摘要： 光伏電池由于具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率，在沙漠等太陽能充足的地方被廣泛應(yīng)用。但在沙塵長期沖擊的環(huán)境下，光伏電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)累積損傷，使光電轉(zhuǎn)化效率大幅降低。因此，研究顆粒群沖擊條件下光伏電池的力-電行為具有重要意義?；诜蛛x式霍普金森壓桿，發(fā)展了一種驅(qū)動較大尺寸顆粒群高速沖擊的實(shí)驗(yàn)方法，并系統(tǒng)測量了不同沖擊條件下，多晶硅光伏電池的損傷行為與光電轉(zhuǎn)化性能衰減規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著顆粒直徑、沖擊速度和數(shù)密度的增加，光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率快速降低；顆粒沖擊后光伏電池表現(xiàn)出三種典型的損傷模式，并給出了對應(yīng)的應(yīng)力閾值條件?；趯?shí)驗(yàn)測試結(jié)果，發(fā)展了多晶硅光伏電池顆粒群沖擊損傷誘導(dǎo)光電轉(zhuǎn)化性能退化模型，為沙礫沖擊環(huán)境下光伏電池光電性能衰減規(guī)律提供了有效的預(yù)測方法。

關(guān)鍵詞： 光伏電池；顆粒群沖擊；光電轉(zhuǎn)化效率；轉(zhuǎn)化效率退化模型

中圖分類號： O341 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13015 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

光伏電池是一種經(jīng)濟(jì)、可再生、無污染的發(fā)電方式，具有能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢。光伏電池主要由晶體硅制成，包括多晶硅光伏電池、單晶硅光伏電池以及非晶硅薄膜光伏電池[1]。多晶硅光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率為17%～19%，略低于單晶硅光伏電池，但因其制造成本低而被廣泛應(yīng)用[2-3]。通常，多晶硅光伏電池主要分布在日照條件充足的地方，包括一些沙漠區(qū)域。在極端惡劣環(huán)境下，如強(qiáng)沙塵環(huán)境等，多晶硅光伏電池會受到氣溶膠消光效應(yīng)、沙質(zhì)沉積和沙礫沖擊等環(huán)境因素的影響，大幅降低其發(fā)電的穩(wěn)定性與持續(xù)性[4-5]。

在強(qiáng)沙塵環(huán)境下，一方面，沙質(zhì)沉積引起局部遮光效應(yīng)而降低光伏電池的輸出效率[6-10]；另一方面，由于大量沙礫的長期沖擊，使光伏電池產(chǎn)生累積損傷，從而極大降低了光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率[11-12]。沙塵環(huán)境下，沙礫最大直徑可達(dá)10 mm，相對沖擊速度可高達(dá)120 m/s[13]，極大影響光伏電池板的正常工作。大量顆粒的長期沖擊，會在光伏電池內(nèi)部產(chǎn)生高幅值的殘余應(yīng)力，使電池的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，從而影響光電轉(zhuǎn)化效率[14]。Xiao 等[15] 建立了一種基于拉曼光譜的薄膜光伏電池受沖擊后的殘余應(yīng)力分析方法，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過大量微米直徑顆粒沖擊后，光伏電池的最大殘余應(yīng)變約為0.3%，殘余應(yīng)力高達(dá)數(shù)百兆帕，光伏電池的光電轉(zhuǎn)換性能和壽命顯著降低。另外，在微顆粒的長期沖擊下，逐漸萌生脆性斷裂微裂紋，并逐漸演化為宏觀斷裂，從而產(chǎn)生永久性的光電轉(zhuǎn)化效率衰減。Xiao 等[16] 基于激光驅(qū)動微米尺寸顆粒高速沖擊，發(fā)展了一種室內(nèi)模擬風(fēng)沙環(huán)境對光伏電池板沖蝕行為的實(shí)驗(yàn)方法[17]，發(fā)現(xiàn)隨著微顆粒沖擊速度的增加，光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率急劇下降，并采用力學(xué)模型給出了不同條件下光伏電池的失效強(qiáng)度[18-21]。但是，由于激光能量的限制，目前難以實(shí)現(xiàn)毫米直徑顆粒群對光伏電池的高速沖擊條件。

