10001274_对比分析不同气候地区运行的晶体硅组件衰减

对比分析不同气候地区运行的晶体硅组件衰减 韩会丽 1,2，严欢 1，王学孟 2，沈辉 1,2 1 中山大学，广州 510275；2. 顺德中山大学太阳能研究院，佛山 528300 摘要本文分别对在深圳湿热地区和敦煌干热地区运行了 21 年的两批晶体硅组件的性能衰减进行了分析。 深圳地区组件由于受到海边湿度大以及盐雾腐蚀的影响，其平均最大功率衰减为 24.62。而敦煌地区组 件由于受到当地风沙载荷和昼夜高低温循环的影响，其平均最大功率衰减为 7.29。经数据分析发现导致 两批组件功率衰减的主要原因均是填充因子的下降，但是导致填充因子下降的失效模式不同。深圳组件的 失效模式主要为电池栅线腐蚀和焊接失效，而敦煌组件的失效模式主要为电池片的隐裂和破裂。 关键词晶体硅组件，功率衰减，填充因子，失效模式 1 研究背景及内容 光伏产业在过去40年中不断增长，年销售额超过1000亿美元。2017年度全球光伏系统装机容量为102 GW，与2016相比增长约37 。随着光伏发电技术的大规模应用，使得光电与其他能源的竞争愈发地激烈， 而光伏组件的可靠性、老化速率和使用寿命已经成为计算太阳能发电成本（LCOE）的重要因素。为了使 光伏组件的发电效率和寿命达到要求甚至更高，对组件在典型气候条件下的可靠性研究以及气候和环境因 素对组件的衰减机制的研究也是非常重要的。近年来，有大量的研究报告分析评估了光伏组件在不同气候 条件下长期使用后的性能衰减情况 [1-6]。同样也有研究分析总结了光伏组件封装材料的老化衰减机理 [7,8]。 这些研究表明，组件功率的衰减和运行环境以及封装材料衰变都是息息相关的。 本文主要分析两种型号晶体硅光伏组件在湿热和干热两种不同气候条件下户外运行22年的性能衰减， 并从机理上分析了在不同气候条件下组件衰减的因素。在湿热气候条件下，组件衰减主要来自EVA衰变导 致的金属化腐蚀引起的串阻增大，而干热气候条件下组件衰减主要来自于高低温循环以及风沙应力导致的 电池片隐裂和破裂导致的串阻增加。 2 研究结果及讨论 2.1 组件基本信息介绍 SM55 和 SP75 两种型号组件均是 Siemens Solar 公司于 1996 年所生产，SM55 组件于 1997 年安装 在深圳大鹏湾北纬 40.08，东经 94.41，距海边 500 米以内，直接受海洋环境如台风、潮湿、盐雾等的 影响。SM75 组件于 1997 年安装于中国西北地区甘肃省敦煌（北纬 33.46，东经 105.37），地处高原， 在沙漠边缘，很少受到华东地区温暖湿润的南方气候影响，具有干旱、典型大陆性季风气候特征。图 1 给 出了两种型号组件在户外运行全貌图，表 1 给出了深圳和敦煌地区 NASA 22 年的平均气象数据。 图 1 两种组件安装全貌图 a SM55 组件安装于深圳的全貌图, b SP75 组件安装于敦煌的全貌图 表 1 深圳和敦煌地区的气象数据 位置 气候 年平均气 温 ℃ 日平均温度范围 ℃ 平均相对 湿度 年平均降 雨量mm 年均辐照剂 量 kWh/m2 深圳 亚热带季风气候 25.7 Min 4.8/Max 6.42 75.6 1933 1427 敦煌 温带干旱大陆气候 8.7 Min 8/Max 13.4 36.7 38 1704 2.2 组件性能衰减分析 由于组件初始信息不详，本文的组件电性能衰减分析均以名牌电性能信息为初始信息，组件的 IV 在 室内标准测试条件下光强 1000 W/m 2，温度 25 oC测试。 本文选取了 520 块 SM55 组件进行电性能测试，从测试结果可以得出，该批组件的最大功率、开路电 压、短路电流以及填充因子的平均衰减分别为 24.62，2.4，7.37和 15.74。图 2 给出了 520 块 SM55 组件的电性能衰减分析。图 2a 展示了该批组件的年平均衰减率的箱型图，图 2b-d 给出最大功率P max衰减 和开路电压V oc、短路电流I sc以及填充因子FF衰减之间的相关性。从图 2 中可以看出，P max 衰减和 FF 之间存在显著的正相关，相关系数为 0.86，表明 Pmax 的衰减主要是由 FF 的减少引起的。 图 2 SM55 组件的电性能衰减分析 a 年平均衰减率的箱型图, b-d是开路电压b、短路电流c以及填 充因子的衰减与最大功率衰减的关系。 图 3 给出了 SM55 组件一块户外运行 18 年的 EL 图（图 3a）以及一块保存于室内未经曝晒的 EL 图 （图 3b）。图 3a EL 图中的黑心和亮栅缺陷可能是由于电池衰减、电极腐蚀或者焊接失效引起的，这些衰 减会导致串联电阻增加最终导致填充因子下降。SM55 组件长期运行在深圳海边湿度较高的地区，水汽扩 散进入组件内部，加速紫外辐照导致 EVA 衰变释放醋酸腐蚀电池栅线以及导致焊接失效，这也是造成组 件串阻增大导致填充因子下降的主要原因 [9]。 图 3 SM55 组件的 EL 图a户外运行组件的 EL 图；b室内保存组件的 EL 图 本文同时选取了 126 块安装于敦煌的 SP75 组件进行了电性能测试，测试数据与名牌初始信息对比， 结果显示组件的最大功率（P m）、填充因子（FF）和短路电流（I sc）的年平均衰减率分别为 0.346％/y，0.171％/y 和 0.15％/y。图 4 给出了了 Pm、I sc、U oc 和 FF 的衰减分析。从填充因子、短路电流 以及开路电压与最大功率衰减的相关性分析来看，P m 与 FF 衰减率的相关系数为 0.593，而 Pm 与 Isc 的相关 系数为 0.164。这些结果表明，该批最大功率的衰减主要是由于 FF 的下降导致的。 图 4 SP75 组件的电性能衰减分析 a 年平均衰减率的箱型图, b-d是开路电压b、短路电流c以及填 充因子的衰减与最大功率衰减的关系 通过统计发现该批组件比较典型的电池缺陷就是电池隐裂、破裂和断栅现象，出现电池破裂和隐裂的 组件有 57 块，约占全部组件的 45.2，出现断栅的组件约占 14.3。图 5 给出了 SP75 组件两块比较典型 的 EL 缺陷图。分析发现，只存在隐裂的组件其各项电性能参数没有明显下降，基本与平均值一致；而只 存在破裂电池片的组件其各项电性能参数要低于平均值，特别是填充因子 FF 的衰减，明显低于该批组件 的平均值。据研究 [10]发现，不破坏电池内部电学相连的裂纹对组件的电性能影响不大；随着光伏组件的不 断老化，机械应力或热循环作用在电池片上会产生更多的裂纹，破坏电池的电学性能，导致组件的严重衰 减。