晶體硅光伏組件封裝失效的探討

晶體硅光伏組件封裝失效的探討

(201*-12-1910:07:00)

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標簽：分類：認證知識雜談

近年來，我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，尤其是太陽電池組件生產(chǎn)廠家更是如雨后春筍般涌現(xiàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前中國大陸已經(jīng)擁有超過500家光伏組件生產(chǎn)公司。但在這種繁榮的背后，各個組件生產(chǎn)廠家其產(chǎn)品質(zhì)量卻良莠不齊，一些組件在野外短短使用的幾年時間內(nèi)就出現(xiàn)了內(nèi)部腐蝕、電性能明顯衰減、電池片柵線消失、EVA黃變等失效情況。上述現(xiàn)象的出現(xiàn)，除了原材料方面的因素以外，很大一部分還是和組件的生產(chǎn)工藝不完善有關(guān)。

1組件封裝失效情況及原因分析

1.1腐蝕

光伏電池組件的腐蝕主要產(chǎn)生在光伏電池組件內(nèi)部、接線盒導(dǎo)電體和鋁邊框的斷面上。針對太陽電池組件接線盒內(nèi)部金屬導(dǎo)電體和鋁邊框斷面上出現(xiàn)的外腐蝕現(xiàn)象，目前各生產(chǎn)廠家已經(jīng)采取相應(yīng)的措施，該問題得到有效解決，這里不在討論。但對太陽電池組件內(nèi)部產(chǎn)生的腐蝕問題，本文將重點進行分析討論。一般來說，太陽電池組件產(chǎn)生的內(nèi)部腐蝕主要是由助焊劑的腐蝕性和組件生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度決定的。許多廠家在選用助焊劑的時候，主要以助焊效果為標準，即助焊效果好，就說明是好的助焊劑，很少考慮助焊劑的安全性和對組件電性能的影響。據(jù)有關(guān)資料證明，助焊劑的助焊效果和腐蝕性是成反比的，即往往助焊效果越好，它的腐蝕性就越強。目前很多組件生產(chǎn)廠家都在使用電子工業(yè)中使用的助焊劑，這種助焊劑主要以有機酸為主，但電子產(chǎn)品制造和太陽電池組件制造在助焊劑的使用方法上還是有很大區(qū)別的。二者焊接時的接觸部位不同，電子產(chǎn)品是先密封然后對電子元器件的管腳進行焊接，接觸部位較少，且都是在相對密閉的環(huán)境中使用，對核心部分的正常運行不會造成影響；而太陽電池是先進行焊接后再真空層壓密封，經(jīng)過密封后形成的光伏組件要在野外惡劣的氣候環(huán)境下使用，且助焊劑與太陽電池表面和EVA膠膜直接接觸。長期的實踐證明，在太陽電池組件生產(chǎn)過程中由于助焊劑選擇不當，是造成太陽電池組件失效的重要原因之一。組件生產(chǎn)廠家在選擇助焊劑時，應(yīng)在保證助焊效果的前提下，采用中性的免清洗助焊劑。具體要求是；焊后殘留物較少、對電池片本身和EVA膠膜無腐蝕性，有足夠的熱穩(wěn)定性，且對環(huán)境無污染，對操作者無傷害，安全可靠。另外，前幾年有些組件生產(chǎn)廠家使用的玻璃纖維也是導(dǎo)致組件內(nèi)部產(chǎn)生腐蝕的原因之二。使用玻璃纖維雖然有利于組件內(nèi)部空氣的排除，避免氣泡的產(chǎn)生；但是玻璃纖維本身就顯弱堿性，吸水性很強，雜質(zhì)含量很高，因此導(dǎo)致組件在使用的過程中就會產(chǎn)生發(fā)黃、變色，電性能下降等現(xiàn)象。目前，國內(nèi)組件生產(chǎn)廠家已經(jīng)很少使用玻璃纖維。