為此，本文中基于分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar，SHPB），發(fā)展一種可控的毫米直徑顆粒群高速沖擊實(shí)驗(yàn)方法；基于該方法，研究不同顆粒速度、直徑、數(shù)密度條件下，光伏電池的沖擊損傷特征及光電轉(zhuǎn)化衰減規(guī)律，并建立顆粒群沖擊損傷誘導(dǎo)光電轉(zhuǎn)換效率退化（damage-induced photovoltaicperformance degradation，DPPD）模型，定量描述無量綱損傷程度和影響面積對光電轉(zhuǎn)換效率的影響規(guī)律，為極端環(huán)境下光伏電池的性能預(yù)測方法提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 多晶硅光伏電池

實(shí)驗(yàn)中多晶硅光伏電池樣品面內(nèi)尺寸為41 mm×39 mm，厚度為0.18 mm，開路電壓為2.4 V，短路電流為190 mA。電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，表層為厚0.78 mm 的環(huán)氧樹脂封裝層，為芯層硅電池片提供物理防護(hù)；底層基板厚度為0.84 mm，可有效減緩殘余應(yīng)力導(dǎo)致的彎曲效應(yīng)。在標(biāo)準(zhǔn)測試條件（100 mW/cm2，AM1.5，T=25 ℃） 下，多晶硅光伏電池最大輸出功率為0.304 W，最佳工作電壓為1.75 V，最佳工作電流為174 mA，光電轉(zhuǎn)化效率為19.0%。

1.2 SHPB 驅(qū)動顆粒群沖擊實(shí)驗(yàn)方法

考慮到疊加效應(yīng)，設(shè)計(jì)了顆粒群短期高速沖擊實(shí)驗(yàn)，來獲得光伏電池的光電效率退化行為，為后續(xù)建立與長期低速沖擊損傷之間的關(guān)聯(lián)打下基礎(chǔ)。采用SHPB[22-23] 驅(qū)動較大尺寸顆粒群高速沖擊光伏電池，如圖2 所示。通過高壓氣槍驅(qū)動?24 mm×50 mm 的7075 鋁合金子彈撞擊?24 mm×250 mm 的7075鋁合金入射桿的左端，產(chǎn)生壓縮波并向右傳播，在到達(dá)入射桿的右端后反射形成拉伸波。實(shí)驗(yàn)前，大尺寸顆粒群采用硅脂輕微附著在入射桿的右側(cè)端面上。在拉伸波作用下，附著的顆粒與入射桿分離，以較高的速度沖擊光伏電池靶板，并發(fā)生反彈。由于入射桿端面平整，顆粒的速度可認(rèn)為呈均勻分布。采用不銹鋼擋板阻擋入射桿的剛體運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)中為了獲得較高的沖擊速度，鋁合金子彈及入射桿會部分發(fā)生塑性變形，每次實(shí)驗(yàn)更換子彈及入射桿。整個(gè)沖擊過程采用高速攝影進(jìn)行捕捉，采樣頻率為18 000 s?1，由此獲得顆粒群沖擊前后的速度，分析顆粒群的能量損失。為模擬沙塵環(huán)境，實(shí)驗(yàn)選用粒徑分別為1、2 和3 mm 的球形SiO2 顆粒[24]。通過調(diào)節(jié)氣槍裝置的氣壓調(diào)控顆粒群的沖擊速度，通過改變端面的顆粒數(shù)來改變顆粒群的數(shù)密度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微顆粒沖擊實(shí)驗(yàn)與表征

圖3 為典型的顆粒群對光伏電池的沖擊過程。初始時(shí)刻顆粒以幾乎相同的速度高速沖擊光伏電池后反彈，且反彈速度相近，表明該次沖擊過程中顆粒的能量損失幾乎相等，每個(gè)顆粒的沖擊效果相近。反彈的顆粒與入射桿右端再次撞擊反彈，對光伏電池形成二次沖擊。由于入射桿端反彈的顆粒速度較低，且對光伏電池的撞擊角度不一致，導(dǎo)致二次撞擊后顆粒反彈的速度及角度差別較大。因此，認(rèn)為光伏電池的沖擊損傷主要由第一次沖擊導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)中顆粒群的沖擊速度30～128 m/s，顆粒直徑1～3 mm，顆粒數(shù)目1～100，每組沖擊工況重復(fù)3 次實(shí)驗(yàn)。

