CN104485875A - 判断失效光伏组件的失效分析方法及其使用的光伏组件结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种判断失效光伏组件的失效分析方法及其使用的光伏组件结构，其中，失效光伏组件由第一电池片制备得到，本发明提供的方法的步骤如下：(a)提供一光伏组件结构，其具有两种类型电池片，分别为第一电池片和第二电池片，第一电池片和第二电池片具有单一差异因素，并且除该单一差异因素外，其余因素相同；其中，该单一差异因素为单一的结构设计差异或为单一工艺制成差异；(b)将该光伏组件进行环境实验；(c)再将经过环境实验后的光伏组件进行光伏组件特性测试；(d)根据测试结果判定光伏组件失效原因。(e)如果(d)未能找出组件失效的根本原因，则重复(a)-(d)，直到所有的电池单一差异因素均被完全排除，则判定为失效由组件材料和封装工艺造成。本发明能够有利于甄别出光伏组件的失效原因是由电池片的结构设计差异不同或电池片的工艺制成不同或组件材料和封装工艺不良导致的。
Description
技术领域
本发明涉及一种判断失效光伏组件的失效分析方法及其使用的光伏组件结构，属于太阳电池技术领域。
背景技术
目前，为了降低光伏技术的发电成本，必须提高组件的户外使用寿命，一般要求晶体硅光伏组件在户外工作25年以上。在组件的使用过程中，由于组件在户外受到冷热交替的热循环；户外环境的紫外线将使封装材料老化；水汽将渗透组件的封装材料；近年来研究者还发现组件在串联过程中容易出现电势积聚，带电离子在强电场作用运动到电池表面并极化；以上这些都将导致组件在工作过程中出现功率衰退，简称组件失效。
为了更好的研究组件的失效机理和失效过程，研究者分别建立了不同的环境实验，希望在室内环境箱中重复高低温循环、潮湿、冰冻、外加电势、外力撞击等实验，模拟和预测组件在户外长时间工作的环境。这些实验，称为加速老化实验。
在出现组件失效时，最关键的工作是找到促使组件发生失效的根本原因，也即失效分析。而这个工作的开展，往往非常困难。这是因为组件制备过程中出现失效，有可能是由于硅体材料，或者是电池制成，也可能是组件封装出现问题导致，而硅材料制备、电池制备以及组件封装一般需要复杂的工艺步骤，中间任意环节出现问题都有可能导致组件整体失效。因此，必须建立一整套失效分析的方法和实验思路，找出制约组件工作的根本原因，才能帮助组件通过环境测试，延长组件的工作寿命，促进光伏行业的健康发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种判断失效光伏组件的失效分析方法，它能够有利于甄别出光伏组件的失效原因是由电池片的结构设计差异不同或电池片的工艺制成不同或组件材料和封装工艺不良导致的。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种判断失效光伏组件的失效分析方法，其中，失效光伏组件由第一电池片制备得到，其特征在于该方法的步骤如下：
(a)提供一光伏组件结构，其具有两种类型电池片，分别为第一电池片和第二电池片，第一电池片和第二电池片具有单一差异因素，并且除该单一差异因素外，其余因素相同；其中，该单一差异因素为单一的结构设计差异或为单一的工艺制成差异；
(b)将该光伏组件结构进行环境实验；
(c)再将经过环境实验后的光伏组件结构进行光伏组件特性测试；
(d)根据光伏组件结构的测试结果判定失效光伏组件失效原因：当测试后光伏组件结构的第一电池片和第二电池片的显示结果有差异，并且与第一电池片和第二电池片的单一差异因素的差异相对应，则表明失效光伏组件的失效由电池片的单一差异因素导致，分析完成；否则进行步骤(e)；
