摘要：結合在元件生產和電站品質管制中遇到的問題， 對元件材料老化衰減及元件初始光致衰減原因進行了分析和實驗測試， 提出相應對策。 結果表明：元件材料老化功率衰減主要是EVA和背板老化黃變引起， 元件初始功率衰減主要由於矽片內硼、氧元素複合引起， 提出的對策具有可行性。
0.引言
光伏元件是太陽能發電的關鍵元件， 光伏元件功率衰減是指隨著光照時間的增加， 元件輸出功率不斷呈下降趨勢的現象[1]。 元件功率衰減直接關係到元件的發電效率。 國內元件的功率衰減與國外最好的元件相比，
研究元件功率衰減非常有必要。 元件功率衰減包括元件初始光致衰減、組件材料老化衰減及外界環境或破壞性因素導致的組件功率衰減[2]。 外界環境導致功率衰減主要由光伏電站運營不當造成， 可通過加強光伏電站的維護進行改善或避免；破壞性因素導致的元件功率衰減是由於元件明顯的品質問題所致， 在元件生產和電站安裝過程對品質進行嚴格檢驗把控， 可減少此類功率衰減的現象。 本文主要研究組件初始光致衰減及材料老化衰減。
1.元件初始光致衰減分析
1.1元件初始光致衰減原理分析
元件初始光致衰減(LID)是指光伏元件在剛開始使用的幾天其輸出功率發生大幅下降，
1.2元件初始光致衰減的實驗分析
本研究採用對比實驗的辦法， 在背板、EVA、玻璃和封裝工藝等條件完全一致情況下， 採用兩組電池片(一組經初始光照， 另一組未經初始光照)， 分別將其編號為I和II。 同時， 生產出的所有元件經品質全檢及電致發光(EL)檢測， 確保品質完全正常。 實驗過程條件確保完全一致， 採用同一台太陽能類比儀測量光伏元件I-V曲線。
分別取I和II光伏元件各3組進行試驗， 記錄其在STC狀態下的功率輸出值。 隨後， 將I和II光伏元件放置於輻照總量為60kWh/m2(根據IEC61215的室外暴曬試驗要求)的同一地點進行暴曬試驗， 分別記錄其功率， 結果見表1。
由表1可知， I組光伏組件整體功率衰減明顯較II組低。
1.3元件初始功率衰減與I-V曲線不良的關係研究
隨機選取一塊品質正常元件， 元件內所有電池的衰減基本一致， 對其進行功率測試， I-V曲線平滑曲線如圖1所示。
由圖1可知， 儘管輸出功率下降， 但I-V曲線平滑、無臺階， 其紅外圖像類似正常元件， 即無熱斑出現。
取光伏組件中任一電池片無初始光照衰減， 即元件內電池的衰減不一致， 對其進行功率測試， I-V曲線如圖2所示。
由圖2中I-V曲線出現臺階可看出，元件內部整體輸出功率下降的同時，未經初始光照衰減的電池片造成光伏元件整體電流降低、輸出功率減小。
通過實驗說明，如果光伏元件內部電池片衰減不一致，導致元件內部串聯的電池片產生電流失配，由此I-V曲線出現臺階。在元件生產的品質檢驗過程中，對元件I-V曲線出現臺階的問題元件進行統計研究，也進一步驗證了元件的初始光致功率衰減是導致I-V曲線異常的內在原因。
1.4組件初始光致衰減的驗證
為確保元件功率品質，在元件製造過程中，隨機對抽取元件進行太陽下暴曬，暴曬至元件功率基本穩定為止，檢測其初始光致衰減值，測試資料見表2。
由表2可知，光伏元件初始都有光致衰減現象，但不同批次功率衰減幅度差異較大，1%～3.7%都有，因此改善初始光致衰減現象顯得非常必要。
通過以上分析可知，元件初始光衰幅度主要取決於電池光致衰減，電池光致衰減則由矽片的硼、氧含量等決定。要消除由於元件初始功率衰減導致的問題，可利用矽片分選機來控制矽片品質，確保矽片內部的硼、氧元素含量處於正常範圍，從而保障電池片的轉換效率；同時在元件封裝前，對電池片進行功率分檔，保證電池片功率匹配，從而改善元件的初始光致功率衰減問題。
2.材料老化導致功率衰減分析
光伏元件封裝結構圖如圖3所示，組件的主要材料包括電池片、玻璃、EVA、背板等[1]。由圖3可知，光伏組件材料老化衰減主要可從電池片功率衰減及封裝材料的性能退化兩方面分析，而影響這兩方面因素的主要原因是紫外線照射及濕熱老化環境，而玻璃對紫外線和濕熱環境的性能變化較小[4]，因此元件功率的老化衰減研究主要可圍繞EVA和背板兩種材料的老化開展。圖4為某電站運營後材料老化的外觀圖。
