光伏组件功率衰减分析

1、光伏组件功率衰减分析研究2016-08-26摘要：结合在组件生产和电站质量管理中遇到的问题，对组件材料老 化衰减及组件初始光致衰减原因进行了分析和实验测试，提出相应对 策。结果表明：组件材料老化功率衰减主要是 EVA 和背板老化黄变 引起，组件初始功率衰减主要由于硅片内硼、氧元素复合引起，提出 的对策具有可行性。0 引言光伏组件是太阳能发电的关键元件，光伏组件功率衰减是指随着 光照时间的增加，组件输出功率不断呈下降趋势的现象1。组件功率 衰减直接关系到组件的发电效率。国内组件的功率衰减与国外最好的 组件相比，仍存在一定差距，因此研究组件功率衰减非常有必要。组件功率衰减包括组件初始光致 衰减、组

2、件材料老化衰减及外界环境或破坏性因素导致的组件功率衰 减2。外界环境导致功率衰减主要由光伏电站运营不当造成，可通过 加强光伏电站的维护进行改善或避免；破坏性因素导致的组件功率衰 减是由于组件明显的质量问题所致，在组件生产和电站安装过程对质 量进行严格检验把控，可减少此类功率衰减的现象。本文主要研究组 件初始光致衰减及材料老化衰减。组件初始光致衰减分析1.1组件初始光致衰减原理分析组件初始光致衰减（LID是指光伏组件在刚开始使用的几天其输 出功率发生大幅下降，之后趋于稳定的现象。普遍认为的衰减机理为 硼氧复合导致，即由 p 型（掺硼）晶体硅片制作而成的光伏组件经过光 照，其硅片中的硼、氧产生复合

3、体，从而降低了其少子寿命。在光照 或注入电流条件下，硅片中掺入的硼、氧越多，则生成复合体越多， 少子寿命越低，组件功率衰减幅度就越大3。1.2组件初始光致衰减的实验分析本研究采用对比实验的办法，在背板、EVA、玻璃和封装工艺等 条件完全一致情况下，采用两组电池片（一组经初始光照，另一组未 经初始光照），分别将其编号为I和II同时，生产出的所有组件经质 量全检及电致发光（EL）检测，确保质量完全正常。实验过程条件确保 完全一致，采用同一台太阳能模拟仪测量光伏组件I-V曲线。分别取I和II光伏组件各3组进行试验，记录其在STC状态下的功率输出值。随后，将I和II光伏组件放置于辐照总量为 60kWh

4、/m2（ 根据 IEC61215 的室外暴晒试验要求）的同一地点进行暴 晒试验，分别记录其功率，结果见表 1。集号舉晒前功車曲翼晒后功卑/W衰減車/%1-12503025O.D5Q 101-2250.12245.890.091-3249 EO249.S3Oiln-i25030247_41.13n-2250.12246.12ISOn-3249 SO24王羽1.735TC状恵均角辅屈度1000 VttE MA 1.5”由表1可知，I组光伏组件整体功率衰减明显较II组低。因此， 可推测光伏组件的初始光致衰减主要取决于电池的初始光致衰减。在 光伏组件封装前对其电池片进行初始光照，则组件功率衰减会显著减

5、 弱。1.3组件初始功率衰减与I-V曲线不良的关系研究随机选取一块质量正常组件，组件内所有电池的衰减基本一致 对其进行功率测试，I-V曲线平滑曲线如图1所示。刑卜LI4(1I闻5屯陆-V国刑卜LI4(1I闻5屯陆-V国1正莒组件曲线團口瞄啊：2(J154)M5 I缶甜;盟 萨D.1则j?nFW74JK/=8.9232 A”.R=J764V./y|iM,3IJ5 A ( ?i 1.262 V 代“二知-链W由图1可知，尽管输出功率下降，但i-v曲线平滑、无台阶，其 红外图像类似正常组件，即无热斑出现。取光伏组件中任一电池片无初始光照衰减，即组件内电池的衰减不一致，对其进行功率测试，I-V曲线如图

