白 愷， 李 智， 李 娜， 宗 瑾， 翟化欣

(1.華北電力科學研究院，北京 100045；2.國網(wǎng)新源風光儲示范電站有限公司，河北張家口075000)

光伏電站晶硅組件缺陷形成機理與檢測技術(shù)

白 愷1， 李 智1， 李 娜1， 宗 瑾1， 翟化欣2

(1.華北電力科學研究院，北京 100045；2.國網(wǎng)新源風光儲示范電站有限公司，河北張家口075000)

針對我國光伏電站在晶硅光伏組件運行維護過程中存在的實際情況，分析了晶硅光伏組件缺陷形成機理，提出了一種適用于現(xiàn)場應(yīng)用的缺陷光伏組件檢測方案。檢測方案包括紅外熱成像排查、絕緣電阻測試、EL測試和光伏組件I-V特性測試四部分。通過該檢測方案能夠有效鑒別光伏組件缺陷的產(chǎn)生原因，及其對發(fā)電性能的影響程度。該方案對提高光伏電站運行維護效率、規(guī)范光伏電站施工安裝操作和改進光伏組件生產(chǎn)廠家制造工藝具有重要意義。

光伏電站；缺陷；檢測方案；運行維護

進入21世紀以來，我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅猛，特別是2004年后，在歐洲市場的大力拉動下，中國光伏產(chǎn)業(yè)更是得到了飛速發(fā)展，2007年我國已經(jīng)成為光伏組件生產(chǎn)第一大國。近年來，隨著國家《太陽能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的頒布和其他激勵政策的陸續(xù)出臺，國內(nèi)光伏電站裝機容量進入高速增長期，至2015年，國內(nèi)光伏電站裝機容量有望突破35 GW，屆時中國光伏產(chǎn)業(yè)將真正實現(xiàn)由制造大國向利用強國的轉(zhuǎn)變。

光伏組件作為光伏電站核心發(fā)電設(shè)備，其性能對電站的高效運行起著至關(guān)重要的作用，目前光伏組件按材料可分為晶硅、非晶硅半導體和有機高分子三種類型，特別是晶硅光伏組件，因為其轉(zhuǎn)換效率高、制造成本低等原因，已被廣泛應(yīng)用于光伏電站。但由于生產(chǎn)過程中工藝技術(shù)、設(shè)備性能、原材料質(zhì)量等方面的問題，以及運輸、安裝和運行期間由于外力造成的局部損壞，引起光伏組件的性能衰退和缺陷。然而，在實際運行維護過程中，由于光伏組件單體數(shù)量多、分布區(qū)域廣，光伏電站主要采用故障檢修和定期維護的維護方式，普遍存在過度維護和維護不足的現(xiàn)象，缺少預(yù)防性維護試驗方法的相關(guān)規(guī)范，對組件的缺陷檢測技術(shù)和標準匱乏，不能及時、有效和準確地判斷缺陷組件和故障原因。因此，有必要研究光伏組件缺陷形成機理，建立一套具有普遍適用性的光伏組件缺陷檢測方案，保障光伏電站穩(wěn)定、高效運行。

1 光伏組件缺陷形成原理

目前大規(guī)模應(yīng)用的晶硅光伏組件，其在制造過程中通常采用制絨、擴散、刻蝕、印刷和燒結(jié)等工序。由于機械應(yīng)力、熱應(yīng)力及運輸安裝等不穩(wěn)定印刷的存在，造成硅電池的隱性與顯性的可逆和不可逆的缺陷。

對晶硅光伏組件運行后性能退化和失效模式統(tǒng)計分析，原材料缺陷、封裝工藝異常和外部因素影響是引起光伏組件出現(xiàn)缺陷的關(guān)鍵誘因。

1.1 原材料缺陷

原材料對光伏電池的轉(zhuǎn)換效率具有至關(guān)重要的作用，用于制造光伏電池的硅材料若存在晶格的缺陷位錯，起到復合中心作用，能夠使得載流子在此處復合時發(fā)出較弱的光，少子壽命降低，而過多的雜質(zhì)亦會導致復合增加。同時，氧化誘生堆垛層錯或雜質(zhì)氧沉淀導致黑電池片的產(chǎn)生，引起電池單體的短路電流明顯偏低。

