上海晶澳太陽能科技有限公司 ■ 邢濤 陳道遠(yuǎn) 劉玲玲 周永 張金林 劉勇

0 引言

光伏系統(tǒng)應(yīng)用端，組件熱斑不僅可能會對太陽電池造成損害，也會影響組件封裝材料的長期可靠性[1]。如造成焊帶的熔斷、EVA黃變、背板鼓包燒穿、接線盒損壞燒毀；嚴(yán)重時還可能因溫差過大發(fā)生玻璃局部碎裂的情況。

光伏組件在系統(tǒng)應(yīng)用端形成的熱斑來自遮擋和電池缺陷兩個方面。遮擋來自于鳥糞、落葉、積雪殘留、灰塵、云朵，以及植物、建筑物、鄰串組件等。當(dāng)遮擋發(fā)生而旁路二極管未打開時，組件中的被遮擋電池或被遮擋的電池局部處于“反向偏置”狀態(tài)，在系統(tǒng)電流的作用下產(chǎn)生熱量，形成熱斑。電池缺陷包括：漏電流過大或漏電區(qū)域集中、串阻過大、并阻過小、隱裂、裂片、邊緣短路、功率混檔、黑芯片、燒結(jié)短路、虛焊等，均可能會使組件在系統(tǒng)應(yīng)用端產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象。當(dāng)這些缺陷降低了電池的短路電流，使其低于組件工作電流時，缺陷電池處于“反向偏置”狀態(tài)，可能會產(chǎn)生大量熱量，形成熱斑。

本文對熱斑的探討和分析，只針對來源于電池缺陷的熱斑，遮擋不在本文考慮范疇內(nèi)。

1 熱斑原理及表征

1.1 熱斑原理

太陽電池是一種光電轉(zhuǎn)換器件，其原理基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)。在p型或n型半導(dǎo)體襯底上進(jìn)行相反類型的摻雜，p型與n型半導(dǎo)體之間存在內(nèi)建電場，光照產(chǎn)生的電子空穴對在內(nèi)建電場的作用下發(fā)生分離，如果在器件兩邊連接負(fù)載形成回路，則有電流通過。

太陽電池為一個大面積的平面二極管，可看作一個由無數(shù)個小二極管并聯(lián)而成的平面二極管，可用圖1所示等效電路來表示。圖中IL代表光生電流，一個在恒定光照下工作的太陽電池，其光生電流不隨負(fù)載變化，可看作一個恒流源；由于光生電動勢使p-n結(jié)正向偏置，因此存在一個流經(jīng)二極管的漏電流，該漏電流為非線性變化，并與光生電流的方向相反，因此會抵消部分光生電流，被稱為暗電流ID；太陽電池邊緣漏電或p-n結(jié)結(jié)區(qū)漏電所引起的電流損耗，可用并聯(lián)電阻Rsh來表征；Rs相當(dāng)于與外電路中的負(fù)載串聯(lián)，因此稱為太陽電池的串聯(lián)電阻，它主要由金屬電極與半導(dǎo)體材料的接觸電阻造成。需要說明的是，太陽電池的等效電路圖僅為簡化圖，并不代表太陽電池真實(shí)電路圖。

圖1 晶體硅太陽電池等效電路圖

短路電流的大小代表晶體硅太陽電池為電路回路提供電子空穴對的最大能力，當(dāng)太陽電池有造成短路電流下降的缺陷時，太陽電池等效電路模型中的IL減小[2]，采用物理極限法，當(dāng)缺陷導(dǎo)致晶體硅太陽電池的光生電流為零時，等效電路如圖2所示。

圖2 極限情況時缺陷晶體硅太陽電池等效電路圖

由圖1可看出，當(dāng)太陽電池出現(xiàn)熱斑時，流經(jīng)太陽電池的電流分為兩部分：流過二極管的暗電流ID和流過并阻Rsh的Ish。缺陷的存在可能導(dǎo)致暗電流的增大，增加熱量的產(chǎn)生；另一方面，由于太陽電池可看作由無數(shù)個小二極管并聯(lián)而成，因此，在并阻和串阻的共同作用下，太陽電池局部電阻過小的地方有大電流通過，形成熱斑。

1.2 熱斑表征

在系統(tǒng)應(yīng)用端的熱斑問題，用熱紅外圖分析是一種非常有效的檢測方法，且被業(yè)界廣泛接受。所有物體都會輻射紅外線，測試儀器通過捕捉紅外線可檢測出物理表面的溫度。權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)基于大量數(shù)據(jù)積累和資料調(diào)研，提出以下指導(dǎo)原則[3]：1)為了確保測試結(jié)果的有效性，測試輻照條件應(yīng)大于800 W/m2；2)對于紅外圖分析中IR溫差，定義為熱斑最高溫度與組件平均溫度之間的溫度差值；3)IR溫差小于10 ℃可接受，正常情況下，IR溫差超過5 ℃的比例非常?。?)IR溫差超過10 ℃，預(yù)示組件可能存在質(zhì)量問題，如果少數(shù)組件存在溫差超過10 ℃的情況，只要此比例不超過5%，不是由于電池混檔造成的熱斑溫差異常，且系統(tǒng)功率輸出正常，也可接受；5)一般情況，輻照度和溫度不超過一定程度的測試條件下，超過20 ℃的IR溫差不能被接受，所有組件應(yīng)被檢測，甚至替換。