对于电池破裂的组件，电池片破裂使得串联电阻增大，导致填充因子 FF 的降低。分这也是导致该批 SP75 组件功率衰减的一个主要原因。隐裂造成的原因有很多电池制造过程中；运输或安装过程不当； 运行环境引起的机械应力（台风、沙尘暴等）也会造成隐裂。根据该批组件运行环境，敦煌地区的昼夜温 差大以及当地风沙较大是造成组件内电池隐裂和破裂的主要环境因素。 图 5 SP75 组件的 EL 图a户外运行组件的 EL 图；b室内保存组件的 EL 图 3 结论 本文对分别在湿热地区深圳和干热地区敦煌运行 21 年的两批晶体硅组件进行了电性能衰减分析。运行 在深圳海边地区的 SM55 组件最大功率衰减为 24.62，而运行在敦煌干热地区的 SP75 组件最大功率衰减 为 7.29。通过电性能分析发现，填充因子下降是造成两批组件功率衰减的主要原因。但是导致两批组件 填充因子下降的失效模式全然不同。由于深圳地区相对湿度比较大，水汽进入组件以及封装材料 EVA 衰 变释放醋酸造成组件内电池栅线腐蚀以及焊接失效造成组件串阻增大是导致该批组件填充因子下降的主要 原因。而敦煌地区，昼夜温差大以及风沙载荷的影响，造成组件内电池隐裂和破裂的缺陷最终导致组件串 阻增加，这是敦煌组件填充因子下降的主要因素。由此可见，运行在不同气候条件下，由于运行环境应力 的不同导致组件呈现不同的失效模式，使得组件最大功率的衰减也截然不同。 通讯作者沈辉，Email shenhui1956163.com, 研究方向太阳能材料；太阳电池与光伏理论；太阳能技术；纳米功能材料 参考文献 [1] Farida Bandou, Amar Hadj Arab, et al. Evaluation performance of photovoltaic modules after a long-time operation in Saharan environment. International Journal of Hydrogen Energy, 2015,4013839–13848. [2] S. Kaplanis, E. Kaplani. Energy performance and degradation over 20 years performance of BP c-Si PV modules. Simulation Modelling Practice and Theory, 2011,191201–1211. [3] Ewa Klugmann-Radziemska. Degradation of electrical performance of a crystalline photovoltaic module due to dust deposition in northern Poland. Renewable Energy, 2015, 78418–426. [4] Ahmed Bouraiou, Messaoud Hamouda, Abdelkader Chaker, et al. Analysis and evaluation of the impact of climatic conditions on the photovoltaic modules performance in the desert environment. Energy Conversion and Management, 2015,1061345–1355. [5] Pramod Rajput, G.N. Tiwari, O.S. Sastry, et al. Degradation of mono-crystalline photovoltaic modules after 22 years of outdoor exposure in the composite climate of India. Solar energy,2016, 135786–795. [6] Amir Abdallah, Diego Martinez, Benjamin Figgis, Ounsi El Daif. Performance of Silicon Heterojunction Photovoltaic modules in Qatar climatic conditions. Renewable Energy,2016, 97860-865. [7] Ethan Wang, Hsinjin Edwin Yang, Jerry Yen. Sunny Chi, Carl Wang. Failure modes evaluation of PV module via materials degradation approach. Energy Procedia,2013, 33256-264. [8] Namsu Kim, Hyunwoo Kang, Kyung-Jun Hwang, et al. study on the degradation of different types of backsheets used in PV modules under accelerated conditions. Solar Energy Materials Solar Cells,2014, 120543-548. [9] Huili Han, Xian Dong, Haiwen Lai, Huan Yan, Kai Zhang, J. Liu, Pierre J. Verlinden, Zongcun Liang, H. Shen, Analysis of the Degradation of Monocrystalline Silicon Photovoltaic Modules After Long-time Exposure for 18 years in a Hot-Humid climate in China, Journal of Photovoltaics, 2018, 8806-812. [10] Marco Paggi, Mauro Corrado, Maria Alejandra Rodriguez. A multi-physics and multi-scale numerical approach to microcracking and power-loss in photovoltaic modules. Composite Structures,2013, 95630-638.