光伏組件的EVA用于封裝電池組，在光伏組件長期運行過程中，由于EVA配方不合格，導致添加劑體系相互反應(yīng)發(fā)黃；或EVA自身分子在氧氣、光照條件下，脫乙酰反應(yīng)導致發(fā)黃，亦會影響光伏組件的使用壽命。

1.2 封裝工藝異常

晶硅光伏組件通常是由60或72片光伏單體電池串、并聯(lián)連接，并嚴密封裝而成，光伏電池的封裝工藝是生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵步驟，其亦是導致光伏組件缺陷的主要誘因[1-2]。

(1)擴散異常

擴散制結(jié)為晶硅電池制造過程中的核心步驟，P-N結(jié)的質(zhì)量直接影響電池單體的轉(zhuǎn)換效率。結(jié)淺，電池短波響應(yīng)較好，但會引起接觸電阻增加；結(jié)過深，死層較明顯，如果擴散濃度過大，則引起重摻雜效應(yīng)，使電池開路電壓和短路電流均下降。腐蝕掉正面電極及氧化硅薄膜后單體電池方阻升高，導致此區(qū)域與現(xiàn)有燒結(jié)工藝不匹配而引起接觸電阻增大。

(2)鍍膜異常

鋁背場能夠降低電池單體背面的少子負荷、提高少子擴散長度、反射長波段光子和提高長波段的光譜響應(yīng)。由于電池單體通常采用管式PEVCD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)鍍膜方式，在鍍膜過程中，若單片電池脫落或破碎，導致此電池單體背面被鍍膜，其氧化硅的存在，使得經(jīng)過絲網(wǎng)印刷后電池在燒結(jié)過程中無法形成鋁背場，且鋁電極無法與硅形成良好的接觸電阻，導致電池效率降低。

(3)燒結(jié)異常

引起燒結(jié)異常的原因為燒結(jié)過程中存在異物，過高的燒結(jié)溫度以及表面異物污染不會引起方阻值的變化，但能夠?qū)е螺^大的反向漏電流，產(chǎn)生低效率電池片。

(4)印刷異常

良好的印刷質(zhì)量，能夠減少金屬電極與硅片間的接觸電阻，影響電池的填充因子和短路電流，斷柵、印刷不均勻均會導致線性電阻增大，降低電池的轉(zhuǎn)換效率[3]。

1.3 外部因素影響

在光伏組件運輸和安裝過程中，由于操作人員的不規(guī)范操作，導致電池單體隱裂或鋼化玻璃破裂，引起光伏電池內(nèi)部濕氣滲入，會引起二次交聯(lián)、電池減反射膜水解，缺陷部分產(chǎn)生漏電流，導致電池轉(zhuǎn)換效率下降。同時，光伏組件分布區(qū)域廣，且主要安裝在偏遠地區(qū)，長期灰塵在表面累積和異物覆蓋其表面，或植物等對光伏電池造成長時間遮擋，會引起光伏組件的發(fā)電性能退化，特別是當被遮擋部分已經(jīng)存在漏電缺陷時，漏電缺陷部位會嚴重發(fā)熱，引起光伏組件的熱斑效應(yīng)[4]。

此外，在光伏電站中運行的晶硅光伏組件的電路與其作用于接地的金屬鋁邊框之間有著高電壓的存在，由于該高電壓的作用，使得光伏組件上表面層及下表面層的材料中，電池的封裝材料EVA出現(xiàn)了離子遷移行為，從而形成了漏電流現(xiàn)象；同時在電池單體中也出現(xiàn)了熱載流子現(xiàn)象，大量載流子聚集在電池表面，使得電荷再分配從而削減和抑制了電池的活性層，破壞了電池表面原有的鈍化效果，最終，表現(xiàn)為晶硅光伏組件發(fā)電性能退化或失效[5-6]。

2 光伏組件缺陷檢測方案

圖1為晶硅光伏組件缺陷檢測整體技術(shù)方案。整個檢測流程試驗項目包括紅外成像檢查、輸出功率試驗、絕緣電阻試驗和EL(Electro Luminescence)檢查。試驗設(shè)備由紅外熱成像、絕緣電阻、EL測試和光伏方陣I-V特性裝置組成[7－8]。

