基于IEC 61215 標(biāo)準(zhǔn)中濕熱(DH)、濕凍(HF) 試驗(yàn)的環(huán)境條件參數(shù)，對組件連續(xù)施加超量的環(huán)境條件壓力，分析其性能變化；并將其靜置1 年后復(fù)測其功率，發(fā)現(xiàn)長時間靜置對其功率有很大影響；然后繼續(xù)對組件進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，并置于戶外曝曬，其間測量其功率變化；后拆解組件，研究濕熱及濕凍試驗(yàn)分別對組件造成的影響。研究發(fā)現(xiàn)：濕熱試驗(yàn)DH3000 是功率衰減的一個臨界點(diǎn)，且對組件焊帶腐蝕深度較深，匯流條腐蝕程度也較大；而長時間的濕凍試驗(yàn)靜置功率會大幅恢復(fù)，且濕凍試驗(yàn)使背板脆化相當(dāng)嚴(yán)重，焊帶整體腐蝕面積也較大。通過整個實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，組件在經(jīng)過環(huán)境試驗(yàn)后，靜置多久去測量其功率是一個需要重新考究的方面。

    隨著生產(chǎn)工藝的逐步提高，IEC 61215 所測試的量已不足以考驗(yàn)組件的耐候性，也無法模擬或探索出組件在戶外實(shí)際所經(jīng)受的失效形式。根據(jù)TüV 的分析，熱斑測試、濕凍測試、濕熱測試這3 種測試的失效率，如圖1 所示。組件熱斑現(xiàn)象機(jī)理較明晰，在戶外出現(xiàn)熱斑的情況較少，即使有也多出現(xiàn)在早晚輻照不強(qiáng)時，易避免。所以，組件的濕凍及濕熱試驗(yàn)是對組件考驗(yàn)的兩個因素，本文針對這兩個因素，在IEC61215 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上展開深入的測試研究。

    1、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    收集同一個廠家同一批次生產(chǎn)的4 塊組件( 該類型組件由60 片多晶硅太陽電池片組成)，并將其編號。1# 和2# 組件用于DH2500 試驗(yàn)，每500 h 取出測一次功率及EL；3# 和4# 用于HF100 測試，每10 個循環(huán)測一次功率及EL。首先將組件同時接受光輻照5 kWh/m2 的預(yù)處理，預(yù)處理之后測得的功率如表1 所示。

    得到預(yù)處理后的功率數(shù)據(jù)后，試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程如圖2 所示。將1# 和2# 組件置于高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱中，設(shè)置濕度85% 和溫度85 ℃的試驗(yàn)條件，每500h 取出組件進(jìn)行功率和EL 檢測；將3# 和4# 組件置于濕凍環(huán)境箱中，設(shè)置RH 85% 和-40～85℃的溫度循環(huán)，單個循環(huán)周期為24 h，每10 個循環(huán)取出組件進(jìn)行功率和EL 檢測。

    連續(xù)環(huán)境試驗(yàn)結(jié)束后，將組件靜置于常溫暗室內(nèi)1 年；之后將1# 和3# 組件分別加量做DH500 和HF10 環(huán)境試驗(yàn)后，測試功率及EL；2# 和4# 組件測試紅外圖像；之后將4 塊組件同時置于戶外曝曬25 kWh/m2 后測試功率曲線；后將1# 和3# 組件拆解分析。 

    2、試驗(yàn)過程與結(jié)果 

    2.1濕熱濕凍連續(xù)老化試驗(yàn)組件功率衰減
    圖4 分別為1# 和2# 組件( 均為DH2500) 功率衰減、串聯(lián)電阻及填充因子FF 的變化情況。

    濕熱試驗(yàn)后，組件功率衰減較少，兩塊組件終衰減都在2.5% 左右。功率衰減與串聯(lián)電阻的增大正相關(guān)，F(xiàn)F 變化不明顯。

    圖5 為3# 和4# 組件( 均為HF100) 功率衰減、串聯(lián)電阻及填充因子FF 的變化情況。濕凍試驗(yàn)的組件功率前期衰減較少、后期較多，整體呈冪函數(shù)趨勢。隨著組件功率的衰減，串聯(lián)電阻呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)趨勢，而FF則呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的趨勢。