圖4 為光學(xué)顯微鏡觀察到的不同工況下多晶硅光伏電池的損傷形貌。圖4（a） 為N=5、v=40 m/s、d=3 mm 沖擊下的形貌?？梢钥吹?jīng)_擊區(qū)域邊d=3 mm 沖擊條件下的形貌，沖擊中心周邊存在脆性剪切裂紋。圖4（c） 為N=15、v=65 m/s、d=3 mm 沖擊下的失效特征，隨著沖擊速度的提高，光伏電池的損傷更加嚴(yán)重，有明顯分層損傷特征。顆粒高速沖擊過程中，表層環(huán)氧樹脂封裝材料表現(xiàn)出黏彈性變形行為，而中間的芯層產(chǎn)生局部脆性碎裂失效。沖擊后封裝材料的變形逐漸恢復(fù)，使部分失效芯層剝離[25-27]，破壞了電池的結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重降低了光伏電池的光電轉(zhuǎn)化性能。

2.2 光伏電池?fù)p傷模式緣有延伸而出的剪切微裂紋。圖4（b） 為N=5、v=55 m/s、

光伏電池的性能退化是由于顆粒群沖擊引起的力學(xué)損傷導(dǎo)致的。因此，需要定量描述顆粒群沖擊誘導(dǎo)光伏電池的損傷模式和閾值條件，為不同沖擊條件下的損傷評估提供參考?；趯?shí)驗(yàn)觀察，顆粒群沖擊環(huán)境下，光伏電池的損傷模式可以分為以下三種。

第一種破壞模式（模式Ⅰ）的主要損傷特征如圖4（a） 所示。沖擊載荷造成變形區(qū)域邊緣形成大量的微裂紋。模式Ⅰ的單位面積損傷動能均小于單位面積的損傷動能閾值η（1.57～1.61 J/mm2），且處于模式Ⅰ光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率無明顯衰減。假設(shè)在高速沖擊條件下，微顆粒表現(xiàn)為流體性質(zhì)[28]，此時(shí)模式Ⅰ的沖擊應(yīng)力σI 為：

σⅠ = ρpv2i／2 （1）

式中：ρp 為微顆粒密度，vi 為顆粒的沖擊速度。實(shí)驗(yàn)中顆粒密度為2 650 kg/m3，顆粒沖擊速度為0～65 m/s。由此可以確定模式Ⅰ的損傷應(yīng)力小于6 MPa。光伏電池的失效過程由模式Ⅰ開始。

第二種破壞模式（模式Ⅱ）為光伏電池的脆性斷裂，如圖4（b） 所示。模式Ⅱ單位面積的損傷動能為1.57～3.00 J/mm2。光伏電池的損傷來自沖擊表面的高接觸應(yīng)力。根據(jù)一維應(yīng)力波理論[29]，接觸時(shí)光伏電池內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力σⅡ和環(huán)向拉應(yīng)力σφ約為[30]：

式中：Ep 和Ec 分別為顆粒和光伏電池的彈性模量。cp=2 340 m/s，cc=750 m/s。vi=55 m/s 時(shí)，壓應(yīng)力σⅡ=175 MPa，環(huán)向拉應(yīng)力σφ=67 MPa；vi=87 m/s 時(shí)，壓應(yīng)力σⅡ=277 MPa，環(huán)向拉應(yīng)力σφ=97 MPa。

第三種破壞模式（模式Ⅲ）為沖擊彎曲誘導(dǎo)的界面分層破壞，如圖4（c） 所示。模式Ⅲ單位面積的損傷動能為3.00～12.47 J/mm2。光伏電池沖擊區(qū)域的彎曲正應(yīng)力可以通過兩端固支梁的彎曲理論來估計(jì)。沖擊位置的集中力F = pπr2p[31]，其中動壓p =ρpv2i／2，rp 為損傷區(qū)域的半徑，認(rèn)為與顆粒的半徑相同。

σmax = 400pr2p（3-2rp/R）/（6H2PV）（5）

式中：R 為光伏電池的等效半徑，HPV 為光伏電池的厚度。在rp=1 mm，vi=122 m/s 時(shí)，F(xiàn)=62 N，σⅢ=σmax=355 MPa。而rp=1.5 mm，vi=98 m/s 時(shí)，F(xiàn)=90 N，σⅢ=515 MPa。

