热斑效应原理简介及模拟实验

热斑效应原理简介及模拟实验
杨江海，龚露，蒋忠伟，孙小菩
（东莞南玻光伏科技有限公司，东莞，523141）
摘要：热斑效应在太阳电池的实际应用中非常普遍，而且热斑效应严重影响太阳电池的性能和寿命，并有很大的危险性。

研究热斑效应的影响因素，降低热斑效应危害性至关重要。

本文首先介绍了组件产生热斑效应的原因，模拟了组件发生热斑效应时遮挡电池片和对应二极管的电压电流曲线以及组件的I-V曲线，并对其进行了解释。

最后，通过等效电路在理论上分析了影响组件热斑效应大小的关键因素。

关键词：光伏，组件，热斑效应，二极管
引言
随着太阳能电池的广泛应用，一些影响光伏组件发电性能及其寿命的不利因素也随之出现，热斑效应就是其中之一。

目前，大部分人认为发生在光伏组件上的热斑是由于光伏组件被局部遮阴引起的，而根据实际观察，正常组件在毫无遮挡的环境下，热斑现象也十分普遍。

由于发生热斑效应严重的地方局部温度可能较高，有的甚至超过150℃，导致组件局部区域烧毁或形成暗斑、焊点融化、封装材料老化、玻璃炸裂、焊带腐蚀等永久性破坏，给组件的安全性和可靠性造成极大地的隐患[1~5]。

因此，有必要开展一些基础性实验，详细了解热斑效应产生的原因、热斑效应时热斑电池片的电压电流特性以及电
池那些性能参数会影响组件热变效应。

1、热斑形成的原因
热斑效应是指光伏组件处于工作状态时，组件中某个单体电池或几个单体电池由于遮光或本身原因导致电流降低，当工作电流超过该单体电池或几个单体电池时，则该部分电池被置于反向偏置状态，在电路中的功能由电源变为负载，消耗能量，从而在组件内部形成局部过热现象。

因此，造成组件产生热斑效应有先天性的电池间微小差异原因（硅片质量，电池工艺导致电池EQE曲线不一致即不同光照强度下电池电性能出现差异）和后天性的遮蔽等原因。

为减轻、避免热斑效应，组件在制备过程中会在相邻串之间反向偏置并联一旁路二极管[6~7]，如图1所示。

在正常情况下，旁路二极管处于反向偏置状态，当组件中某一片单体电池或几片单体电池被遮蔽时，如果组件工作电流大于遮挡片电流时则该片电池将处于反向偏置状态，当该电池片两端的反向电压大于该串电池电压加上二极管启动电压之和时，该旁路二极管启动，故障串被隔离出组件。

图1 旁路二极管的连接示意图
2、组件热斑时被遮挡电池片及相应旁路二极管的电压电流曲线
为更清楚的研究并理解热斑效应，我们选用一块组件在户外进行模拟，主要研究组件安装旁路二级管和不安装旁路二极管两种条件下，不同遮光比例对遮挡电池片及旁路二极管的电压电流影响情况。

图1 不同阴影遮挡下电池工作电压曲线图2 不同阴影遮挡下电池工作电压曲线
图1和图2分别为未安装二极管和安装二极管时，不同遮光比例对遮挡电池片两端电压的影响曲线。

从图中可以看出，在未遮挡的情况下，电池两端的电压均为单片电池光照时的工作电压0.4V，当电池被遮挡25%时，遮挡片两端的电压从正向转为反向并迅速增大，未安装二级管的为-18.9V，安装二极管的为-9.5V。

随着遮挡比例的进一步增大，电池两端的电压略微增大并趋于稳定。

全部遮挡时，安装二极管的为-10.57V，未安装二极管的为-21.3V。

这说明安装二极管可以降低遮挡电池片上的负压从而避免电池片受到较大的反向电压而导致热穿击。

前已叙述，当组件安装二极管时，二极管启动的条件为单片电池承受的反向电压大于二极管的启动电压和该串所有电池电压之和，因此遮挡电池片承受的反向电压最大为该串所有电池电压之和加上二极管的启动电压。

单串串联的电池越多，遮挡片承受的反压越大。

图3 不同阴影遮挡下二极管工作电压曲线图4不同阴影遮挡下二极管工作电流曲线
图3和图4为不同遮光比例对旁路二极管两端电压和电流的影响曲线。

可以看出，当组件未被遮挡时旁路二极管两端上的电压已经达到了0.26V左右，虽然此时流经二极管的电流很低为0.3A，但这足以说明该串电池组已经存在热斑效应了，只是热斑影响的程度较低。

