1-6.

[4] Tim Niewelt，Jonas Schon，etc.，Degradation of Crystalline Silicon Due to Boron?Oxygen Defects[J].IEEE Journal of Photovoltaics，2017（1）：1-17.

[5] 張志敏，劉苗，許志衛(wèi)，等.PERC單晶硅光伏組件EL明暗不均的研究[J].太陽能，2019（9）：36-39+79.

[6] IEC 61215-2：2021Terrestrial photovoltaic（PV）modules-Design qualification and type approval-Part 1：Test requirements[S].

【作者簡介】

王美娟，女，1986年出生，工程師，碩士，研究方向?yàn)楣夥a(chǎn)品檢測及認(rèn)證。