晶体硅光伏组件初始光致衰减评估方法研究

肖桃云，沈艳萍，张 臻,，吴晋禄

(1.常州天合光能有限公司光伏科学与技术国家重点实验室，江苏常州213031；2.河海大学，江苏常州213022)

光伏组件的输出功率在光照初期发生较大幅度的下降，随后趋于稳定，这种现象称为晶体硅组件初始光致衰减。现有理论认为，此阶段中功率的下降主要是由于太阳电池内B-O复合体的形成。对于组件的光致衰减，早在40多年前H.Fischer和W.Pschunder就首次观察到P型(掺硼)晶体硅太阳电池的初始光致衰减现象[1]。多年来，国内外光伏行业专家对光致衰减现象进行了广泛而深入的研究，开发了大量减小光伏组件光致衰减的科学方法，为组件的可靠性提供了改善途径[2-4]。但是，行业对于光伏组件的初始光致衰减的定量表征、外界的影响因素等，尚未形成一致的观点。目前，行业内通常用“光照初期的组件衰减”来定性地表征光伏组件的初始光致衰减。实际操作中，人们通常参照IEC61215：2005[5]Outdoor Exposure章节，采用60 kWh/m2的总辐照量进行初始光衰的测试。如果使用的总辐照量过小，将不能充分表征组件初始光衰性能；如果总辐照量过大，将造成测试时间的浪费，降低测试效率。如何采用科学的方法来定量组件初始光衰期的总辐照量，是值得探讨的问题。室外自然光暴晒是一种最接近组件实际工作状态的实验方法，这种方法受天气因素影响较大；室内模拟光源测试将使实验不受天气因素的影响，可加快实验进程。此外，开路、短路、并网三种不同的负载方式对组件的光衰程度是否有影响，负载方式对室内室外不同的测试方法是否适用，也需要进行实验验证。

在室外自然光测试中，光伏组件将在不同的高低辐照度下暴晒。而低辐照度是否减小了组件的光衰程度是业界的一大争议问题。同时，组件室内外测试的环境(如辐照度、温度、通风条件等)对精确测试组件光衰程度也十分重要。本文从以上关键问题入手，从总辐照量、室内模拟光源/室外自然光源两种不同的测试方法、负载方式、辐照度、通风条件等方面研究其对晶体硅组件光衰程度的影响。

1 实验

为了研究总辐照量、室内外测试方法、负载方式、通风条件、辐照度等外在因素对晶体硅组件初始光致衰减的影响，我们统一制作了组件材料一致、生产工艺一致的单晶硅组件(125 mm×125 mm，72片)及多晶硅组件 (156 mm×156 mm，60片)，用于组件初始光致衰减的研究。

实验中主要设备要求如下：(1)太阳辐照度仪，准确度优于±5%；(2)制造厂推荐的安装组件的设备，使组件与辐照度仪共平面；(3)光源，稳态太阳模拟器，符合IEC 60904-9：2007[6]中B级；(4)太阳模拟器，符合IEC 60904-9：2007中A级。

室内模拟光源实验与室外自然光源实验概况如表1所示，每种情况下单晶、多晶组件各3 PCS。

表1 实验概况

2 结果与讨论

2.1 辐照量与室内外测试的对比

在一个光衰周期中，先后两次功率测试值分别为P1、P2。组件衰减率用(P2－P1)/P1来标定。为了表征组件功率衰减的波动程度，用(Pmax－Pmin)/Paverage来标定组件输出功率的稳定度。在两个连续的光衰周期中，三次功率测试值分别为P1、P2、P3。Pmax为P1、P2、P3的最大值，Pmin为P1、P2、P3的最小值，Paverage为P1、P2、P3的平均值。对于连续多次暴晒下的数据，每5 kWh/m2取一个点，分析每个点的(Pmax－Pmin)/Paverage，选取该点及以后点(Pmax－Pmin)/Paverage均小于1%的部分，认为该部分为功率衰减的稳定区间。(Pmax－Pmin)/Paverage的取值，在薄膜标准 IEC61646：2008[7]：Thin-film terrestrial photovoltaic(PV)modules—design qualification and type approval 10.19 Light-soaking中，认为当(Pmax－Pmin)/Paverage＜ 2%时，组件光衰程度稳定；在国家标准GB/T 6495.11-2016[8]：《光伏器件第11部分：晶体硅太阳电池初始光致衰减测试方法》中，则在电池单片功率(Pmax－Pmin)/Paverage＜0.5%时，认为衰减程度达稳定。