(e)当测试后第一电池片和第二电池片的显示结果相同，则表明第一电池片和第二电池片的该单一差异因素不直接影响光伏组件结构的环境测试结果；采用不同的单一差异因素，重复(a)至(d)，直至电池的所有单一差异因素均未使第一电池片和第二电池片之间出现差异，则判定失效光伏组件的失效由组件材料和封装工艺不良导致的。
进一步提供了一种具体的光伏组件结构的具体结构以便更好地提供甄别，在所述的步骤(a)中，光伏组件结构的第一电池片和第二电池片呈交替排列，形成空间对称结构。
进一步提供环境实验的多种形式，在步骤(b)中，环境实验为热循环、潮湿高温、潮湿冰冻、户外暴晒、外加电势、外加撞击中的一种或多种。
进一步提供了光伏组件特性测试的多种形式，在步骤(c)中，特性测试为热斑特性测试、电致发光特性测试、红外特性测试、电流-电压特性测试中的一种或多种。
进一步，在步骤(a)中，在光伏组件结构中，单块包含的电池片的数目为24～300个。
本发明还提供了一种判断失效光伏组件的失效分析方法中所使用的光伏组件结构，它具有两种类型电池片，分别为第一电池片和第二电池片，第一电池片和第二电池片具有单一差异因素，并且除该单一差异因素外，其余因素相同；其中，该单一差异因素为单一的结构设计差异或为单一的工艺制成差异，所述的第一电池片为失效光伏组件使用的电池片。
进一步，第一电池片和第二电池片呈交替排列，形成空间对称结构。
进一步提供了一种完整的光伏组件结构，该光伏组件结构还具有汇流带、玻璃、背板、边框和两层胶膜层，多个电池片和汇流带连接组成电池片阵列，所述的玻璃、胶膜层、电池片阵列、胶膜层和背板依次层叠形成光伏组件主体，光伏组件主体安装在边框内。
进一步，汇流带为金属焊带或金属线。
进一步，单块包含的电池片的数目为24～300个。
采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：
1、采用两种不同的电池片在同一块组件中，并且，其中一种电池片为失效光伏组件中采用的电池片，除了电池的差异，组件制备过程中的材料和工艺都是一致的，有利于甄别组件的失效是由电池片导致的，还是由于组件制备过程中的材料和工艺导致的。
2、两种电池片在同一块组件中形成空间对称，用于判别环境中的空间对称实验参量如应力、温度等的分布，是否是导致失效的直接原因。
3、本发明建立了一种直接比较电池片和环境参量的实验方法，这种方法简单容易实现，而且可以重复使用，建立强有力的实验结论。
附图说明
图1是本发明中光伏组件结构的平面设计图；
图2是本发明中光伏组件结构经过电势诱导衰减后的电致发光图；
图3是本发明中光伏组件结构经过机械载荷后的电致发光图；
其中，1、第一电池片；2、第二电池片；3、边框；4、第一电池片电致发光暗片；5、第二电池片电致发光明片；6、第一电池片电致发光暗片；7、第二电池片电致发光明片。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1～2所示，一种判断失效光伏组件的失效分析方法，该方法的步骤如下：
(a)提供一光伏组件结构，其具有两种类型电池片，分别为第一电池片1和第二电池片2，第一电池片1和第二电池片2具有单一差异因素，并且除该单一差异因素外，其余因素相同；其中，该单一差异因素为单一的结构设计差异；第一电池片1采用156mm×156mm的P型硅片制备，同时采用类似的工艺制备第二电池片2，本实施例所说的单一的结构设计差异为：第一电池片1采用折射率为1.9的SiNx为减反钝化膜，第二电池片采用折射率为2.3的SiNx为减反钝化膜；可以将第一电池片1和第二电池片2交替排列，形成空间对称结构，并进行焊接、层压和封装；最后成型的光伏组件结构，单块包含的电池片的数目可以为60个；失效光伏组件是由第一电池片1制备而成的。
