王盛強(qiáng),邢 佳,齊英新
(1.遼寧太陽(yáng)能研究應(yīng)用有限公司,遼寧 沈陽(yáng)110136;2.沈陽(yáng)興源電力設(shè)備有限公司,遼寧 沈陽(yáng)110136)
隨著我國(guó)光伏并網(wǎng)電站建設(shè)量不斷擴(kuò)充,截至2018年上半年,光伏組件國(guó)內(nèi)總體產(chǎn)能約42吉瓦,與去年同比增長(zhǎng)24%,出口量約19吉瓦,與去年同比增幅25%;2018年一季度,新增光伏并網(wǎng)裝機(jī)容量為9.65吉瓦,分布式占7.685吉瓦,占主導(dǎo)地位,整體增長(zhǎng)趨于平衡。與此同時(shí),根據(jù)目前光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和成本降低,依據(jù)“關(guān)于2018年光伏發(fā)電項(xiàng)目政策的通知”,降低了光伏電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià),同時(shí)取消了普通光伏電站建設(shè)指標(biāo),加快了光伏并網(wǎng)電站平價(jià)上網(wǎng)進(jìn)度,基于以上原因根據(jù)建設(shè)規(guī)模,光伏組件采購(gòu)價(jià)格勢(shì)必會(huì)在原有基礎(chǔ)上再降低,光伏組件質(zhì)量問題將面臨巨大的挑戰(zhàn),如何提高光伏組件生產(chǎn)質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,提高組件出廠良品率將成為光伏組件市場(chǎng)中制勝的法寶。下面就結(jié)合EL(電致光檢測(cè))和光伏組件加工工藝來著重分析組件常見質(zhì)量問題和造成原因。
目前,光伏組件的質(zhì)量檢驗(yàn)是通過EL測(cè)試的圖像來判斷的。通過光伏組件層壓過程中的EL測(cè)試圖像,可以快速準(zhǔn)確地確定各種電池片的質(zhì)量,由于工藝參數(shù)和人為因素的不正確設(shè)置而導(dǎo)致的缺陷組件可以得到有效的控制。如電池裂縫,焊接不良,短路,邊緣過切,主柵線漏電,黑團(tuán)片、短路黑片、副柵線漏電、黑心片、過焊片等由于上述原因,已經(jīng)分析了大量文檔,這些分析的結(jié)果對(duì)組件制造商控制生產(chǎn)過程和客戶對(duì)選擇高質(zhì)量產(chǎn)品和維護(hù)具有指導(dǎo)意義。圖1是從EL測(cè)試圖像和生產(chǎn)過程中列舉光伏組件常見缺陷示例。分別從成像特點(diǎn)、產(chǎn)生原因、組件影響和預(yù)防措施等方面進(jìn)行分析[1]。
圖1 光伏組件常見缺陷示例
1.1.1 隱裂和碎片
(1)EL成像特點(diǎn):通過EL成像可以清楚地看出,單晶硅電池片呈現(xiàn)出“x”圖案;由于晶界的影響,多晶硅的晶界或電池中的隱藏裂縫有時(shí)難以區(qū)分。隱裂片的成像特征是在EL試驗(yàn)下裂紋會(huì)產(chǎn)生明顯差異的線(黑線),并且裂紋的方向是不確定的[2]。(2)產(chǎn)生原因:電池片在焊接過程中或者組件搬運(yùn)過程中由于外力引起;同時(shí)由于電池片在低溫下不進(jìn)行預(yù)熱,突然在短時(shí)間內(nèi)膨脹到高溫,高溫膨脹引起裂縫現(xiàn)象。(3)組件影響:組件破裂后,內(nèi)部電池電流缺失或部分損壞,電池片本身的細(xì)網(wǎng)格線斷裂。電流的收集受到影響,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致隱裂更嚴(yán)重、變成碎片、組件性能下降、功率衰減等技術(shù)問題;降低組件的使用壽命和可靠性。長(zhǎng)時(shí)間積累,光伏組件會(huì)出現(xiàn)熱斑效應(yīng)的,后果就是造成組件損壞。(4)預(yù)防措施:由于電池片本身相對(duì)脆弱并且容易破裂,所以在生產(chǎn)電池片和組件程壓過程中很容易造成裂縫。所以在電池片篩查過程中,提高工作責(zé)任心,做到輕拿輕放,同時(shí)優(yōu)化組件層壓工藝,在組件層壓之前及時(shí)更換裂縫可以減少成品組件的缺陷。