通過IR溫差的檢測，可分析組件在系統(tǒng)端的問題，進(jìn)行分析的案例為：

1)如果某一塊組件溫度明顯低于其他組件，則該組件可能存在漏連，即未與系統(tǒng)連接，處于開路狀態(tài)。

2)如果組件中某一串電池片溫度明顯低于其他電池串，則該串電池片內(nèi)部處于開路，或組件內(nèi)部匯流條存在短路，或與之相連的旁路二極管短路。

3)如果組件中少數(shù)電池片溫度明顯過高，存在熱斑，則組件中可能存在混檔片，或該組件為低效組件，或電池質(zhì)量出現(xiàn)問題。

4)如果組件中存在大面積電池片熱斑，則很可能源于PID或嚴(yán)重的質(zhì)量問題。

5)如果組件中只有一個電池片存在嚴(yán)重?zé)岚?，則該電池片為缺陷電池片。

系統(tǒng)端組件的實(shí)際紅外圖獲取過程，要排除一定干擾，以下為一些實(shí)際拍攝過程易造成誤導(dǎo)的圖。

圖3為不同電站采樣熱斑紅外圖。圖3a下方的發(fā)紅邊緣，為常年雨雪促使塵土積聚造成一定遮擋而形成的熱斑，一般IR溫差不超過5 ℃。圖3b中的熱斑面積小，且IR溫差超過15 ℃，該熱斑源于直徑3～5 cm的鳥糞的遮擋。圖3c中，組件某1/3串電池片的溫度明顯高于組件平均溫度，可能是焊接問題或旁路二極管短路等，該種情況，通過大量的檢測結(jié)果，IR溫差不超過5℃，對組件的長期可靠性和系統(tǒng)的電力輸出不會造成太大影響。圖3d中，單片太陽電池存在熱斑，溫差不超過5℃，可能由于該區(qū)域玻璃存在臟污或電池片存在輕微的缺陷問題。

圖3 不同電站采樣熱斑紅外圖

2 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)針對組件在系統(tǒng)端的熱斑問題進(jìn)行熱紅外圖像檢測工作。選用某實(shí)驗(yàn)電站為實(shí)驗(yàn)場，輻照度超過800 W/m2，環(huán)境溫度超過30 ℃，風(fēng)速低于2 m/s，采樣組件數(shù)量為1080塊，IR溫差異常標(biāo)準(zhǔn)為10 ℃。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖4所示。

本實(shí)驗(yàn)共檢測出4塊IR溫差異常組件，分別命名為組件A、B、C、D，相關(guān)紅外和EL圖如圖5～8所示。

圖4 某電站熱斑檢測實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

圖5 組件A的紅外和EL圖

組件A的紅外和EL圖如圖5所示。由圖5可知，組件A存在嚴(yán)重?zé)岚?，IR溫差為10 ℃，該組件熱斑由裂片引起。

組件B的紅外和EL圖及缺陷電池片如圖6所示。由圖6可知，組件B存在嚴(yán)重?zé)岚?，IR溫差大于15.7 ℃(圖6a)；該熱斑電池片邊緣發(fā)暗，輔助組件正面觀測，電池片四周邊緣柵線已黃變甚至呈現(xiàn)黑色(圖6b)，可判斷熱斑由邊緣漏電引起(圖6c)。

由圖7可知，組件C存在嚴(yán)重?zé)岚?，IR溫差約為10 ℃，該組件熱斑由裂片而引起。

圖6 組件B的紅外和EL圖及缺陷電池片

圖7 IR溫差異常組件C的紅外和EL圖

圖8 組件D的紅外和EL圖

由圖8可知，組件D存在嚴(yán)重?zé)岚?，IR溫差超過14.7 ℃，1/3串電池片未發(fā)光?？赡茉?yàn)?，?/3串對應(yīng)旁路二極管或匯流條短路。

補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)為，將組件4根引出線與接線盒分離，分別測試兩個1/3串電池的EL圖像，輔助電壓電流值驗(yàn)證斷路或短路，如圖9和圖10所示。由圖可知，匯流條內(nèi)部短路，1/3串電池片形成自回路。

圖9 引出線與接線盒分離補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)

圖10 正常和異常1/3串電壓和EL圖

3 結(jié)語

通過對實(shí)際并網(wǎng)運(yùn)行兩年的光伏電站進(jìn)行采樣紅外測試，1080塊組件中，僅2塊組件IR溫差超過10 ℃，2塊組件IR溫差超過15 ℃，IR溫差異常比為0.37%，而IR溫差超過20 ℃的比例為0。同時，所有IR溫差超標(biāo)組件均與隱裂無關(guān)，從階段性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隱裂與熱斑IR溫差的相關(guān)性較低。

[1] Wendlandt S, Drobisch A, Buseth T, et al. Hot spot risk analysis on silicon cell modules[A]. 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition[C], Valencia, Spain,2010, 4002－4006.

[2] Quaschning V. Numerical simulation of current voltage characteristics of photovoltaic systems with shaded solar cells[J].Solar Energy, 1996, (4): 55－60.