(b)将该光伏组件结构进行环境实验；本实施例中的环境实验为85％相对湿度和85摄氏度的环境和电势诱导衰减实验，当然环境实验可以选择热循环、潮湿高温、潮湿冰冻、户外暴晒、外加电势、外加撞击中的一种或多种；
(c)再将经过环境实验后的光伏组件结构进行光伏组件特性测试；本实施例中的光伏组件特性测试为电流-电压特性测试和电致发光特性测试；当然，光伏组件特性测试可以选择热斑特性测试、电致发光特性测试、红外特性测试、电流-电压特性测试中的一种或多种；
(d)根据测试结果判定失效光伏组件失效原因：将光伏组件结构短路，对边框接入-1000V的高压，同时将光伏组件结构放置于85％相对湿度和85摄氏度的环境中，经过96小时后，将光伏组件结构从环境箱中取出，进行电流-电压测试和电致发光测试。可以发现，组件功率衰减很大，超过30％，组件出现失效。电致发光测试可以发现图像如图2所示，电池片电致发光暗片呈现空间分布，且该分布与第一电池片1和第二电池片2之间的分布相符，说明失效光伏组件的失效是由电池片的单一的结构设计差异导致的，具体是由电池片的SiNx折射率参数引起。
该判断失效光伏组件的失效分析方法中所使用的光伏组件结构，它具有两种类型电池片，分别为第一电池片1和第二电池片2，第一电池片1和第二电池片2具有单一差异参数，并且除该单一差异参数外，其余参数相同；其中，该单一差异参数为单一设计参数，第一电池片1和第二电池片2呈交替排列，形成空间对称结构，所述的第一电池片为失效光伏组件使用的电池片。
光伏组件结构还具有汇流带、玻璃、背板、边框3和两层胶膜层，多个电池片和汇流带连接组成电池片阵列，所述的玻璃、胶膜层、电池片阵列、胶膜层和背板依次层叠形成光伏组件主体，光伏组件主体安装在边框3内。
所述的汇流带为金属焊带或金属线，汇流带的主要成分包括铜、银、锡、铅、镍、铝中的一种或几种，所说的几种是以合金的方式。
实施例二
如图1、3所示，一种判断失效光伏组件的失效分析方法，该方法的步骤如下：
(a)提供一光伏组件结构，其具有两种类型电池片，分别为第一电池片1和第二电池片2，第一电池片1和第二电池片2具有单一差异因素，并且除该单一差异因素外，其余因素相同；其中，该单一差异因素为单一的结构设计差异；第一电池片1采用156mm×156mm的P型硅片制备，同时采用类似的工艺制备第二电池片2，本实施例所说的单一的结构设计差异为：第一电池片1采用扩散方阻为130Ω/□的磷扩散发射极，第二电池片2采用浅扩散区方阻为130Ω/□，重扩散去方阻为60Ω/□的选择性磷扩散发射极作为发射极；可以将第一电池片1和第二电池片2交替排列，形成空间对称结构，并进行焊接、层压和封装；最后成型的光伏组件结构，单块包含的电池片的数目可以为60个；失效光伏组件是由第一电池片1制备而成的。
(b)将该光伏组件结构进行环境实验；本实施例中的环境实验为机械载荷试验，当然环境实验可以选择热循环、潮湿高温、潮湿冰冻、户外暴晒、外加电势、外加撞击中的一种或多种；
(c)再将经过环境实验后的光伏组件结构进行光伏组件特性测试；本实施例中的光伏组件特性测试为电流-电压特性测试和电致发光特性测试；当然，光伏组件特性测试可以选择热斑特性测试、电致发光特性测试、红外特性测试、电流-电压特性测试中的一种或多种；
(d)根据测试结果判定失效光伏组件失效原因：进行5400Pa静置机械载荷实验，实验完毕后对光伏组件结构进行电流-电压测试和电致发光测试。测试发现光伏组件结构出现较大功率衰减，达到20％，判定为组件机械载荷失效。电致发光图像如图3所示，不论是第一电池片1还是第二电池片2均出现了电致发光暗片，这表明组件机械载荷失效与第一电池片1和第二电池片2之间的差别也即发射极的结构，没有较大关联，则表明光伏组件失效由组件制备过程中的材料和工艺导致。