2.1 EVA老化對光伏組件功率衰減影響
把組件分為A、B、C、F8064組，分別採用4個不同廠家的EVA材料，電池片、玻璃、背板、焊帶、邊框等材料及生產工藝設備都一致，製作每塊元件的同時還製作一個陪樣，用於測試元件EVA材料的黃變指數。生產出的元件經過EL檢測和I-V曲線的測試，確定品質合格，把4組元件和陪樣同時放入環境試驗箱進行濕熱老化，測試條件為溫度85℃、濕度85%。每隔一段時間測試其組件功率及陪樣EVA的黃變指數，共測試1000h後把元件取出，其元件測試資料如圖5所示，對應陪樣EVA的黃變指數如圖6所示。
由圖5和圖6可看出，不同品牌的EVA耐濕熱老化性能差異很大，其中F806EVA黃變小，耐老化性能明顯比其他EVA強，做成的元件功率衰減少。這個實驗結果與元件老化功率衰減結果相符合，說明EVA黃變是元件材料老化導致功率衰減的一個重要原因。
為了深入對此品質問題進行分析，結合類似的EVA黃變現象，本文選取某研究所光伏電站的元件進行調查研究，發現該光伏電站的元件也部分存在EVA黃變現象，如圖7所示。
在該電站上分別選取一塊EVA黃變組件和一塊EVA未黃變組件，分別測試其功率，資料見表3。
由表3可知，EVA未黃變組件在電站運營過程中只衰減了2.23%，而EVA黃變組件的功率衰減了5.7%，因此進一步驗證了EVA黃變是造成元件功率衰減的一個重要原因。
2.2背板老化對光伏組件功率衰減影響
把元件分為A、B兩組，分別採用兩個不同廠家的背板材料(A組背板為雙面含氟背板，B組為不含氟的背板)，電池片、玻璃、背板、焊帶、邊框等材料及生產工藝設備都一致，製作每塊元件的同時還製作一個陪樣，用於測試背板的耐紫外黃變指數。生產出的元件經過EL檢測和I-V曲線的測試，確定品質合格，實驗前記錄兩組光伏元件及陪樣元件在STC狀態下的功率輸出值。按照IEC61215-2005的實驗要求，將兩組光伏元件放於紫外試驗箱中，溫度控制在規定範圍內(60±5℃)，組件受波長為280～385nm範圍的紫外輻射(15kWh/m2)，其中波長為280～320nm的紫外輻照不少於5kWh/m2[1]。用太陽能測試儀測試組件的功率，結果見表4；同時測試陪樣背板及樣品紫外老化後的黃變指數，結果如圖8所示。
從表4和圖8可知，A組光伏組件背板雙面含氟(黃變指數為2.2)，具有較強耐紫外功能，因此其功率衰減較小；而B組光伏元件背板不含氟，有黃變現象(黃變指數為67.4)，功率衰減明顯。2.3材料老化功率衰減現場跟蹤測試分析本文對某研究所光伏電站進行跟蹤測試分析，選取一塊品質正常的元件定期進行功率測試，其功率衰減資料見表5。
各時間段該元件的EL圖片如圖9所示，EL圖片顯示元件內部完好，未發生隱裂等品質問題，每次測試時清除表面的髒汙和灰塵，排除外界條件對組件功率的影響。測試結果說明元件功率衰減是由於自身材料老化原因所造成，衰減的比例與功率質保規定的質保統一標準接近。
從實驗測試結果和具體電站中元件分析可看出，EVA和背板材料的老化、黃變是導致元件功率老化衰減的主要原因，採用高品質的EVA和背板能有效減少元件的功率老化衰減。
3.結論
本文重點對元件初始功率衰減和材料老化功率衰減兩種現象進行分析研究，同時對某研究所電站進行現場跟蹤測試分析，得出以下結論：
1)光伏組件的初始光致衰減主要是由於電池片的初始光致衰減不同所致。不同批次矽片的硼氧含量不同，導致電池片的初始光致衰減不同。因此利用矽片分選機控制矽片品質，從而保證電池片的初始光致衰減是解決光伏元件初始光致衰減的有效方法。
2)光伏組件的材料老化衰減主要取決於光伏組件封裝過程中EVA和背板品質，使用濕熱老化功能較強和耐紫外的背板和EVA材料，能較大程度保證光伏元件品質。
參考文獻
[1]馬志恒.太陽能電池元件功率衰減分析[J].中國高新技術企業，2012，(17):32－33.