光伏組件生產(chǎn)環(huán)境的凈潔度也是出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象的一個主要來源之一。目前，國內(nèi)大部分組件生產(chǎn)采用人工操作，每道工序應(yīng)避免裸手直接接觸電池片，應(yīng)戴汗布手套或指套，以減少對電池片的污染，時刻保證工作臺面的清潔和生產(chǎn)環(huán)境的通風(fēng)換氣，電池片很容易吸潮，在生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量縮短從開包到封裝的時間，如果暫時不用一定要密封保存，避免生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的人為污染。

1.2組件電性能衰減或無輸出

在組件使用的過程中，總有一些組件在使用2-3年以后出現(xiàn)功率明顯下降電性能明顯衰減的現(xiàn)象，有些甚至超過了當初承諾的組件10年內(nèi)功率衰減10%，20年內(nèi)功率衰減20%的比例。組件產(chǎn)生這種電性能衰減的因素有很多，如原材料自身原因、生產(chǎn)工藝不成熟、生產(chǎn)環(huán)境因素等等。通過分析我們可以總結(jié)原因如下：

第一，太陽電池片本身就存在一定的衰減。晶體硅太陽電池組件開始使用一段時聞以后，在電性能方面都會出現(xiàn)1%～2%不同程度的衰減，這是由電池片本身材料特性所決定的，由于電池片中的硼、氧在光照能量下激發(fā)、反應(yīng)，產(chǎn)生硼氧復(fù)合對，形成載流子復(fù)合中心，從而導(dǎo)致電池片轉(zhuǎn)換效率下降。

第二，EVA膠膜的使用不當導(dǎo)致組件電性能下降。我們知道EVA是太陽電池組件封裝過程中一種非常關(guān)鍵的原材料，EVA的使用不當也會導(dǎo)致組件電性能下降。EVA在常溫狀態(tài)下不發(fā)粘，加熱到所需的溫度后將發(fā)生本質(zhì)的變化(包括物理變化和化學(xué)變化)，將三層材料(鋼化玻璃、太陽電池片和絕緣背板)粘接到一起，形成太陽電池組件，主要起到粘接密封的作用。EVA交聯(lián)度是測試EVA膠膜經(jīng)過層壓、固化以后達到熱熔交聯(lián)程度的指標，正常情況下，EVA的交聯(lián)度至少要達到60%以上，這樣才能保證組件在惡劣的環(huán)境中長期穩(wěn)定、安全運行。如果EVA交聯(lián)度達不到規(guī)定的要求，EVA的性能很不穩(wěn)定，在正常使用的過程中，抗紫外性能很差，很容易發(fā)生熱脹冷縮導(dǎo)致電池片隱裂或短路，久而久之，這種電池片的電阻就會增大，在強烈太陽光的照射下，其局部溫度迅速升高，甚至出現(xiàn)電池片炸裂，最終導(dǎo)致了太陽電池組件的失效。

第三，焊接對電池片造成的潛在損傷導(dǎo)致組件電性能下降。在整個太陽電池組件封裝的過程中，焊接是一道特殊工序，焊接工藝是否成熟直接影響太陽電池組件的產(chǎn)品質(zhì)量，同時這也是整個生產(chǎn)過程中一個關(guān)鍵的生產(chǎn)成本控制點。焊接溫度和焊接速度是該工序的兩個主要控制指標，焊接溫度太低可能會導(dǎo)致虛焊；焊接溫度太高或焊接時間太長一方面碎片率就會增加，另一方面就會對電池片內(nèi)部造成潛在的損傷，這種損傷是無法用肉眼能觀察到的，這也是導(dǎo)致電池片在使用過程中電性能衰減的一個重要原因之一。

第四，員工的操作手法不當造成的。個別組件在使用一段時間以后甚至出現(xiàn)了無輸出的情況，這種情況主要是由于員工在制作出線或與接線盒進行連接時焊接時間太長造成的。大家知道，銅的傳熱是非�？斓模瑔T工在制作出線或與接線盒進行焊接時，為了保證焊接質(zhì)量，將烙鐵長時間搭在焊接點上，這時焊接點的溫度迅速傳到匯流條的另一端使原先已經(jīng)焊好的節(jié)點出現(xiàn)松脫，久而久之，就出現(xiàn)了斷路。