2.3 受損電池光電性能測試

實(shí)驗(yàn)采用如圖5 所示的I-V 測試方法，雖然其準(zhǔn)確性略低于外量子效率和SolTrace tools[32]，但由于該方法易實(shí)現(xiàn)，且測試成本較低，因此在工程上應(yīng)用廣泛。光伏電池受沖擊前后的典型電輸出曲線如圖6 所示，光電測試結(jié)果如表1 所示。在標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境（100 mW/cm2，AM1.5，T=25 ℃）下，工作電流保持穩(wěn)流特性，直至工作電壓達(dá)到1.75 V，輸出功率達(dá)到最大值Pm=0.304 W，光電轉(zhuǎn)化效率為19.0%，此時(shí)的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓和最佳工作電流，分別記為Um 和Im。從圖6 可以發(fā)現(xiàn)，Pm、Um 和Im 衰減均較快，而I-U 曲線拐點(diǎn)偏移表明光伏電池穩(wěn)流特性下降。對于 3 mm 顆粒，光伏電池沖擊的損傷閾值速度為30 m/s。當(dāng)N=15、v=65 m/s 時(shí)，光伏電池輸出功率衰減30%，光電轉(zhuǎn)化效率降至13.3%；對于?2 mm 顆粒，沖擊損傷閾值速度為65 m/s，當(dāng)N=15、v=128 m/s 時(shí)，光伏電池輸出功率衰減36%，光電轉(zhuǎn)化效率降至12.2%；對于?1 mm 顆粒，在實(shí)驗(yàn)測試最大沖擊速度128 m/s 下未表現(xiàn)出明顯損傷，光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率保持在19.0%。此外，考慮到砂礫沖擊粒徑分布不均的情況，采用?3mm和?2 mm 顆粒群進(jìn)行先后沖擊。在N=5、v=45 m/s、d=3 mm 與N=10、v=87 m/s、d=2 mm 的沖擊工況下，光伏電池輸出功率衰減12.5%，光電轉(zhuǎn)化效率降至13.3%。在不同參數(shù)沖擊下，光伏電池呈現(xiàn)出微裂紋、明顯脆性斷裂和芯層脫落三種典型損傷模式[33-36]。

2.4 DPPD 模型

為了建立沖擊參數(shù)對光伏電池光電轉(zhuǎn)化性能的定量關(guān)系，考慮顆粒的密度、數(shù)密度、直徑以及沖擊速度對光伏電池的影響，建立了損傷誘導(dǎo)光電性能退化（DPPD） 模型[16]。光伏電池沖擊損傷后的光電轉(zhuǎn)換效率可以認(rèn)為是完好區(qū)域和受損區(qū)域兩部分光電轉(zhuǎn)化效率的總和：

EPV = EPV0[1-（NS damaged=S all）]+ EPV1（NS damaged=S all）= EPV0[1-（NS damaged=S all）]+ EPV0 （1D）（NS damaged=S all）= EPV0[1-D（NS damaged=S all）]（6）

式中：EPV0 為完好光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率，EPV 為沖擊后光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率，EPV1 為光伏電池受損區(qū)域的效率，Sall 為光伏電池的感光區(qū)域總面積，Sdamaged 代表單顆粒沖擊下的受損面積，N 為顆粒數(shù)，無量綱參數(shù)D 取值范圍為0～1，表示受損區(qū)域的平均損傷程度。D 可由單位面積下?lián)p傷動能與沖擊動能閾值的比值來表示。當(dāng)η＜Ek/Sdamaged＜ζ 時(shí)，

D = α（Ek／S damaged -η）／η （7）

S damaged =βπd×1 =βπd （8）

式中：α 為無量綱常數(shù)，Ek/Sdamaged 為單位面積（mm2）微顆粒沖擊動能，η 為光伏電池單位面積的損傷動能閾值，ζ 為單位面積的失效動能閾值。由于電池樣品存在一定差異（如封裝厚度、硅片缺陷），且沖擊位置（如沖擊區(qū)域是否存在焊帶）不同會導(dǎo)致不同的損傷特性，η 與ζ 存在一定誤差。為此，取不同沖擊工況下得到的η 與ζ 的平均值進(jìn)行計(jì)算。式（8） 中β 為無量綱常數(shù)，d 為微顆粒直徑。將式（7）～（8） 代入式（6），可得：