[2]林存超.光伏元件品質問題分析及安裝品質控制[J].中國科技資訊，2015，(2):204－205.
[3]張光春，陳如龍，溫建軍，等.P型摻硼單晶矽太陽電池和元件早期光致衰減問題的研究[A].第十屆中國太陽能光伏會議論文集[C]，常州，2008.
[4]吳翠姑，于波，韓帥，等.多晶矽光伏元件功率衰減的原因分析以及優化措施[J].電氣技術，2009，(8):113－114.
黃盛娟1，2唐榮2唐立軍1
(1.長沙理工大學物理與電子科學學院；2.湖南紅太陽新能源科技有限公司)
由圖2中I-V曲線出現臺階可看出，元件內部整體輸出功率下降的同時，未經初始光照衰減的電池片造成光伏元件整體電流降低、輸出功率減小。
通過實驗說明，如果光伏元件內部電池片衰減不一致，導致元件內部串聯的電池片產生電流失配，由此I-V曲線出現臺階。在元件生產的品質檢驗過程中，對元件I-V曲線出現臺階的問題元件進行統計研究，也進一步驗證了元件的初始光致功率衰減是導致I-V曲線異常的內在原因。
1.4組件初始光致衰減的驗證
為確保元件功率品質，在元件製造過程中，隨機對抽取元件進行太陽下暴曬，暴曬至元件功率基本穩定為止，檢測其初始光致衰減值，測試資料見表2。
由表2可知，光伏元件初始都有光致衰減現象，但不同批次功率衰減幅度差異較大，1%～3.7%都有，因此改善初始光致衰減現象顯得非常必要。
通過以上分析可知，元件初始光衰幅度主要取決於電池光致衰減，電池光致衰減則由矽片的硼、氧含量等決定。要消除由於元件初始功率衰減導致的問題，可利用矽片分選機來控制矽片品質，確保矽片內部的硼、氧元素含量處於正常範圍，從而保障電池片的轉換效率；同時在元件封裝前，對電池片進行功率分檔，保證電池片功率匹配，從而改善元件的初始光致功率衰減問題。
2.材料老化導致功率衰減分析
光伏元件封裝結構圖如圖3所示，組件的主要材料包括電池片、玻璃、EVA、背板等[1]。由圖3可知，光伏組件材料老化衰減主要可從電池片功率衰減及封裝材料的性能退化兩方面分析，而影響這兩方面因素的主要原因是紫外線照射及濕熱老化環境，而玻璃對紫外線和濕熱環境的性能變化較小[4]，因此元件功率的老化衰減研究主要可圍繞EVA和背板兩種材料的老化開展。圖4為某電站運營後材料老化的外觀圖。
2.1 EVA老化對光伏組件功率衰減影響
把組件分為A、B、C、F8064組，分別採用4個不同廠家的EVA材料，電池片、玻璃、背板、焊帶、邊框等材料及生產工藝設備都一致，製作每塊元件的同時還製作一個陪樣，用於測試元件EVA材料的黃變指數。生產出的元件經過EL檢測和I-V曲線的測試，確定品質合格，把4組元件和陪樣同時放入環境試驗箱進行濕熱老化，測試條件為溫度85℃、濕度85%。每隔一段時間測試其組件功率及陪樣EVA的黃變指數，共測試1000h後把元件取出，其元件測試資料如圖5所示，對應陪樣EVA的黃變指數如圖6所示。
由圖5和圖6可看出，不同品牌的EVA耐濕熱老化性能差異很大，其中F806EVA黃變小，耐老化性能明顯比其他EVA強，做成的元件功率衰減少。這個實驗結果與元件老化功率衰減結果相符合，說明EVA黃變是元件材料老化導致功率衰減的一個重要原因。
為了深入對此品質問題進行分析，結合類似的EVA黃變現象，本文選取某研究所光伏電站的元件進行調查研究，發現該光伏電站的元件也部分存在EVA黃變現象，如圖7所示。