6、2所示。Hfkj j貓巧g時I萄厲冃芒也=t.烬叭Hfkj j貓巧g時I萄厲冃芒也=t.烬叭B二 扎=口匚帕a,=0.58 o 04呱肓弭| =g,32 A K =37.B24V505(11(?,)h4.1-I川唱压V圏唱压V圏2性-电池片未初塢光照衰减组件為人厅曲线由图2中I-V曲线出现台阶可看出，组件内部整体输出功率下降 的同时，未经初始光照衰减的电池片造成光伏组件整体电流降低、输 出功率减小。通过实验说明，如果光伏组件内部电池片衰减不一致，导致组件 内部串联的电池片产生电流失配，由此i-v曲线出现台阶。在组件生 产的质量检验过程中，对组件i-v曲线出现台阶的问题组件进行统计 研究，也进一

7、步验证了组件的初始光致功率衰减是导致i-v曲线异常 的内在原因。1.4组件初始光致衰减的验证为确保组件功率质量，在组件制造过程中，随机对抽取组件进行 太阳下暴晒，暴晒至组件功率基本稳定为止，检测其初始光致衰减值，测试数据见表2。表2组件宰晒功率变化对比表鋼号7#4FFfll试册问WM/w宜凍率皿I3?科8.7530.38S.23250 030 762QUU&.O7翁808 6830 3S22249 500?510 1$C$30 2137.63S.7230208.21247.910.762C12 12.0(52.120S5#137.658.693021818216.980.753012.1214

8、3.1.22315?8.5930196092+4.250.75?013.04.025.7823137 598 593015S07243.0 752013 U4 196 702CS37 4S8 573515SOO2412?0.752013 05.27S 741503?然8.513Q1779S0.75013.06.07期53.7437.808.72305416219.N0.762CN.Q7.2537.838.6630.648.07247.360.762014.0S.121.7&0.71#237：討366302809247 680.752014.10.041.970 79梟9?8 703022S I

9、C2W7O0 7S20H 11042.440 9837 6S8.7230478 14248 090.762014.0L2537.733.5630.588.052-K5210.762C14 0S.1?l.SS0.75#337.S88.5330+48.07245.700.762014.10.042.0608337 878.6!30288132A6.030 752014 11042J30.9fi由表 2 可知，光伏组件初始都有光致衰减现象，但不同批次功率衰减幅度差异较大，1%3.7%都有，因此改善初始光致衰减现象显 得非常必要。通过以上分析可知，组件初始光衰幅度主要取决于电池光致衰减 电池光致衰减则

10、由硅片的硼、氧含量等决定。要消除由于组件初始功 率衰减导致的问题，可利用硅片分选机来控制硅片质量，确保硅片内 部的硼、氧元素含量处于正常范围，从而保障电池片的转换效率；同 时在组件封装前，对电池片进行功率分档，保证电池片功率匹配，从 而改善组件的初始光致功率衰减问题。材料老化导致功率衰减分析光伏组件封装结构图如图3 所示，组件的主要材料包括电池片、玻璃、EVA、背板等1由图3可知，光伏组件材料老化衰减主要可从电池片功率衰减及封装材料的性能退化两方面分析，而影响这两 方面因素的主要原因是紫外线照射及湿热老化环境，而玻璃对紫外线 和湿热环境的性能变化较小4，因此组件功率的老化衰减研究主要可 围绕E

11、VA和背板两种材料的老化开展。图4为某电站运营后材料老化的外观图。图m光伏纸件封装结枚圈1.辭人图m光伏纸件封装结枚圈1.辭人4ft乩肯的遂化圈4材料老化外观圏2.1EVA 老化对光伏组件功率衰减影响把组件分为A、B、C、F8064组，分别采用4个不同厂家的EVA 材料，电池片、玻璃、背板、焊带、边框等材料及生产工艺设备都一 致，制作每块组件的同时还制作一个陪样，用于测试组件EVA材料 的黄变指数。生产出的组件经过EL检测和I-V曲线的测试，确定质 量合格，把 4 组组件和陪样同时放入环境试验箱进行湿热老化，测试 条件为温度85 C、湿度85%。每隔一段时间测试其组件功率及陪样EVA 的黄变指

12、数，共测试 1000h 后把组件取出，其组件测试数据如图5所示，对应陪样EVA的黄变指数如图6所示。24X,- -(J2Cirfc4LH)侧K制(11009尊闻ft匪5组件湿热老化功率缺减戛Mliil fh團6 EVA沮热老化黄査指数蛮化囹由图5和图6可看出，不同品牌的EVA耐湿热老化性能差异很 大，其中F806EVA黄变小，耐老化性能明显比其他EVA强，做成 的组件功率衰减少。这个实验结果与组件老化功率衰减结果相符合， 说明 EVA 黄变是组件材料老化导致功率衰减的一个重要原因。为了深入对此质量问题进行分析，结合类似的 EVA 黄变现象， 本文选取某研究所光伏电站的组件进行调查研究，发现该光