除此之外，還有很多細節(jié)問題都會間接導(dǎo)致組件的電性能下降，尤其今后的電池片將會越來越薄，層壓壓力過大、搬運過程中造成的組件彎曲等等方面都會對電池片造成潛在的細小裂紋，這也是組件在長期的使用過程中出現(xiàn)性能下降的原因之一。

1.3EVA膠膜黃變

EVA產(chǎn)生黃變，這對組件的使用是非常致命的，EVA材料品質(zhì)問題、生產(chǎn)工藝不當、貯存環(huán)境都有可能導(dǎo)致組件產(chǎn)生黃變。個別廠家在認證過程中也出現(xiàn)過這種情況，黃變的部位有的出現(xiàn)在組件的局部，而有的則整個組件都出現(xiàn)黃變，黃變的部位可以肯定的是EVA內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，可能是EVA膠膜本身就夾帶了易使EVA發(fā)黃的物質(zhì)或接觸的物質(zhì)中本身就存在與EVA發(fā)生化學(xué)發(fā)應(yīng)的物質(zhì)，也有可能是EVA受光、熱、氧等作用的老化所造成的。在使用EVA的過程中，要嚴格控制好貯存環(huán)境，應(yīng)將其置于恒溫、恒濕的倉庫內(nèi)，溫度控制在30℃之內(nèi)，濕度小于60%，應(yīng)避光、避熱、避潮。同時保證EVA在其有效范圍內(nèi)使用，打開包裝的EVA應(yīng)在24小時內(nèi)使用完，如果暫時不用一定要密封保存，另外一定要保證EVA的交聯(lián)度要達到規(guī)定的要求，這樣才能保證組件能夠經(jīng)受時間的考驗。

1.4其他失效現(xiàn)象

晶體硅太陽電池組件在使用過程中失效因素還有很多，如熱斑效應(yīng)、電池片炸裂、玻璃碎裂、匯流條發(fā)黃、電池片柵線消失等等。像玻璃碎裂就和組件的設(shè)計有很大關(guān)系，在組件的設(shè)計過程中邊框和玻璃的配合二定要頂留一定的熱脹冷縮空間，材料本身就具有一定的熱膨脹系數(shù)，如鋁型材熱膨脹系數(shù)為2.35×10-5，玻璃的熱膨脹系數(shù)為0.903×10-5，如果在設(shè)計的過程中玻璃與邊框的配合間隙不當，很容易使組件在使用的過程中由于表面溫度升高而出現(xiàn)碎裂。另外在設(shè)計時，組件和支架的安裝要有一定的調(diào)節(jié)余地，否則就會因為加工誤差和安裝不當導(dǎo)致組件應(yīng)力集中而出現(xiàn)碎裂，這種現(xiàn)象在前幾年的光伏發(fā)電系統(tǒng)工程項目中是比較常見的。匯流條發(fā)黃一方面是是由材料本身的原因造成的；另一方面是由助焊劑的腐蝕或在生產(chǎn)過程中受到某種污染，在長期的光照使用過程中出現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)�？傊�，太陽電池組件在使用過程中出現(xiàn)的這些失效現(xiàn)象，都是由于生產(chǎn)廠家在制造太陽電池組件的過程中某一環(huán)節(jié)控制不當造成的，在這些問題出現(xiàn)之前都可以采取一定措施進行預(yù)防。