当电池片被遮挡25%时，施加在二极管两端的电压和电流分别升高至0.31V和1A。

随着遮光比例的进一步增加二极管两端的电压逐渐升高并趋于稳定，流经二极管的电流则线性升高。

图5 多晶电池暗特性曲线图6 二极管IV曲线图5为使用我司恒压源测试的多晶156电池的电压电流特性曲线，从图中可以看出，多晶硅电池的启动电压为20V左右，击穿电压大于25V。

在组件设计时，为保证组件的安全性和可靠性，设计电压一般选择为10V，按照单片电池最大功率点工作电压0.5V计算，
与旁路二极管并接的最大电池片数量约为20片。

图6是采用恒压源测试的二极管的电压电流曲线，可以看出，该肖特基二极管的启动电压约为0.3V，当二极管上施加的电压超过0.4V时，二极管的导电能力急剧增加。

3、遮光组件的IV曲线分析
图7不同遮光比例下组件的IV曲线
图7是使用同一组件（6×10规格）对固定位置的电池片进行不同比例遮光后测试的IV曲线。

从图中可以看出，电池遮挡25%、50%、75%时组件的IV曲线都呈现阶梯状，三条IV曲线在台阶升高部分和遮挡100%的IV曲线重合，且在台阶拐角处对应的电流分别约为未遮挡组件短路电流的1/4、1/2、3/4。

出现这种现象的原因为当组件工作电流低于遮挡电池片的短路电流时遮挡电池片处于发电状态，相当于直流电源。

而当组件工作电流大于遮挡电池片短路电流后，遮挡电池片开始承受负压，此时并联在该串上的旁路二极管开始启动，当加载
在单片电池上的负压超过二极管启动电压和该串电池电压后，二极管相当于导线，问题组件串被短路隔离出组件，组件电流升高并趋于稳定。

台阶区域重合部分的曲线为二极管的IV 曲线，因此相一致。

另外，从图中还可以看出，单片电池遮挡25%、50%、75%时组件的开路电压基本相同，而遮挡100%时组件的开路电压约为其它情况的下的2/3。

这是因为虽然遮光比例不同，但电池的开路电压变化不大，而当单片电池全部遮挡时，组件的旁路二极管启动，被遮光电池在内的电池串被旁路，组件电压减少1/3。

4、电池影响组件产生热斑效应的因素
图9 电池正偏及反偏时的等效电路图
为研究清楚电池那些性能参数会影响组件产生热斑效应的大小程度，下文将以太阳电池的等效电路图来进行说明。

图9为单体太阳电池的等效电路图，当外加反向电压时，其等效电路如图（b)所示，反偏时流过晶体硅太阳电池中的电流为：
R rev s rev R sh R sh U I R I I I I R -=+=+
（1） 式中，rev I 为晶体硅太阳电池加上一定的反向电压R U 时，流过电池中的逆电流；R I 为流过太阳电池等效二极管的反向电流；sh I 为流过并联电阻的电流；s R 为串联电阻，sh R 为并联电阻。

经过等式变化上
式可以写成：
R sh R rev sh s sh s I R U I R R R R =+++ （2）
由于s R 远远小于sh R ，上式可变化为：
R
rev R sh s U I I R R =++ （3）
从上式可以看出，无论饱和电流的增加或sh R 的减少都将引起晶体硅电池在特定R U 下逆电流的增大。

如果不考虑电池作为二极管消耗的功率，遮挡电池片消耗的总功率可写成：
222222sh s sh sh rev s
R sh rev s sh s R rev s sh s
P P P I R I R U R I R R R U I R R R =+=+⎛⎫=+ ⎪+⎝⎭
=++ （4） 从（3）、（4）式可以看出，如果电池的并联电阻值越小，该片电池热斑时逆电流也越大，消耗的功率也越多，对组件的危害也越大。

另外，不能使用反向电流过大的电池，如果电池的反向电流太大，热斑效应时加载在遮挡电池片上的反向电压将降低，从而可能使旁路二极管失去保护作用。

有资料提出，实际应用中太阳电池的暗电流在12V 时应低于1.5A 。

5、结论
为降低组件热斑风险建议以下措施：
（1）尽量选用相一致EQE 曲线的电池，避免正常情况下产生热斑效应；
（2）与旁路二极管并联的电池串电池数量不能太多，否则施加在遮挡电池片上的反向电压太大，导致电池被热击穿；
（3）不能使用反向电流过大的电池，尽量提高电池的并联电阻。

如果电池的反向电流太大，热斑效应时加载在遮挡电池片上的反向电压将降低，从而可能使旁路二极管失去保护作用。

有资料提出，实际应用中太阳电池的暗电流在12V时应低于1.5A。

（4）优先选用启动电压较低的肖特基二极管，当组件被遮挡时二极管更早启动，尽量降低组件热斑效应。

参考文献
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