圖1 晶硅光伏組件缺陷檢測流程

2.1 檢測裝置

(1)紅外熱成像裝置

紅外熱成像裝置是利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測晶硅光伏組件的紅外輻射能量分布圖形，進而反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得與光伏電池熱分布相對應(yīng)的熱像圖，用以判別與正常光伏電池存在溫度差異的電池單體。

(2)絕緣電阻測試裝置

通過對光伏組件施加系統(tǒng)能夠承受的最大電壓，能夠測試組件的基本絕緣電阻、絕緣電阻時間曲線、介質(zhì)吸收比以及極化指數(shù)。

(3)EL測試裝置

EL測試裝置直流電源、濾波鏡頭、遮光罩等主要部件，利用電場激發(fā)晶硅光伏電池，使晶硅電池發(fā)出特定波長的光，然后通過濾光及特殊感光元件采集特定波長的發(fā)光信號，得出光伏組件的缺陷信息。

(4)光伏方陣I-V特性測試裝置

光伏方陣I-V特性測試裝置內(nèi)置滿足普通光伏組串容量要求的充放電電容器，將其作為光伏組件的可調(diào)負載，通過對光伏組件與電容充電過程進行數(shù)據(jù)采樣，獲取光伏組件的I-V特性曲線。

2.2 光伏電站晶硅組件檢測方案

(1)紅外熱成像排查

進行紅外熱成像熱斑排查過程中，光伏方陣應(yīng)處于正常運行狀態(tài)。理想狀態(tài)下，被測光伏電站傾斜面輻照度應(yīng)大于600 W/m2，且處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，光伏組件可產(chǎn)生足夠的電流使得存在缺陷與正常電池產(chǎn)生可判斷的溫度差異。紅外熱成像排查應(yīng)根據(jù)光伏組件自身結(jié)構(gòu)和背板構(gòu)造，選擇光伏組件的前表面或背板進行紅外熱成像儀排查。排查光伏方陣或組串中的光伏組件，應(yīng)及時標定與該光伏組件中其他光伏電池存在明顯溫度差異(一般5℃)的光伏電池。

(2)絕緣電阻測試

以不大于500 V/s的速率增加絕緣電阻測試儀的電壓，直到等于1 000 V加上兩倍的系統(tǒng)最大電壓(即由制造商標注在光伏組件上的最大系統(tǒng)電壓)，并維持此定值1 min；降低電壓至0 V之后，再議不大于500 V/s的速率增加絕緣電阻測試儀的電壓，直到等于500 V或最大系統(tǒng)電壓的高值。維持此電壓2 min，然后測量絕緣電阻。

對于光伏組件面積小于0.1 m2，其絕緣電阻值應(yīng)不小于400 MΩ；光伏組件面積大于0.1 m2，其絕緣電阻值與光伏組件面積的乘積應(yīng)不小于40 MΩ·m2。

(3)輸出特性測試

光伏組件輸出功率測試應(yīng)在輻照度不小于700 W/m2的工況下進行，利用測試裝置獲得光伏組件實際輸出的工作電壓、工作電流、短路電流，并根據(jù)式(1)至式(3)，測得的光伏組件實際輸出功率轉(zhuǎn)換為峰值功率'。其中，光伏組件溫度應(yīng)取背板中心點處測試過程中的讀取值。

(4)EL測試

將待測晶硅光伏組件放置在密封性良好的暗室內(nèi)，通過直流電源給光伏組件通電，并維持直流電流值在光伏組件銘牌短路電流的±5%以內(nèi)，調(diào)整CCD相機的位置，以及光圈和焦距，設(shè)置圖像的曝光時間和增益。利用成像系統(tǒng)將信號發(fā)送到監(jiān)測軟件，經(jīng)過處理后顯示光伏組件的EL圖像。

3 實證分析

某大規(guī)模地面光伏電站已投運三年，采用多種類型晶硅光伏組件，包括多晶硅、單晶硅和背接觸式，晶硅光伏組件技術(shù)參數(shù)如表1所示。分別選取該電站內(nèi)3個光伏發(fā)電單元對應(yīng)類型的固定式安裝光伏組件，通過紅外熱成像排查，選取存在缺陷的典型光伏組件，進行絕緣電阻、輸出特性和EL測試，分析其缺陷影響程度及產(chǎn)生的原因。