2應(yīng)采取的預(yù)防措施

第一、選用高品質(zhì)的原材料。在整個太陽電池組件生產(chǎn)的過程中，電池片的成本占到總成本的80%以上，其他的原材料成本對總成本影響很小，因此，應(yīng)盡量選用高品質(zhì)的原材料，從而降低原材料品質(zhì)問題帶來的后期風(fēng)險。第二、成熟的生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)廠家應(yīng)根據(jù)自身企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)設(shè)備、原材料情況等條件的差異，摸索出一套適合于自己工廠的最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)，并通過原材料的不斷更新進行適當調(diào)整，不斷完善。第三、培養(yǎng)高素質(zhì)員工。企業(yè)可以通過培訓(xùn)、學(xué)習(xí)、舉行各種活動、完善企業(yè)文化等手段，來提高員工的業(yè)務(wù)水平，增強員工的凝聚力，提高員工的團隊精神，激勵員工將以最佳的狀態(tài)投入到工作當中。同時也可以邀請行業(yè)內(nèi)的一些專家到生產(chǎn)企業(yè)進行參觀、指導(dǎo)，并對員工進行專業(yè)培訓(xùn)，提高員工的專業(yè)素質(zhì)和質(zhì)量意識，使其操作更加標準、規(guī)范。

高品質(zhì)的原材料、成熟的生產(chǎn)工藝加上高素質(zhì)人才這樣才能夠制造出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。在組件生產(chǎn)的過程中，除了以上幾點以外，其中有些細節(jié)的控制也是非常重要的，很多時候我們就是因為常常忽略了一些很小的問題而導(dǎo)致客戶的投訴甚至出現(xiàn)退貨。

擴展閱讀：晶體硅光伏組件的電位誘發(fā)衰減

晶體硅光伏組件的電位誘發(fā)衰減（PID）

1.前言

近幾年的研究表明，存在于晶體硅光伏組件中的電路與其接地金屬邊框之間的高電壓，會造成組件的光伏性能的持續(xù)衰減。造成此類衰減的機理是多方面的，例如在上述高電壓的作用下，組件電池的封裝材料和組件上表面層及下表面層的材料中出現(xiàn)的離子遷移現(xiàn)象；電池中出現(xiàn)的熱載流子現(xiàn)象；電荷的再分配削減了電池的活性層；相關(guān)的電路被腐蝕等等。這些引起衰減的機理被稱之為電位誘發(fā)衰減、極性化、電解腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

2.PID相關(guān)介紹

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PID(PotentialInducedDegradation)

意為電位誘發(fā)衰減測試，一些電站實際使用表明，光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)電壓似乎存在對晶體硅電池組件有持續(xù)的“電位誘發(fā)衰減”效用，基于絲網(wǎng)印刷的晶體硅電池通過封裝材料（通常是EVA和玻璃的上表面）對組件邊框形成的回路所導(dǎo)致的漏電流，被確認為是引起上述效應(yīng)的主要原因。近年來PID已經(jīng)成為國外買家投訴國內(nèi)組件質(zhì)量的重要因素之一，嚴重時候它可以引起一塊組件功率衰減50%以上，從而影響整個電站的功率輸出，國際上已經(jīng)許多企業(yè)對組件的PID現(xiàn)象進行分析。PID效應(yīng)現(xiàn)象在電站實際運用中并不鮮見，他的直接后果是電站實際發(fā)電效果下降，從而嚴重損害投資者的收益，最終會導(dǎo)致組件廠遭遇投訴甚至是退貨、賠償。PID現(xiàn)在并沒有統(tǒng)一的檢測標準，現(xiàn)在行業(yè)測試的方法主要有三種：雙85加1000V負壓，96小時；常溫環(huán)境加1000V負壓168小時；60度溫度85%濕度1000V負壓168小時。其中第一種測試方法最為苛刻。

3.PID的形成機理%j}7X7f9E;K1n6\\,l8R

PID效應(yīng)現(xiàn)象大多數(shù)最容易出現(xiàn)在潮濕的條件下發(fā)生，且其活躍程度與潮濕程度相關(guān)；同時組件表面被導(dǎo)電性、酸性、堿性以及帶有離子的物體的污染程度，也與上述衰減現(xiàn)象發(fā)生有關(guān)。在實際的應(yīng)用場合，晶體硅光伏組件的PID現(xiàn)象已經(jīng)被觀察到，基于其電池結(jié)構(gòu)和其他構(gòu)成組件的材料及設(shè)計型式的不同，PID現(xiàn)象可能是在其電路與金屬接地邊框成正向電壓偏置的條件下發(fā)生，也可能是成反向偏置的條件下發(fā)生。&z-m"@9j"Rq/N#t

