光伏组件功率衰减分析研究_黄盛娟

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 ℃、湿度 85%。每隔一 段时间测试其组件功率及陪样 EVA 的黄变指数， 共测试 1000 h 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。
21 SOLAR ENERGY 06/2015
技术产品与工程
据 IEC 61215 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。
表 1 光伏组件室外暴晒实验功率变化情况
编号 暴晒前功率 /W 暴晒后功率 /W 衰减率 /%
I-1
250.30
250.05
0.10
I-2
22 SOLAR ENERGY 06/2015
编号 #1
#2 #3
Voc/V 37.76 37.80 37.63 37.65 37.57 37.59 37.48 37.46 37.80 37.83 37.94 37.97 37.65 37.78 37.88 37.87
技术产品与工程
表 2 组件暴晒功率变化对比表
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。
9.0
8.0 时间：2015-06-05 18:25:54 Eff=0.1298
8.09 247.68 0.75
2014.10.04
1.97
0.79
8.70
30.22
8.16 246.70 0.75
2014.11.04
2.44
0.98
8.72
30.47
8.14 248.09 0.76
2014.07.25
-
-
8.56
30.58
8.05 246.21 0.76
2014.08.12
1.88
a.
b.
图 7 组件 EVA 发黄图
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。
组件类型
FF
初始功率
0.77
未黄变 EVA
0.76
黄变 EVA
0.75
表 3 组件 EVA 黄变与未黄变衰减对比表
Isc/A 5.23
Voc/V 44.73
Imax/A 4.97
7.0 Rsh=128.51 Ω
6.0 Rs=0.60289 Ω
FF=0.7448 5.0 Isc=8.9222 A 4.0 Voc=37.864 V
3.0
Imax=8.3145 A Vmax=30.262 V Pmax=251.62 W T=25 ℃
2.0
T 环境 =24.937 ℃
T 表面 =26.1 ℃ 1.0
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
3.0
2.0
1.0
0.0 0 4 8 12 16 20
300
250
200
150 Imax=5.8142 A
Vmax=33.299 V Pmax=193.61 W
100
T=25 ℃
T 环境 =24.75 ℃
50
T 表面 =25.3 ℃
0
24 28 32 36
电压 /V
图 2 任一电池片未初始光照衰减组件的 I-V 曲线
Vmax/V 36.20
5.17
44.53
4.88
36.02
5.03
44.51
4.71
36.03
Pmax/W 180.0 175.8 169.7
衰减率 /% -
2.23 5.70
由表 3 可知，EVA 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
Isc/A
Vmax/V
Imax/A
Pmax/W
FF
测试时间 衰减值 /W 衰减率 /%
8.75
30.38
8.23 250.03 0.76
2012.09.07
-
-
8.68
30.35
8.22 249.50 0.76
2012.10.15
0.53
0.21
8.72
30.20
8.21 247.91 0.76
2012.12.06
1 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 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
关键词： 光伏组件；初始光衰；老化衰减；Baidu Nhomakorabea率衰减
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。
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。
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。
0.0 0 4 8 12 16 20 24 28 32
电压 /V
图 1 正常组件 I-V 曲线图
280 240 200 160 120 80 40 0 36
电流 /A 功率 /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 2 所示。
图 3 光伏组件封装结构图
2.1 EVA 老化对光伏组件功率衰减影响 把组件分为 A、B、C、F806 4 组，分别采
用 4 个不同厂家的 EVA 材料，电池片、玻璃、
a. EVA 老化
b. 背板老化
图 4 材料老化外观图
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
250.12
249.89
0.09
I-3
249.80
249.53
0.11
II-1
250.30
247.46
1.13
II-2
250.12
246.12
1.60
II-3
249.80
245.49
注：STC 状态均为辐照度 1000 W/m2，AM 1.5。
1.73
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
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。
组件功率衰减包括组件初始光致衰减、组件 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。
0
A
B
C
200
400
600
800
时间 /h
图 5 组件湿热老化功率衰减图
F806 1000
30
25
A
B
C
F806
20
15
10
5
0
0
100
200
400
600
800 1000
时间 /h
图 6 EVA 湿热老化黄变指数变化图
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，发现该光伏电站的组件也 部分存在 EVA 黄变现象，如图 7 所示。
技术产品与工程
光伏组件功率衰减分析研究
■ 黄盛娟 1，2 唐荣 2 唐立军 1* (1. 长沙理工大学物理与电子科学学院；2. 湖南红太阳新能源科技有限公司 )
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。
2.12
0.85
8.69
30.21
8.18 246.98 0.75
2012.12.14
3.06
1.22
8.59
30.19
8.09 244.25 0.76
2013.04.02
5.78
2.31
8.59
30.15
8.07 243.34 0.75
2013.04.19
6.70
2.68
8.57
30.15
8.00 241.29 0.75
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 F806 EVA 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
23 SOLAR ENERGY 06/2015
功率 /W
EVA 黄变指数 /Y
技术产品与工程
248 246 244 242 240 238 236 234 232
0.75
8.53
30.44
8.07 245.70 0.76
2014.10.04
2.06
0.83
8.61
30.28
8.13 246.03 0.75
2014.11.04
2.39
0.96
2 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 EVA 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。
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。
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
电流 /A 功率 /W
9.0 8.0 时间：2015-06-05 18:16:13
Eff=0.099882 7.0 Rsh=141.08 Ω 6.0 Rs=0.59668 Ω
FF=0.57301 5.0 Isc=8.9328 A 4.0 Voc=37.824 V
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 60 kWh/m2( 根
收稿日期：2015-03-20 通信作者：唐立军 (1963—)，男，博士、硕士生导师，主要从事信号检测与处理方面的研究。tanglj2009@163.com
2013.05.27
8.74
3.50
8.53
30.17
7.98 240.69 0.75
2013.06.07
9.35
3.74
8.72
30.54
8.16 249.14 0.76
2014.07.25
-
-
8.66
30.64
8.07 247.36 0.76
2014.08.12
1.78
0.71
8.66
30.62