太阳能光伏技术的主要原因和质量控制

1）电池片的因素

电池的质量问题主要集中于材料、制成工艺控制等因素影响。对于晶体硅电池来说，硅片提纯的效果（包含材料本身问题和工艺方法问题），杂质的含量直接决定了电池发电效率的高低。硅材料对电池效率的影响，可以通过硅片硅基电阻率、少子寿命、厚度变化（total thickness variety，TTV）、碳氧杂质浓度测试进行控制。

电池片的制造工艺复杂，现阶段主要依赖设备的稳定性和可靠性，例如，去边刻蚀环节的不彻底会大大减小电池的并联电阻，导致电池边缘存在漏电流，降低电池效率；制绒溶液的比例调配不当，减反膜沉积过程控制不当，会引起电池表面反射率的增加，减少电池可吸收的光能；印刷和烧结环节的不良，会导致组件接触电阻的增加，不利于电流的收集与传导。

除了从电性能角度对电池片的质量进行控制之外，还需从电池片外观（含铝膜外观、电极完整性、尺寸偏差、电极颜色、弯曲变形）、隐裂和裂片、初始光衰比率、电极可焊性、电极附着强度与焊点地抗拉强度、减反射膜附着强度等方面进行控制。目前，由于对成本和电池效率的综合考虑，电池片的厚度一般在180～200μm左右。

目前最能有效检测电池片缺陷的手段是PL测试和EL测试。PL和EL，分别是Photoluminescence和Electroluminescence的缩写，即光致发光和电致发光。其区别在于载流子的激发手段不同。光致发光情况是指在足够强烈的光源照射下，由入射的光能激发出的载流子（电子和空穴对）进行辐射复合发光。电致发光的情况与光致发光类似，只是载流子是通过外加电流注入的。从图片中可看出，EL和PL图片中的暗区代表低辐射复合区域，少子寿命较短，为缺陷存在区域。

通过PL测试可以有效地检验出电池铸锭、制成晶圆、线切割、制绒、发射极扩散、去边、正反电极印刷和烧结等过程的质量问题。如图18．4所示。

图18．4 电池制造过程引入的缺陷示意图［5］（a）夹具痕迹 （b）裂片 （c）四探针测试痕迹 （d）错层 （e）千分尺痕迹（蓝色）和托盘凹痕（红色）

由于EL测试过程需要外加电流源，必须在形成电极后进行，即EL测试只适用于成品电池以及成品组件，可用于检验成品电池的缺陷。如图18．5所示。

经过总结，PL和EL各自的优缺点和使用环节如表18．3 。

图18．5　成品电池的缺陷（a）裂片　（b）断栅　（c）黑心（硅材料问题）

表18．3　PL和EL优缺点和使用环节

如今，PL和EL已经成为检验电池片（组件）缺陷的关键技术手段，在电池片质量把控方面起到至关重要的作用。

2）原材料和零部件方面的因素

组件原材料包含面板、封装材料、背板和铝边框，零部件包括接线盒、连接器、线缆等。各原材料和零部件都有一定的性能指标要求以在组件的使用年限内达到其使用功能。例如，面板需要在250～1 200nm保持很高的透光率，其表面要足够坚硬、平滑、耐磨并不易附着污渍，从而可以在风吹、雨淋、沙尘等条件下实现自清洁。从成本、坚固程度、耐久性、透光率、防水性能、自清洁能力方面综合考虑，目前通常会选用经过热处理的、铁含量低的超白压花玻璃作为面板。玻璃透光率不能低于91%，增加减反射膜后可达到96%。