在該電站上分別選取一塊EVA黃變組件和一塊EVA未黃變組件，分別測試其功率，資料見表3。
由表3可知，EVA未黃變組件在電站運營過程中只衰減了2.23%，而EVA黃變組件的功率衰減了5.7%，因此進一步驗證了EVA黃變是造成元件功率衰減的一個重要原因。
2.2背板老化對光伏組件功率衰減影響
把元件分為A、B兩組，分別採用兩個不同廠家的背板材料(A組背板為雙面含氟背板，B組為不含氟的背板)，電池片、玻璃、背板、焊帶、邊框等材料及生產工藝設備都一致，製作每塊元件的同時還製作一個陪樣，用於測試背板的耐紫外黃變指數。生產出的元件經過EL檢測和I-V曲線的測試，確定品質合格，實驗前記錄兩組光伏元件及陪樣元件在STC狀態下的功率輸出值。按照IEC61215-2005的實驗要求，將兩組光伏元件放於紫外試驗箱中，溫度控制在規定範圍內(60±5℃)，組件受波長為280～385nm範圍的紫外輻射(15kWh/m2)，其中波長為280～320nm的紫外輻照不少於5kWh/m2[1]。用太陽能測試儀測試組件的功率，結果見表4；同時測試陪樣背板及樣品紫外老化後的黃變指數，結果如圖8所示。
從表4和圖8可知，A組光伏組件背板雙面含氟(黃變指數為2.2)，具有較強耐紫外功能，因此其功率衰減較小；而B組光伏元件背板不含氟，有黃變現象(黃變指數為67.4)，功率衰減明顯。2.3材料老化功率衰減現場跟蹤測試分析本文對某研究所光伏電站進行跟蹤測試分析，選取一塊品質正常的元件定期進行功率測試，其功率衰減資料見表5。
各時間段該元件的EL圖片如圖9所示，EL圖片顯示元件內部完好，未發生隱裂等品質問題，每次測試時清除表面的髒汙和灰塵，排除外界條件對組件功率的影響。測試結果說明元件功率衰減是由於自身材料老化原因所造成，衰減的比例與功率質保規定的質保統一標準接近。
從實驗測試結果和具體電站中元件分析可看出，EVA和背板材料的老化、黃變是導致元件功率老化衰減的主要原因，採用高品質的EVA和背板能有效減少元件的功率老化衰減。
3.結論
本文重點對元件初始功率衰減和材料老化功率衰減兩種現象進行分析研究，同時對某研究所電站進行現場跟蹤測試分析，得出以下結論：
1)光伏組件的初始光致衰減主要是由於電池片的初始光致衰減不同所致。不同批次矽片的硼氧含量不同，導致電池片的初始光致衰減不同。因此利用矽片分選機控制矽片品質，從而保證電池片的初始光致衰減是解決光伏元件初始光致衰減的有效方法。
2)光伏組件的材料老化衰減主要取決於光伏組件封裝過程中EVA和背板品質，使用濕熱老化功能較強和耐紫外的背板和EVA材料，能較大程度保證光伏元件品質。
參考文獻
[1]馬志恒.太陽能電池元件功率衰減分析[J].中國高新技術企業，2012，(17):32－33.
[2]林存超.光伏元件品質問題分析及安裝品質控制[J].中國科技資訊，2015，(2):204－205.
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[4]吳翠姑，于波，韓帥，等.多晶矽光伏元件功率衰減的原因分析以及優化措施[J].電氣技術，2009，(8):113－114.
黃盛娟1，2唐榮2唐立軍1
(1.長沙理工大學物理與電子科學學院；2.湖南紅太陽新能源科技有限公司)