晶硅组件衰减较薄膜小，薄膜标准中的2%对于晶硅组件过松；而组件功率测试准确度比电池效率测试低，电池标准中的0.5%对于晶硅组件过严，从数据看难以出现持续＜0.5%。综合考虑，(Pmax－Pmin)/Paverage＜1%是合适的判定晶硅组件光致衰减程度达稳定的代表点。在数据分析时，我们认为不同的辐照量间距，会影响(Pmax－Pmin)/Paverage的大小。相应的薄膜标准IEC61646：2008 中,辐照量间距为 43 kWh/m2，GB/T 6495.11-2016电池标准中辐照量间距为1 kWh/m2，参照IEC 61215：2005预衰减5 kWh/m2，本分析采用晶硅组件基本稳定的区间5 kWh/m2作为辐照量间距。

2.2 单晶组件室内、室外衰减率及稳定度分析

首先对3 PCS单晶硅组件在室内稳态模拟器中、短路状态下进行稳定度分析，辐照度为1 000 W/m2，结果如图1所示。分析可知，14 kWh/m2以后，(Pmax－Pmin)/Paverage持续 ＜1.0%。因此认为，室内稳态模拟器实验14 kWh/m2以后，单晶硅组件光致衰减程度将达到稳定。

图1 单晶硅组件在室内稳态模拟短路实验中的衰减情况

对3 PCS单晶硅组件在户外暴晒、并网状态下进行稳定度分析，结果如图2所示。分析可知，30 kWh/m2以后，(Pmax－Pmin)/Paverage持续＜1.0%，即单晶组件并网在30 kWh/m2以后衰减率达到稳定。

图2 单晶硅组件在室外并网实验中的衰减情况

对3 PCS单晶硅组件在户外暴晒、短路状态下进行稳定度分析，结果如图3所示。分析可知，30 kWh/m2以后，(Pmax－Pmin)/Paverage持续＜1.0%，即单晶硅组件短路情况下在30 kWh/m2以后衰减率达到稳定。

图3 单晶硅组件在室外短路实验中的衰减情况

由以上分析可得，组件光衰在户外比在室内需要更长的辐照总量才能达到稳定。

2.3 单晶组件室内、室外光衰程度对比分析

为验证室内外环境因素对组件光衰程度的影响，我们对单晶硅组件室内外光衰测试进行了对比分析。室内测试在辐照度为1 000 W/m2条件下进行。室内外测试的组件负载方式均为短路。分别选取室内稳定点14 kWh/m2、室外稳定点30 kWh/m2，以及室内外60 kWh/m2辐照量的情况，对比分析结果如表2所示，光衰程度为3 PCS组件的平均值。

表2 单晶硅组件室内外光衰程度对比

表2显示，室内模拟光源测试的组件光致衰减程度要略小于室外自然光源暴晒测试，这主要是由于室内稳态模拟测试中，组件温度维持在(50±5)℃范围内，环境温度变化幅度小且没有湿度的变化，对组件封装材料的影响较小，组件功率衰减主要来自于太阳电池内B-O复合的影响。而室外自然环境中，温湿度持续变化，甚至可能经历湿冻循环，会影响电池片的电学特性，焊带串阻增大，并造成EVA等封装材料性能下降，透过率降低，这些均会导致组件输出功率的衰减。

室内稳态模拟器测试可以避免天气因素带来的不利影响，加快测试进程，是一种有利的测试手段。但是我们在制定组件光致衰减评判依据时必须考虑到室内外测试带来的误差，在评判标准方面予以区别。

2.4 多晶组件室内外衰减率及稳定度分析

图4 多晶硅组件在室内短路实验中的衰减情况

3 PCS多晶硅组件在室内稳态模拟器中短路状态下进行测试，辐照度为1 000 W/m2。由图4可知，10 kWh/m2或14 kWh/m2以后，(Pmax－Pmin)/Paverage持续 ＜1.0%，我们认为 10～14 kWh/m2以后，多晶硅组件在室内测试中的光致衰减程度基本稳定。