到目前為止，漏電流形成的機理實際上還不是十分的清楚�？傮w而言，由于封裝材料對電池進行封裝后所形成的絕緣系統(tǒng)對于上述漏電流而言是不完善的，同時推測來自于鈉鈣玻璃的金屬離子是形成上述具有PID效應(yīng)的漏電流的主要載流介質(zhì)。

圖1PID現(xiàn)象漏電流的主要路徑（實線部分）

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到目前為止，漏電流形成的機理實際上還不是十分的清楚�？傮w而言，由封裝材料對電池進行封裝后所形成的絕緣系統(tǒng)對于上述漏電流而言是不完善的，同時推測來自于鈉鈣玻璃的金屬離子是形成上述具有PID效應(yīng)的漏電流的主要載流介質(zhì)。

光伏太陽能玻璃的原料成份首先是二氧化硅，其主要是起著網(wǎng)絡(luò)形成體的作用，所以其用量占玻璃組分中的一大半；第二大用量是純堿，主要是提供氧化鈉，可以降低玻璃的熔制溫度；再者是石灰石即碳酸鈣和氧化鎂，他們的主要作用是調(diào)整玻璃的黏度在一個合適的值，使玻璃成型時間縮短或延長，以滿足成型的要求；還引入氧化鋁原料，提高玻璃的物理化學(xué)性能，如強度、化學(xué)穩(wěn)定性等；最后是碳和芒硝，兩個聯(lián)合使用，主要作用是作為澄清劑，以排除玻璃中的氣泡，是玻璃中的氣泡盡量少，以用來提高玻璃的透過率。

據(jù)相關(guān)文獻介紹，在實際的應(yīng)用條件下，上午太陽初升后的一段時間內(nèi)，往往是PID效應(yīng)相對強烈的時段，原因是晶體硅光伏組件在經(jīng)歷了一個不發(fā)電的夜晚以后，其表面會有凝露現(xiàn)象發(fā)生（特別是夏、秋季節(jié)的露水），會造成光伏系統(tǒng)在早晨太陽初升后的一段時間內(nèi)，在其表面較為潮濕的情況下，承受前面提及的系統(tǒng)偏置電壓。

4.并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中光伏陣列的輸出端“對地電壓”

在實際應(yīng)用的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，光伏陣列的MPPT電壓、電網(wǎng)電壓和逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)決定了光伏陣列輸出端的對地電壓（大小和正負關(guān)系），而與逆變器輸入端相鄰的組件電路通常承受著實際的最大系統(tǒng)電壓。

圖2并網(wǎng)光伏系統(tǒng)組件電路的電壓承受情況

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以MPPT電壓為400V、電網(wǎng)電壓為230V（50Hz）和下列SMA的4個類型的逆變器為例，其對應(yīng)的光伏陣列的輸出端對地電壓的情況如下圖所示。

圖3光伏陣列對地端輸出電壓情況5.實驗室對晶體硅光伏組件的PID測試和評估

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目前在國際電工委員會（IEC）層面上，還沒有出臺有關(guān)實驗室進行PID測試和評估的正式標準，該測試和評估標準正在研究和制定過程中，201*年11月TC82（國際電工委員會光伏能源標準化技術(shù)委員會f3O4L$T9Q/X"@$e$T

）、WG2（非聚光組件8x*P*p2V;W

）工作組形成了一個工作文件。該文件內(nèi)容相關(guān)介紹如下。5.1樣品要求

作為型式認可的實驗樣品，如果不確定PID發(fā)生的電壓極性，則2種極性的偏置電壓下，需分別進行實驗；反之，則選用已知的PID發(fā)生的電壓極性。對于某個極性的實驗包括2個組件（也可能需要一個附加的控制組件），樣品應(yīng)該按IEC60410的要求，從相同生產(chǎn)批次中抽取。5.2合格判定