该判断失效光伏组件的失效分析方法中所使用的光伏组件结构，它具有两种类型电池片，分别为第一电池片1和第二电池片2，第一电池片1和第二电池片2具有单一差异参数，并且除该单一差异参数外，其余参数相同；其中，该单一差异参数为单一设计参数，第一电池片1和第二电池片2呈交替排列，形成空间对称结构；所述的第一电池片为失效光伏组件使用的电池片。
光伏组件结构还具有汇流带、玻璃、背板、边框3和两层胶膜层，多个电池片和汇流带连接组成电池片阵列，所述的玻璃、胶膜层、电池片阵列、胶膜层和背板依次层叠形成光伏组件主体，光伏组件主体安装在边框3内。
所述的汇流带为金属焊带或金属线，汇流带的主要成分包括铜、银、锡、铅、镍、铝中的一种或几种，所说的几种是以合金的方式。
实施例三
如图1～2所示，一种判断失效光伏组件的失效分析方法，该方法的步骤如下：
(a)提供一光伏组件结构，其具有两种类型电池片，分别为第一电池片1和第二电池片2，第一电池片1和第二电池片2具有单一差异因素，并且除该单一差异因素外，其余因素相同；其中，该单一差异因素为单一的结构设计差异；第一电池片1采用156mm×156mm的P型硅片制备，同时采用类似的工艺制备第二电池片2，本实施例所说的单一的结构设计差异为：第一电池片1采用丝网印刷Ag浆制备前电极，其中印刷前电极所需的Ag浆在每片电池片上的重量为160mg，第二电池片2同样采用丝网印刷Ag浆制备前电极，其中前电极所需的Ag浆在每片电池片上的重量为50mg。可以将第一电池片1和第二电池片2交替排列，形成空间对称结构，并进行焊接、层压和封装；最后成型的光伏组件结构，单块包含的电池片的数目可以为60个；失效光伏组件是由第一电池片1制备而成的。
(b)将该光伏组件进行环境实验；本实施例中的环境实验为低温为-40摄氏度，高温为+85摄氏度，外加持续电流，电流大小为标准测试条件下最大功率点的电流值，周期为6小时，总数为200的冷热循环。当然环境实验可以选择热循环、潮湿高温、潮湿冰冻、户外暴晒、外加电势、外加撞击中的一种或多种；
(c)再将经过环境实验后的光伏组件结构进行光伏组件特性测试；本实施例中的光伏组件特性测试为电流-电压特性测试和电致发光特性测试；当然，光伏组件特性测试可以选择热斑特性测试、电致发光特性测试、红外特性测试、电流-电压特性测试中的一种或多种；
(d)根据测试结果判定失效光伏组件失效原因：将光伏组件结构进行热循环实验：也即低温为-40摄氏度，高温为+85摄氏度，外加持续电流，电流大小为标准测试条件下最大功率点的电流值，周期为6小时，总数为200的冷热循环。然后，将光伏组件结构从环境箱中取出，进行电流-电压测试和电致发光测试。可以发现，组件功率衰减很大，超过25％，组件出现失效。电致发光测试可以发现图像如图2所示，电池片电致发光暗片呈现空间分布，且该分布与第一电池片1和第二电池片2之间的分布相符，说明该失效是由电池片的单一的结构设计差异导致的，具体是由电池片中金属电极的浆料的耗量引起的金属电极高度引起。
该判断失效光伏组件的失效分析方法中所使用的光伏组件结构，它具有两种类型电池片，分别为第一电池片1和第二电池片2，第一电池片1和第二电池片2具有单一差异因素，并且除该单一差异因素外，其余参数相同；其中，该单一差异参数为单一的结构设计差异，第一电池片1和第二电池片2呈交替排列，形成空间对称结构，所述的第一电池片为失效光伏组件使用的电池片。
光伏组件结构还具有汇流带、玻璃、背板、边框3和两层胶膜层，多个电池片和汇流带连接组成电池片阵列，所述的玻璃、胶膜层、电池片阵列、胶膜层和背板依次层叠形成光伏组件主体，光伏组件主体安装在边框3内。
所述的汇流带为金属焊带或金属线，汇流带的主要成分包括铜、银、锡、铅、镍、铝中的一种或几种，所说的几种是以合金的方式。