表1 光伏組件技術(shù)參數(shù)

3.1 紅外熱成像排查結(jié)果

光伏電站晶硅光伏組件紅外熱成像測試結(jié)果如圖2所示。從發(fā)電單元內(nèi)的光伏組件進行紅外熱成像排查結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，多晶硅光伏組件表面均存在多個電池溫度不一致現(xiàn)象，但這些異常溫度電池和正常電池相比，溫度偏差并不大，最大偏差點僅為6.6℃；單晶硅光伏組件溫度異常電池均沿左邊框邊緣出現(xiàn)，且光伏組件的最高溫度與正常溫度偏差達到16.8℃；背接觸光伏組件的紅外熱成像異常主要表現(xiàn)為多個電池單體溫度偏高，形成熱斑現(xiàn)象，其產(chǎn)生的原因可能包括雜草、鳥類的排泄物長期遮擋、電池自身缺陷等。

圖2 晶硅組件紅外熱成像排查結(jié)果

3.2 絕緣電阻測試結(jié)果

在3 000 V和1 000 V測試電壓條件下，晶硅光伏組件的絕緣電阻測試結(jié)果如表2所示。在各種類型晶硅光伏組件含邊框面積均不足3 m2的情況下，光伏組件現(xiàn)場測試的絕緣電阻值均超過1 000 MΩ×m2，可初步排除泄露電流的現(xiàn)象。

表2 絕緣電阻測試結(jié)果

3.3 輸出特性測試結(jié)果

晶硅光伏組件的輸出特性測試結(jié)果如表3所示，被測光伏組件的I-V輸出特性曲線如圖3～圖5所示。

圖3 多晶硅光伏組件I-V輸出特性

從表3可以發(fā)現(xiàn)，各類型晶硅光伏組件均出現(xiàn)不同程度的發(fā)電性能退化，功率衰減最小值為3.03%，最大值達到了36.81%，明顯超過了廠家保證的組件輸出功率年衰減值，已經(jīng)影響到所在光伏組串乃至整個發(fā)電單元的正常發(fā)電量。根據(jù)被測光伏組件的I-V特性曲線，發(fā)電性能退化最為嚴重的背接觸式C2光伏組件的I-V曲線并不平滑，I-V曲線呈現(xiàn)出傾斜下滑趨勢。同時，從I-V特性曲線可見由于組件內(nèi)部電池串間存在電流不一致現(xiàn)象，I-V曲線形成了多個波峰的情況，即出現(xiàn)了“臺階曲線”，類似于陰影遮擋的光伏組件輸出特性。

圖4 單晶硅光伏組件I-V輸出特性

圖5 背接觸式光伏組件I-V輸出特性

表3 晶硅光伏組件I-V特性測試結(jié)果

3.4 EL測試結(jié)果

圖6～圖11是晶硅光伏組件的EL測試結(jié)果，可見出現(xiàn)性能退化的各類型晶硅光伏組件分別存在以下缺陷情況。

Defects formation mechanism and detection technologies for Si-based PV panels

According to the existing problem for operation and maintenance of the Si-based PV panels in PV power plant,the defects formation mechanism of Si-based PV panels were analyzed,and a detection scheme for defect PV panels in field was proposed.There were four parts of detection scheme,include IR thermal-imaging test,insolation test,EL test and PV panel I-V characteristics test.The defect reasons and the effect for power generation ability could be effectively distinguished through this detection scheme.In addition,the detection scheme was important for promoting the operation and maintenance efficiency, standard the process of construction and installation, and improving the production process for manufacturer.

PV power plant;defects;detection scheme;operation and maintenance

圖6 多晶硅A1光伏組件EL圖像

圖7 多晶硅A2光伏組件EL圖像

圖8 單晶硅B1光伏組件EL圖像

圖9 單晶硅B2光伏組件EL圖像

圖10 背接觸式C1光伏組件EL圖像

TM914

A

1002-087X(2016)12-2381-04

2015-05-12

國家電網(wǎng)公司科技項目（8KE000M14008）國家風光儲輸示范工程精益化運行技術(shù)研究

白愷（1971—），女，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，碩士，高級工程師，主要研究方向為智能電網(wǎng)與新能源。