1.1.2 斷柵
(1)EL成像特點(diǎn):從EL圖像中,在兩個(gè)網(wǎng)格線之間存在垂直線,并且沿著單元的主柵線存在暗線。同時(shí),細(xì)柵處的光強(qiáng)度弱或不發(fā)光主要都是電池片的未連接導(dǎo)致的。(2)產(chǎn)生原因:柵極遭到破壞的主要是由于在印刷過程中出現(xiàn)細(xì)柵斷點(diǎn)及細(xì)柵缺失而引起的,導(dǎo)致主柵線和細(xì)柵線不能形成環(huán)路。同時(shí),電池柵線沒有標(biāo)準(zhǔn)化焊接或電池板印刷不良,絲網(wǎng)印刷質(zhì)量不好或絲網(wǎng)印刷參數(shù)設(shè)置不當(dāng),切割硅片不均勻,出現(xiàn)斷層現(xiàn)象。(3)組件影響:在降低光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí),不利于收集電流。(4)預(yù)防措施:合理設(shè)置絲網(wǎng)印刷參數(shù),絲網(wǎng)物料的搭配,建立絲網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)規(guī)程,實(shí)時(shí)監(jiān)控RS能很大幅度地減少絲網(wǎng)印刷產(chǎn)生的斷柵,同時(shí)可以加裝自動(dòng)分選機(jī)進(jìn)行在線監(jiān)控。
1.1.3 黑芯片(黑團(tuán)片)
(1)EL成像特點(diǎn):在EL圖像中,您可以看到從單元中心到邊緣逐漸變亮的同心圓。電池片部分變黑,圖像看起來很弱或沒有發(fā)光。由此形成復(fù)合致密區(qū)域,在通電的情況下,電池片的中心呈現(xiàn)黑色區(qū)域[3]。(2)產(chǎn)生原因:在硅棒拉晶過程中,硅棒中分凝系數(shù)大與氧的溶解度有直接關(guān)系,同時(shí)硅料受到不同程度污染,少數(shù)載流子的壽命降低原因是硅晶片的錯(cuò)位造成,導(dǎo)致電池的部分黑化。同時(shí),由于縮短了晶體定向凝固時(shí)間,熔體的潛熱釋放和熱場(chǎng)溫度梯度匹配度不高,加快了晶體生長(zhǎng)速度,引起內(nèi)部位錯(cuò)缺陷主要原因是過大的熱應(yīng)力。(3)組件影響:在組件中出現(xiàn)黑色芯片后,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成熱擊穿,當(dāng)測(cè)試組件IV特性曲線時(shí),曲線呈現(xiàn)階梯形狀,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致組件輸出功率下降。(4)預(yù)防措施:合理調(diào)整硅棒中分凝系數(shù)大和氧的溶解度,避免硅料受到污染。
1.1.4 短路黑芯片(非短路黑色芯片)
(1)EL成像特點(diǎn):光伏組件在某個(gè)位置會(huì)出現(xiàn)一塊或多塊全黑色電池片。(2)產(chǎn)生原因:組件電池片串焊接過程中造成正負(fù)極互聯(lián)條短路,接線盒二極管正負(fù)極焊反、接線接錯(cuò)及互聯(lián)條虛焊等,同時(shí)在組件被層壓之前,混合低效率電池單元,并且硅晶片的質(zhì)量差或者N型片被誤用。沒有PN結(jié)也是EL成像完全黑的原因之一[4]。(3)組件影響:填充系數(shù)及組件輸出功率會(huì)受到很大影響。組件IV特性曲線呈階梯式的,短路電池片不能提供外部電源,整個(gè)光伏組件的輸出功率降低,IV特性曲線的最大功率減小。(4)預(yù)防措施:當(dāng)電池片焊接時(shí),焊料留在邊緣以避免溫度低時(shí)的焊點(diǎn)。組件層壓后,檢查接線盒二極管是否焊接及引線是否異常焊接。