3 PCS多晶硅组件在室外并网情况下进行衰减测试，结果如图5所示。由图5可知，10 kWh/m2以后，(Pmax－Pmin)/Paverage持续＜1.0%。

图5 多晶硅组件在室外并网实验中的衰减情况

多晶硅组件的衰减始终维持在小于1%的水平，明显小于单晶硅组件3%以内的衰减率，和业界认可的单多晶组件衰减水平对比结论一致。数据表明，多晶硅组件似乎在较短的辐照总量下即达到光衰稳定。但是我们认为，由于多晶硅组件的衰减本身较小，受测试误差影响较大，数据规律性不及单晶。是否多晶硅组件的衰减规律与单晶硅有所不同，还有待探讨。因此，为减小或避免其他因素对光衰分析结果的影响，后续分析均在单晶硅组件上进行。

2.5 负载方式

组件开路、短路、并网是组件常见的三种状态。并网是最接近组件实际工作的状态，但是它并不能在室内稳态模拟实验中采用。而组件在开路、短路状态是否与组件并网下的衰减有所不同，需要进行验证。我们采用相同类型的组件在不同负载方式下进行研究，样品组件为楼顶同一位置的开路、短路、并网组件。组件衰减结果如表3所示，每个数据代表3 PCS组件的平均值。表3表明，组件开路时光致衰减程度最小，短路与并网更为接近。组件并网与短路时，电流在电池片中流通；而组件开路时，电流内耗，实际暴晒时并不会出现热斑等现象，失配现象少，故而衰减较小。

表3 组件在不同负载情况下的光致衰减程度

实际操作中，为使组件在最接近真实工作的状态下进行测试，我们认为最适合组件室外自然光暴晒的负载方式为并网，即让组件在最大功率点附近工作。而由于稳态模拟器本身的限制，室内模拟暴晒时无法使组件并网，根据组件光衰程度短路与并网基本一致的结论，室内模拟光源暴晒时组件可以采用短路的负载方式。

2.6 通风条件

不同的通风条件下，组件封装材料老化程度可能不同，有可能影响组件光致衰减程度。基于上述辐照度影响的研究，通过室外实验，将同类型、同处于短路情况的组件置于不同暴晒角度下，使之处于不同的通风条件中(图6)，研究通风条件对组件光致衰减大小的影响。表4中每个数据为3 PCS组件的平均值。

图6 组件不同倾角室外暴晒

表4 0°、30°、75°组件光致衰减程度对比

从表4可以发现，三种角度组件的通风情况为0°＜30°＜75°，相应的光致衰减程度为0°＞30°＞75°，即通风条件越好，组件的光致衰减程度越小。因此实际操作中，需要确定测试组件的安装角度。

3 结论

通过实验分析，单晶硅组件的初始光致衰减程度明显大于多晶硅组件，数据规律性良好便于实际分析。通过对单晶硅组件初始光致衰减在不同总辐照量、室内外测试环境、负载方式、通风条件等情况下的分析，定量得到其在室内稳态14 kWh/m2或室外自然光30 kWh/m2暴晒后，组件功率基本稳定。组件开路时失配现象不明显，光致衰减程度稍小，组件短路时光致衰减程度最大，与组件并网情况下的衰减程度相当。同时，恶劣的通风条件将显著加速组件的初始光致衰减。

[1]FISCHER H,PSCHUNDER W.Investigation of photon and thermal induced changes in silicon solar cells[C]//Proceedings of 10th IEEE PVSC.CA,USA:IEEE,1973:404-441.

[2]KANG M H,HONG J,EBONG A,et al.Reduction of light induced degradation(LID)in B-doped Cz-Si solar cells by SiH4-free SiCxNyfilm[C]//Proceeding of Photovoltaic Specialists Conference(PVSC),35th IEEE.Honolulu,HI,USA:IEEE,2010:3196-3199.

[3]吴翠姑，于波，韩帅，等.多晶硅光伏组件功率衰减的原因分析以及优化措施[J].电气技术，2009(8)：113-114.

[4]黄盛娟，唐荣，唐立军.光伏组件功率衰减分析研究[J].太阳能，2015(6)：21-25.

[5]IEC.IEC61215:Crystalline silicon terrestrial photovoltaic(PV)modules-design qualification and type approval[S].Geneva:International Electrotechnical Commission,2005.

[6]IEC.IEC60904-9:Photovoltaic devices-Part 9:Solar simulator performance requirements[S].Geneva:International Electrotechnical Commission,2007.

[7]IEC.IEC61646:Thin-film terrestrial photovoltaic(PV)modulesdesign qualification and type approval[S].Geneva:International Electrotechnical Commission,2008.

[8]龚海丹，王国峰.GB/T 6495.11：光伏器件第11部分：晶体硅太阳电池初始光致衰减测试方法[S].北京：中国标准出版社，2016.