    表2 為4 塊組件在連續(xù)試驗(yàn)并靜置1 年后的功率和串聯(lián)電阻的變化情況。靜置后串聯(lián)電阻繼續(xù)增大，說明串聯(lián)電阻的增大原因是一個不可逆的過程，即為腐蝕[6]。同時，濕熱試驗(yàn)后組件功率未變，而濕凍試驗(yàn)后組件功率大幅回升，原因分析如下：

    1) 對于濕熱試驗(yàn)：如表3 所示，兩塊組件濕熱試驗(yàn)恢復(fù)1 年后，F(xiàn)F 都下降了，這與串聯(lián)電阻增大導(dǎo)致FF 下降相一致。由于串聯(lián)電阻的增大，功率點(diǎn)電壓Vmp 降低。但是短路電流Isc的變化是不隨組件焊帶的腐蝕等因素變化的，正如開路電壓Voc 無變化一樣，Isc 的變化與輻照強(qiáng)度及禁帶寬度有關(guān)，但是Voc 幾乎未變，電池外觀也無較大改變，所以禁帶寬度未發(fā)生變化。Isc的變化在于輻照強(qiáng)度，但測試儀器是同一臺且都經(jīng)過標(biāo)定，那么原因很有可能來自于組件正面的水汽導(dǎo)致玻璃和EVA 透光率的變化，當(dāng)靜置后水汽蒸發(fā)，透光率增大，輻照量增強(qiáng)，所以Isc 增大。同樣，功率點(diǎn)電流Imp 增大，但Vmp 減小，所以組件的功率P=VmpImp 未改變。

    2) 對于濕凍試驗(yàn)：表4 為濕凍試驗(yàn)及恢復(fù)后組件各電學(xué)參數(shù)，由表4 可知，功率點(diǎn)電壓Vmp降低，功率點(diǎn)電壓Imp增大，短路電流Isc增大，開路電壓Voc 變化輻度很小，可認(rèn)為不變。但功率P 卻有大量的恢復(fù)，原因就在于并聯(lián)電阻Rsh 明顯增大(表明漏電流減少了)，Isc 和Imp 的增量也較大，推測這是濕氣的蒸發(fā)所致。但是同樣的蒸發(fā)，濕熱試驗(yàn)卻未出現(xiàn)功率恢復(fù)和并聯(lián)電阻增大，說明除了濕氣蒸發(fā)、組件正面透光率上升之外，還有其他原因。濕熱和濕凍試驗(yàn)后兩種組件外觀并未發(fā)生改變，但是試驗(yàn)過程中濕凍試驗(yàn)是通40 μA電流的，電流在大量濕氣進(jìn)入組件的情況下，很有可能使焊帶出現(xiàn)漏電通道，導(dǎo)致組件并聯(lián)電阻減小，功率快速下降，表5 中濕凍試驗(yàn)HF90和HF100 過程中對應(yīng)組件功率大幅的衰減就很可是這個原因造成的。綜上所述，濕氣、電流、溫度及溫度循環(huán)4 個條件共同造成濕凍組件焊帶出現(xiàn)漏電通道，導(dǎo)致組件并聯(lián)電阻增大，功率減小。

    通過以上分析可知：濕熱試驗(yàn)靜置1 年后的功率與DH2500 的功率相同，這是由于組件靜置的這1 年，焊帶腐蝕繼續(xù)增大，組件正面濕氣部分蒸發(fā)；而濕凍試驗(yàn)靜置1 年后的功率小于HF100 的功率，這是因?yàn)槌松鲜鰞蓚€因素外，還有一個原因是組件內(nèi)部漏電通道減弱或消失，并聯(lián)電阻明顯回升，功率大幅恢復(fù)。

    從圖6 的EL 圖像可看出，紅色圈出部分出現(xiàn)了明顯的明暗片、連接處腐蝕或串聯(lián)電阻增大的現(xiàn)象。這表明從HF90 到HF100 功率大幅衰減的原因除了漏電通道外，就是串聯(lián)電阻的增大和電池間的失配。

    2.21#、3# 組件加量環(huán)境試驗(yàn)