13、伏电站的 组件也部分存在EVA黄变现象，如图7所示。图7组件EVA发黄圏在该电站上分别选取一块EVA黄变组件和一块EVA未黄变组件,分别测试其功率，数据见表3。舉3爼件EVA罠蟹与未貢変裳疑对比證组件类型FF1JJAvjvFA胡蜡功审0.775J344.754973620lfiOO-未賢变0 751744.534S8175,52230.755lQ3445147136.031 75 TO由表3可知,VA未黄变组件在电站运营过程中只衰减了 2.23% , 而EVA黄变组件的功率衰减了 5.7%，因此进一步验证了 EVA黄变 是造成组件功率衰减的一个重要原因。2.2背板老化对光伏组件功率衰减影响把组

14、件分为A、B两组，分别采用两个不同厂家的背板材料（A组 背板为双面含氟背板，B组为不含氟的背板），电池片、玻璃、背板、 焊带、边框等材料及生产工艺设备都一致，制作每块组件的同时还制 作一个陪样，用于测试背板的耐紫外黄变指数。生产出的组件经过 EL检测和I-V曲线的测试，确定质量合格，实验前记录两组光伏组 件及陪样组件在STC状态下的功率输出值。按照IEC61215-2005的 实验要求，将两组光伏组件放于紫外试验箱中，温度控制在规定范围 内（60C）,组件受波长为280385nm范围的紫外辐射 （15kWh/m2），其中波长为280320nm的紫外辐照不少于5kWh/m21 。用太阳能测试仪测

15、试组件的功率，结果见表 4；同时测 试陪样背板及样品紫外老化后的黄变指数，结果如图8 所示。裘4不同背摄笨外老化功率査鞍克组件雲型FF5vp4-/A曲C幣/%AQ初姑功率0 765J945越5.2336.3Q190.0爲外老业后0.7553744 535 1$J6.2?畋E1朋初姑功军0765A9我的5.231900”羞外老代后0 755 2i44.575.023&2J161 942(5a. A 肖FiB西吕脊扳紫歼圧化寅宝指数殳牝囹从表4和图8可知，组光伏组件背板双面含氟黄变指数为2.2）, 具有较强耐紫外功能，因此其功率衰减较小；而B组光伏组件背板 不含氟，有黄变现象（黄变指数为 67.4

16、），功率衰减明显。2.3材料老 化功率衰减现场跟踪测试分析本文对某研究所光伏电站进行跟踪测 试分析，选取一块质量正常的组件定期进行功率测试，其功率衰减数L-iA据见表5。图9不同时间条件下组件的FL图裏5不同时间条眸下粗件功車去；.2012.05.2(1h. 2013.115.27c. 20M.n5.2S36 20180 002012 0s 2G44 L-iA据见表5。图9不同时间条件下组件的FL图裏5不同时间条眸下粗件功車去；.2012.05.2(1h. 2013.115.27c. 20M.n5.2S36 20180 002012 0s 2G44 53J6.OS176 022013.05.2

17、+4.4136.01173672014.05.23+4 3Q3596172 75各时间段该组件的EL图片如图9所示，EL图片显示组件内部 完好，未发生隐裂等质量问题，每次测试时清除表面的脏污和灰尘， 排除外界条件对组件功率的影响。测试结果说明组件功率衰减是由于 自身材料老化原因所造成，衰减的比例与功率质保规定的质保统一标 准接近。从实验测试结果和具体电站中组件分析可看出， EVA 和背板材 料的老化、黄变是导致组件功率老化衰减的主要原因，采用高质量的 EVA 和背板能有效减少组件的功率老化衰减。结论本文重点对组件初始功率衰减和材料老化功率衰减两种现象进 行分析研究，同时对某研究所电站进行现场跟踪测试分析，得出以下 结论：1）光伏组件的初始光致衰减主要是由于电池片的初始光致衰减 不同所致。不同批次硅片的硼氧含量不同，导致电池片的初始光致衰减不同。因此利用硅片分选机控制硅片质量，从而保证电池片的初始光致衰减是解决光伏组件初始光致衰减的有效方法。2)光伏组件的材料老化衰减主要取决于光伏组件封装过程中EVA 和背板质量，使用湿热老化功能较强和耐紫外的背板和 EVA 材料，能较大程度保证光伏组