除玻璃外，原材料方面，对组件可靠性影响最大的是封装材料和背板。最常用的封装材料是EVA（乙烯－醋酸乙烯共聚物）。EVA大面积的黄变、热斑现象的产生，现象上是组件内部的EVA与其他物质发生了化学反应，但本质上是由EVA的材料品质不良、生产工艺不当和EVA储存环境差引起的。如果EVA的交联度不良，性能不稳定，抗紫外线性能很差，组件在使用过程中很容易发生热胀冷缩，有的导致电池片接触电阻增大，有的导致电池片隐裂或短路，在强光的照射下，组件内局部温度可能迅速升高，甚至出现电池片爆裂，最终导致太阳电池组件的失效。另外光伏组件电性能的下降也跟EVA品质具有较大的关联性。因此，在使用EVA的过程中，要严格控制好储存环境，应将其放置于恒湿、恒温、避光、密封的环境中，打开包装后应在24h内使用完毕。衡量EVA质量的关键性能指标为抗紫外性能（通常要求按GB／T19394—2003光伏（PV）组件紫外试验进行紫外老化试验，黄变指数小于5，与玻璃的剥离强度大于25N／cm），交联度（通常要求大于等于75%），透光率（通常要求在波长380～1 100nm范围内，电池正面用EVA透光率大于等于90%，电池背面用EVA透光率小于等于30%）。

市面上现有背板，按使用材料主要分为TPT，TPE，PET等，按制作工艺分为涂覆型和复合型。各种类在绝缘性能、机械性能和耐老化性能方面各有优势。对于对组件起到保护作用的背板来说，除了其本身的固有性能外，其与EVA的匹配性也会直接影响组件质量。衡量背板质量的关键性能指标为断裂伸长率（通常要求纵向大于等于100%，横向大于等于80%），与背板180°方向的剥离强度（通常要求大于50N／10mm），击穿电压（通常要求大于等于20kV），水蒸气透过率（小于等于1．5g／m2．day），同时具有相应湿热环境试验后的击穿电压和黄变指数要求。

3）助焊剂的因素

光伏组件助焊剂通常是以松香为主要成分的混合物，是保证焊接过程顺利进行的辅助材料。助焊剂的主要作用是清除焊料和被焊母材（材料）表面的氧化物，使金属表面达到必要的清洁度。它防止焊接时表面的再次氧化，降低焊料表面张力，提高焊接性能。卤素成分的加入会提高助焊剂的助焊性能，但其很难清洗且具有很高的腐蚀性。电池片腐蚀、导电性能降低、断路、栅线气泡很大程度与助焊剂相关。正确的方法是选用中性的免清洗助焊剂，提高焊接工艺要求，减少残留物的产生。

4）生产环境与生产设备的因素

保证工作环境的温度、湿度和洁净度，才能生产出高质量的组件产品。如在国内组件加工和生产过程中，大部分工序采用的是人工操作，容易引入污染，工艺中要求，每道工序都应避免裸手直接接触电池片，尤其是手工单串焊环节。

生产设备的可靠性和先进性也是重要的一方面，例如，层压工序中，对层压设备的性能选择很重要，其温控精度≤±1℃，温度不均匀性≤±2℃（测量点大于等于6个）［6］，压力、抽真空速度、温度等参数精确匹配，才能保证组件内无气泡和产品质量。

5）加工工艺的因素

电池片部分已经简单说明了电池片生产过程的一些注意要点，除此之外，组件制造工艺的质量控制也十分重要。在焊接工艺中，焊接的温度和焊接的时间可能会影响太阳电池组件的焊接质量，温度太低可能导致操作效率低下，并可产生虚焊；温度太高，会使电池片产生变形，导致碎片的产生。实践证明，在单焊工序中，焊接温度应保持在370～385℃之间为最佳［6］。又例如在层压工艺中，通过真空泵将组件内的空气抽出后，加热的温度也直接影响电池组件的层压质量，温度太低组件内部材料粘接力度会降低，温度太高又可能对组件内的材料产生质变等影响，实践证明，加热温度应保持在150～155℃之间最佳［6］。(www.xing528.com)

6）人员搬运包装、运输、安装的因素

光伏组件产品所用的电池片、玻璃盖板、边框等原材料与部件规格都较以前减少很多，如电池片由原来的300μm缩减到180μm，玻璃盖板厚度由原来4．2cm到现在3．2cm，人员在搬运包装、运输和安装的过程中容易造成电池片隐裂。从电池片焊接到组件包装的过程中，尽量减少人为影响，采用自动化生产线会降低隐裂率。对于陆运、海运或空运等运输方式可采取有效的包装方式，此外，组件安装过程中要避免暴力安装，安装人员要进行足够的专业训练，避免人为因素造成组件碎裂。