    對1#、3# 組件加量環(huán)境試驗(yàn)，得到結(jié)果見表6。由表6 可知，1)兩塊組件短路電流Isc 在試驗(yàn)后都下降了，開路電壓Voc 變化很小，可認(rèn)為不變，驗(yàn)證了之前所說濕氣進(jìn)入組件正面的這個理論。2)1# 組件的功率出現(xiàn)了較大的衰減，與NERL 提出的DH2500后衰減加快的理論一致；3# 組件HF110 相比于HF100 功率更高，說明濕凍環(huán)境的持續(xù)疊加比靜置很久之后再放入該環(huán)境下試驗(yàn)對組件造成的傷害更大。3) 串聯(lián)電阻的大量增加也表明濕凍試驗(yàn)對組件的腐蝕更嚴(yán)。

    將4 塊組件置于戶外曝曬(測得實(shí)際曝曬量為25 kWh/m2) 后測試其功率，其中2#、4# 組件靜置1 周后復(fù)測功率，結(jié)果見圖7。由圖7 可知：1)1# 組件加做DH500 和2# 組件曝曬25 kWh/m2 后，以及3# 組件加做HF10 和4# 組件曝曬25 kWh/m2 后，組件功率相差不大，說明組件在老化嚴(yán)重時，戶外曝曬對其損傷很大；2) 2#、4# 組件經(jīng)受室外曝曬后靜置的時間不同，所測的功率相差較大，結(jié)合前文提及的靜置1 年功率大量恢復(fù)可知，組件在經(jīng)受環(huán)境試驗(yàn)后，測其功率的時間點(diǎn)也是需要考究的。

    2.3拆解分析匯流條、焊帶及背板

    圖8a 中，隨著試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)力的加強(qiáng)，濕熱試驗(yàn)對組件匯流條的腐蝕程度更深，對比右邊HF110 后的匯流條，左邊DH3000 后的匯流條表面涂層有明顯的腐蝕現(xiàn)象。將HF110 及DH3000后的組件焊帶剝離出來，如圖8b 所示，濕熱試驗(yàn)對組件匯流條腐蝕程度更深，而且濕凍試驗(yàn)匯流條整體光澤度很差，很像是水汽長期凝附于表面的結(jié)果。

    圖9a 中，濕凍試驗(yàn)焊帶并未腐蝕，組件正面卻出現(xiàn)輕微的黃變現(xiàn)象；濕熱試驗(yàn)組件的焊帶出現(xiàn)了局部腐蝕，但整體光澤度較好。圖9b和圖9c 也存在同樣的現(xiàn)象：濕凍試驗(yàn)組件的焊帶整體腐蝕面積較大，光澤度較差；濕熱試驗(yàn)組件的焊帶腐蝕程度更深，尤其是圖9c 中紅色圈出部分明顯出現(xiàn)了銅基的露出，表明銀電極與焊帶間Sn-Pb 腐蝕嚴(yán)重。

    為了解焊帶的成分以便對其老化有深入的認(rèn)識，對拆解出的匯流條和焊帶進(jìn)行SEM 電鏡掃描。該設(shè)備原理是通過聚焦的電子束轟擊樣品表面，通過電子與樣品表面的作用來分析該樣品。一般與能譜(EDS) 分析結(jié)合，能夠測出樣品表面各種元素的含量。

    在匯流條的正面( 見圖10) 發(fā)現(xiàn)微量的Al 元素( 約占0.36%) 和Na 元素( 約占0.52%)，應(yīng)該是分別來自于鋁邊框及玻璃中，表明存在元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象；正面未發(fā)現(xiàn)Cu 元素，但背面卻發(fā)現(xiàn)較大含量的Cu 元素，表明背面濕氣的含量遠(yuǎn)大于正面含量，導(dǎo)致匯流條背面表面涂層被腐蝕。濕熱試驗(yàn)的匯流條測試結(jié)果與濕凍試驗(yàn)大體一致。

    在焊帶中，正常涂層材料為Sn-Pb 合金，Sn-Pb 比例為63%∶37%，涂層材料不含O 元素和Ag 元素，其未被腐蝕前也不會測出銅基底中的Cu 元素。在拆解出來的焊帶中，選取濕凍腐蝕、濕熱腐蝕、濕凍完好、濕熱完好的焊帶表面各2個點(diǎn)進(jìn)行電鏡掃描，每種類型點(diǎn)所含的元素重量百分比取兩個點(diǎn)的均值，比較O、Cu、Ag、Sn、Pb 5 種元素，結(jié)果如表7 所示。