EPV = EPV0[1-N（Av2d3 - Bd）]（9）

式中：A=αβπρP/12η，B=αβπ/Sall。ρP 為微粒密度。Ek/Sdamaged≤η 與Ek/Sdamaged≥ζ 分別為未損傷與完全失效，故D 分別取0 和1。因此：

圖7（a）和（b）為?3 mm 顆粒分別在顆粒數(shù)目N=15 和N=5 的情況下，沖擊誘導(dǎo)光電轉(zhuǎn)換效率的衰減與顆粒沖擊速度的關(guān)系。完好的光伏電池的轉(zhuǎn)換效率為19.0%。沖擊速度從23 m/s 增加到65 m/s 時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率分別下降至15.2%、17.3%。根據(jù)式（10） 對多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到A=2.33×10?7 g/（J·mm），B=3.51×10?3 mm?2。由此可以得出該光伏電池在?3 mm 顆粒群沖擊下的損傷閾值速度vT≈40 m/s。低于該臨界沖擊速度時(shí)，光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率衰減可以忽略不計(jì)。根據(jù)圖7（ a）所示的擬合結(jié)果，?3 mm 顆粒群的極限速度vlimit≈128 m/s。單位面積沖擊動能Ek/Sdamaged 超過單位面積動能損傷閾值η 時(shí)，光伏電池受損區(qū)域?qū)l(fā)生結(jié)構(gòu)破壞而完全失效。在vT 和vlimit 之間，隨著沖擊速度的增大，光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率迅速下降。

圖7（c）為?2 mm 顆粒、顆粒數(shù)目N=10 的沖擊參數(shù)下，沖擊誘導(dǎo)光電轉(zhuǎn)換效率的衰減與顆粒沖擊速度的關(guān)系。當(dāng)沖擊速度從36 m/s 增加到112 m/s 時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率從19.0% 下降到16.1%。在相同的參數(shù)A、B 取值條件下，根據(jù)式（10） 對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得該光伏電池在?2 mm 微粒沖擊下的損傷閾值速度vT≈65 m/s，極限速度vlimit≈198 m/s。此外，還擬合了多粒徑?jīng)_擊工況下的預(yù)測模型。如圖7（d）所示，在?2 mm 及?3 mm 混合顆粒、顆粒數(shù)目N=10 的沖擊參數(shù)下，當(dāng)沖擊速度從23 m/s 增加到70 m/s 時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率從19.0% 下降到16.3%?；旌项w粒群沖擊下的損傷閾值速度vT≈40 m/s，極限速度vlimit≈100 m/s。該DPPD 模型預(yù)測的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果相符，驗(yàn)證了模型的適用性，為極端環(huán)境下沙礫對光伏電池的沖擊損傷與光電轉(zhuǎn)化性能衰減行為提供了有效的預(yù)測方法。

3 結(jié) 論

（1） 基于霍普金森壓桿裝置，發(fā)展了毫米直徑顆粒群沖擊誘導(dǎo)光伏電池?fù)p傷與性能退化的實(shí)驗(yàn)方法，該方法能夠有效模擬極端風(fēng)沙環(huán)境下光伏電池的損傷與性能衰減特性。

（2） 獲得了不同沖擊參數(shù)下，多晶硅光伏電池的沖擊損傷形貌特征、光電轉(zhuǎn)化效率的衰減特性以及沖擊損傷的臨界閾值速度。發(fā)現(xiàn)隨著顆粒直徑、沖擊速度和顆粒群數(shù)密度的增加，光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率快速降低。

（3） 單位面積的沖擊動能決定光伏電池的失效模式。隨著單位面積沖擊動能的提高，光伏電池分別展現(xiàn)出沖擊區(qū)邊緣微裂紋、沖擊區(qū)域剪切破壞、沖擊區(qū)界面分層三種典型失效模式?；诓煌牧W(xué)機(jī)制，給出了三種失效模式對應(yīng)的應(yīng)力閾值條件。

（4） 考慮顆粒群參數(shù)和沖擊參數(shù)的影響，建立了顆粒群沖擊誘導(dǎo)光伏電池光電性能衰減的物理模型，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的適用性，為極端風(fēng)沙環(huán)境下光伏電池的光電轉(zhuǎn)化性能預(yù)測提供了一種有效的方法。

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（責(zé)任編輯 曾月蓉）