7）组件热斑现象

热斑现象实际是一种“二次”失效问题，其核心原因是组件中产生了“差”电池，即发电性能明显低于同一组件中其他电池的电池。产生“差”电池的原因有很多，例如大面积隐裂或裂片的产生、电池内部短路、分选不良导致低效片的混入、局部污渍遮挡、设计遮挡等，由于光伏组件是由电池串联而成的，所有电池工作在同一电流条件下［7］。在一个组件中，“差”电池限制了其他电池片的电流，多余电流反灌至此位置，形成高反向电压，在“差”电池的p－n结处引发雪崩倍增击穿［8］。由于电池结构并不均匀，杂质浓度高的位置会先受影响，如果这些位置电流密度高于极限值，电池会在高温作用下造成不可逆的损伤，多余能量转化成热能形式，使此位置温度急剧增高，电池和温度会在高温情况下开裂，焊点熔化。最坏的情况，会引起组件的烧毁。图18．6为裂片引起的红外成像设备下观测到的热斑现象。

图18．6　裂片处热斑红外成像［9］

图18．7　（a）电流正常流向（b）旁路后的电流流向［10］

用旁路二极管，即在串连组件的电池片旁并联二极管（见图18．7）。当“差”电池承受高反向电压的时候，反向电压使旁路二极管导通，电流从导通后的二极管通过，绕过了“差”电池，不会产生局部过热。

出于成本原因，无法对每一块电池并联旁路二极管。对于晶体硅电池来说，如果要避免电池损害，需要至少10～15个电池并联一个旁路二极管。同时，旁路二极管的质量非常关键，旁路二极管必须具有合适的结温、良好的反向防击穿性能和耐久性以保证其能够在存在电池衰减问题后正常工作。

8）光伏组件的电位诱发衰减效应（PID）

随着光光伏电站系统电压的不断升高，长期处于高系统电压工作条件下的组件衰减问题逐渐显现，尤其在高温高湿地区，衰减现象可导致大于50%的发电量损失，并已多发于我国现有建成项目中。

在高温高湿（85℃，85%）条件下，施加负600V电压，经过165小时的持续实验，可明显通过电致发光（EL）测试观察到PID现象，如图18．8所示。

图18．8　通过EL测试观察到的PID现象示意图

经过美国国家可再生能源实验室NREL等国际顶尖研究机构的长期跟踪研究，电位诱发衰减现象的主要原因是高电压作用下，组件玻璃、封装材料和电池表面之间存在漏电流，大量电荷聚集在电池表面，使电池钝化。衰减的机理可主要分为，材料间的离子迁移，电池中的热载流子现象，电池活性层的电子再分布，黏结失效和电路中的腐蚀等。因此，此处的电位诱发衰减效应实际与其传统意义不同，包含了极性化、电解腐蚀和电化学腐蚀的影响。图18．9为漏电流形成路径的示意图。

目前，国际范围内广泛认可的电位诱发衰减效应影响要素和解决方式总结于表18．4，综合考虑经济性、可行性和合理性，通过改变系统的接地方式是最常用的解决方式。

图18．9　漏电流形成路径示意图［11］

表18．4　电位诱发衰减效应影响要素和解决方案

由于不同组件企业的组件设计存在差异，PID所发生的程度也不相同。同时，经过长期户外观测，PID现象发生后，若组件回到干燥环境中，或选择正确的接地方式后，衰减情况会逐渐好转，其产生的影响是可逆的。

通过对已产生PID现象的组件，在高温高湿（85℃，85%）条件下，施加正向1 000V电压5小时，可明显观测到恢复现象，EL测试图片如图18．10所示。

对PID的机理和原因分析仍存在许多争议，对于光伏组件PID现象的探索仍在不断深入过程中。