    電鏡掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4 種狀態(tài)的焊帶都含有較多O元素，除了取出后與空氣中O2直接接觸氧化外，焊帶在組件內(nèi)部時已被氧化，且無論表面Sn-Pb 是否腐蝕，焊帶表面均存在較多氧化物。Cu元素在濕凍試驗(yàn)的焊帶中發(fā)現(xiàn)較多，同時此焊帶處Pb含量較少，表明焊帶表面涂層大部分已被腐蝕。而濕熱試驗(yàn)后的焊帶雖從表面外觀看腐蝕較嚴(yán)重，但其測試結(jié)果中Cu元素含量較少，且其他成分含量較多，推測氧化物較多且遷移進(jìn)較多其他元素。值得一提的是，無論是濕凍還是濕熱試驗(yàn)，腐蝕的焊帶中都含有Ag 元素，而焊帶完好部分未發(fā)現(xiàn)，表明焊帶金屬的腐蝕與電極上的銀有關(guān)。

    對結(jié)構(gòu)為KPK 3 層結(jié)構(gòu)的背板( 雙面為含氟材料，中間為PET層) 進(jìn)行老化分析，如圖11 所示。圖中，濕熱試驗(yàn)組件背板內(nèi)層氟膜與EVA 緊連在一起，與背板其他兩層完全脫離，這可能與EVA和背板中水汽含量有關(guān)；濕凍試驗(yàn)組件則是3 層均分離，且中間PET 層脆化相當(dāng)嚴(yán)重(圖12)，表明濕凍試驗(yàn)對背板材料的考驗(yàn)非常大。

    3、總結(jié)

    通過以上研究可得出以下結(jié)論：
    1)“雙85”環(huán)境條件下的DH2500 是很多組件的一個衰減臨界點(diǎn)，過了這個量，組件功率將大幅衰減，這個結(jié)果與NREL 的觀點(diǎn)相似；濕凍試驗(yàn)在持續(xù)疊加試驗(yàn)時功率衰減迅速，很大原因在于其試驗(yàn)時通過的電流，但這是可以恢復(fù)的，宏觀現(xiàn)象類似于PID 效應(yīng)。
    2) 無論是濕熱還是濕凍試驗(yàn)，濕氣對組件背面的影響都非常大，焊帶和匯流條背面的腐蝕程度大于正面；但短路電流變化這一現(xiàn)象表明濕氣還會從背面穿過電池片進(jìn)入組件正面的EVA和玻璃，對它們的透光率造成影響。
    3) 從電鏡掃描結(jié)果看，長期的濕熱或濕凍環(huán)境條件容易引起組件內(nèi)部各種離子的遷移。組件背面濕氣更易進(jìn)入并快速達(dá)到飽和，產(chǎn)生冷凝，導(dǎo)致焊帶加速老化，發(fā)生氧化腐蝕，且發(fā)生腐蝕區(qū)域均檢測到電極中的銀。
    4) 相比于濕熱試驗(yàn)對組件材料的腐蝕，濕凍試驗(yàn)的突出特點(diǎn)在于對背板和焊帶的脆化及大面積腐蝕，所以除了增強(qiáng)背板的抗水性及焊帶金屬材料的耐腐蝕性外，材料的韌性也需要加強(qiáng)。
    5) 經(jīng)歷環(huán)境試驗(yàn)后的組件，IEC 61215 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是等溫4 h 之后測試其功率，但本次研究發(fā)現(xiàn)組件等溫靜置的時間不同對其功率測定值影響結(jié)果較大，所以這個測試時間需要商榷。

    6) 2#、4# 組件經(jīng)歷連續(xù)的濕凍濕熱試驗(yàn)靜置一年后，通以9 A 電流3 min 后，發(fā)現(xiàn)兩塊組件均為接線盒下方區(qū)域損傷尤為嚴(yán)重，原因仍需后期探究。

文章來源：太陽能雜志