从以上三个实施例可以得出结论，SiNx的折射率会影响组件的抗电势诱导衰减性能，发射极的结构对机械载荷没有强关联性，正面金属电极的高度会对组件的热循环实验结果产生影响，这些澄清了组件电势诱导衰减和热循环失效的根本原因。关于机械载荷失效分析可以重新按照本例思路重新选用实验参数，如电池厚度或金属化工艺参数，如第一电池片1采用正常的200微米厚度硅片进行工艺生产，第二电池片2采用厚度为180微米厚度的硅片进行工艺制备，制备类似图1的组件进行机械载荷实验。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种判断失效光伏组件的失效分析方法，其中，失效光伏组件由第一电池片制备得到，其特征在于该方法的步骤如下：
(a)提供一光伏组件结构，其具有两种类型电池片，分别为第一电池片和第二电池片，第一电池片和第二电池片具有单一差异因素，并且除该单一差异因素外，其余因素相同；其中，该单一差异因素为单一的结构设计差异或为单一的工艺制成差异；
(b)将该光伏组件结构进行环境实验；
(c)再将经过环境实验后的光伏组件结构进行光伏组件特性测试；
(d)根据光伏组件结构的测试结果判定失效光伏组件失效原因：当测试后光伏组件结构的第一电池片和第二电池片的显示结果有差异，并且与第一电池片和第二电池片的单一差异因素的差异相对应，则表明失效光伏组件的失效由电池片的单一差异因素导致，分析完成；否则进行步骤(e)；
(e)当测试后第一电池片和第二电池片的显示结果相同，则表明第一电池片和第二电池片的该单一差异因素不直接影响光伏组件结构的环境测试结果；采用不同的单一差异因素，重复(a)至(d)，直至电池的所有单一差异因素均未使第一电池片和第二电池片之间出现差异，则判定失效光伏组件的失效由组件材料和封装工艺不良导致的。
2.根据权利要求1所述的判断失效光伏组件的失效分析方法，其特征在于：在所述的步骤(a)中，光伏组件结构的第一电池片和第二电池片呈交替排列，形成空间对称结构。
3.根据权利要求1或2所述的判断失效光伏组件的失效分析方法，其特征在于：在所述的步骤(b)中，环境实验为热循环、潮湿高温、潮湿冰冻、户外暴晒、外加电势、外加撞击中的一种或多种。
4.根据权利要求1或2所述的判断失效光伏组件的失效分析方法，其特征在于：在所述的步骤(c)中，特性测试为热斑特性测试、电致发光特性测试、红外特性测试、电流-电压特性测试中的一种或多种。
5.根据权利要求1或2所述的判断失效光伏组件的失效分析方法，其特征在于：在所述的步骤(a)中，在光伏组件结构中，单块包含的电池片的数目为24～300个。
6.一种如权利要求1至5中任一项所述的判断失效光伏组件的失效分析方法中所使用的光伏组件结构，其特征在于：它具有两种类型电池片，分别为第一电池片和第二电池片，第一电池片和第二电池片具有单一差异因素，并且除该单一差异因素外，其余因素相同；其中，该单一差异因素为单一的结构设计差异或为单一的工艺制成差异，所述的第一电池片为失效光伏组件使用的电池片。
7.根据权利要求6所述的光伏组件结构，其特征在于：所述的第一电池片和第二电池片呈交替排列，形成空间对称结构。
8.根据权利要求6所述的光伏组件结构，其特征在于：它还具有汇流带、玻璃、背板、边框和两层胶膜层，多个电池片和汇流带连接组成电池片阵列，所述的玻璃、胶膜层、电池片阵列、胶膜层和背板依次层叠形成光伏组件主体，光伏组件主体安装在边框内。
9.根据权利要求8所述的光伏组件结构，其特征在于：所述的汇流带为金属焊带或金属线。
10.根据权利要求8所述的光伏组件结构，其特征在于：单块包含的电池片的数目为24～300个。
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