在“電壓耐久”結(jié)束后，按下列要求進行合格判定：①STC最大功率，與初始值相比，衰減不超過5%；

②沒有目測不合格現(xiàn)象（按IEC61215章節(jié)7；和IEC61730-2章節(jié)10.1.3）；③測試順序中要求的濕漏電流實驗，滿足IEC61215章節(jié)10.15的要求；④實驗結(jié)束后，組件的功能完整。5.3實驗順序)_9Y8Y/M,r8x1`序號測試項目:u(~;A7Vq2m!D項目說明1,@/C-z2O*ga消除早期衰組件開路進行5kWh/5.5kWh/的照射。減效應(yīng);\\2y(`:a+m"J0a(_/?.A,m&z,t&i,0s9B"G*P3W:H[c*b5\\+p7k9V3R(G(e$N%P(J6H2目測檢查是否有不合格現(xiàn)象，并對上表面進行清理；目測檢查按IEC61215章節(jié)7；和IEC61730-2章節(jié)10.1.3。1Y*k8`5F:s7J)R+_8f.J1x8Z&@"r6B+E8o.Y"c+E3EL成像和STC測定組件的EL成像；6T;B3Q#g"V,W,~組件的STC最大功率測定。"H;@.[7B0C)D$m!~#D"l1L6/U+r6t!t-K$P88W/G&M5g*V/X*g9O!ls!{+}0f#jO"A#|4濕漏電實驗；絕緣及接地連續(xù)接地連續(xù)性實驗。+I"~.Z6[0[,@)p在60±2℃、85±5%RH環(huán)境中，系統(tǒng)電壓施加在組件的輸出端電壓耐久和鋁邊框之間持續(xù)96小時。&{%`"y1z7o-c80Z#H:?*He5o+{O:U組件的EL成像；觀察組件中電池的變化情況。濕漏電流實驗?zāi)繙y檢查是否有不合格現(xiàn)象"h&L*O,{$H1D0U)\\*t!|5:F:Z+q-w3e7T.m9S({%I7F&k6;t%f6N:?0I,x1B/k7Z3J!S;u9k3N7r$A4|"LEL成像/H*d6Q#E)Y#E%S)N7$e4Q%`"h#k#e7O#J;f5O6n絕緣,[%i+f*\\:H!k5~"z8$Q/i4A*^:STC測定&v;\\3}&i3W組件的STC最大功率測定5q:s5{!]1^B+S0w,c1)V#S1g7L)d%B!z:e2`9-w2g,R&Q$R-AY1s合格判定結(jié)束%{4@0f"p(f1LO)z1t/E"L"s.a7l)b相關(guān)試驗要求的說明：

1.實驗組件需要通過電氣絕緣性能良好的耐高溫、高濕的支架被放置在環(huán)境試驗箱內(nèi)；并注意所有與實驗組件電路連通的部位與環(huán)境試驗箱之間保持良好的絕緣性能；2.實驗組件的輸出端被短接后，與提供實驗用系統(tǒng)電壓的電源輸出端一極相連，極性按相關(guān)實驗要求選擇；

3.實驗組件接地端子的連接要求，即有防松動、防腐蝕的措施。與提供實驗用系統(tǒng)電壓的電源輸出端一極相連，極性與2中選擇的極性相反；

4.“電壓耐久”開始時，組件電路與金屬邊框之間，立即被接上試驗系統(tǒng)電壓；環(huán)境試驗箱內(nèi)的溫度從不大于25℃開始爬升，爬升的速率為每分鐘1℃，期間相對濕度控制在4585%RH.

5.“電壓耐久”實驗結(jié)束后的濕漏電實驗，在“電壓耐久”實驗結(jié)束的2h后，4h前完成。

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