光伏組件加工技術(shù)主要包括電池片檢測(cè),電池串焊,元件堆疊,元件層壓,電池片單焊,安裝框架和安裝接線盒,成品測(cè)試和包裝到倉(cāng)庫(kù)等。每個(gè)流程之間都是相互作用相互制約的。光伏組件在實(shí)際生產(chǎn)中質(zhì)量的主要問題是:電池片隱裂、蝸牛紋、EVA脫層、硅膠不良導(dǎo)致封層及電池片交叉隱裂紋、光伏組件燒壞、組件接線盒起火、電池片助焊劑用量過多、虛焊和過焊、焊帶偏移或焊接后翹曲破片、組件鋼化玻璃爆破和接線盒導(dǎo)線斷裂、產(chǎn)生氣泡、熱斑和脫層、硅膠氣泡和縫隙、漏打膠、引線虛焊等,下面將列舉幾種光伏組件生產(chǎn)工藝常見缺陷來詳細(xì)說明產(chǎn)生原因、組件影響及預(yù)防措施[5]。
1.2.1 電池片隱裂
(1)產(chǎn)生原因:電池板在焊接或處理過程中由于外力而破裂;在低溫下,電池片未經(jīng)過預(yù)熱處理,在短時(shí)間內(nèi)高溫后突然出現(xiàn)膨脹,導(dǎo)致開裂,電池片在單焊或者串焊時(shí)瞬間溫度過高等[6]。(2)組件影響:造成組件功率衰減;隱裂長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,會(huì)導(dǎo)致熱斑效應(yīng),直接影響電池組件性能,直至電池組件燒毀報(bào)廢。(3)預(yù)防措施:在焊接或處理過程中盡量避免電池板受到外力的沖擊,在電池片單焊或者串焊過程中要提前將電池片進(jìn)行預(yù)熱處理,電烙鐵工作溫度必須符合生產(chǎn)工藝技術(shù)要求。
1.2.2 EVA脫層
(1)產(chǎn)生原因:組件層壓機(jī)工作環(huán)境溫度過低,層壓時(shí)間短,即交聯(lián)度不合格造成;在層壓之前,EVA、玻璃和背板等原材料的表面是由異物引起的,EVA質(zhì)量不合格或過期,導(dǎo)致乙烯和乙酸乙烯酯不均勻,常溫下不能溶解,造成分層;焊接電池片時(shí),阻焊劑用量過多,表面有殘留;組件層壓機(jī)的參數(shù)設(shè)置異常,導(dǎo)致低真空和密封圈裂縫。(2)組件影響:當(dāng)分層面積小時(shí),引起組件的功率衰減,并且分層區(qū)域逐漸擴(kuò)大,這直接導(dǎo)致組件的報(bào)廢失效。(3)預(yù)防措施:組件層壓前要進(jìn)行細(xì)致檢查,車間生產(chǎn)環(huán)境溫度要持續(xù)改善,同時(shí)嚴(yán)格控制層壓機(jī)工作溫度、層壓時(shí)間等重要參數(shù),并根據(jù)技術(shù)要求定期進(jìn)行交聯(lián)度測(cè)試,控制交聯(lián)度在85%±5%以內(nèi),加強(qiáng)EVA來料檢驗(yàn)環(huán)節(jié),過期的EVA應(yīng)定期銷毀;嚴(yán)格控制電池單焊或串焊時(shí)使用的助焊劑量,并盡量不要超過主柵線兩側(cè)0.3毫米;組件層壓前,根據(jù)生產(chǎn)工藝要求合理設(shè)置層壓機(jī)各項(xiàng)參數(shù),極個(gè)別參數(shù)定期進(jìn)行校準(zhǔn)等。
1.2.3 電池片虛焊、過焊
(1)產(chǎn)生原因:串焊或者單個(gè)電池片時(shí),導(dǎo)致虛焊的主要原因是使用阻焊劑過少,焊接時(shí)速度過快及焊接工作環(huán)境的溫度太低都可能造成;導(dǎo)致過焊主要原因是焊接溫度過高或時(shí)間過長(zhǎng)。(2)組件影響:在短時(shí)間內(nèi)焊接電池片,電池片和焊帶有分層的可能,造成光伏組件輸出功率衰減或完全失效;過度焊接很容易造成電池的內(nèi)部電極被破壞,加速光伏組件功率衰減,縮短組件壽命。(3)預(yù)防措施:電池片串焊時(shí),要合理設(shè)定焊接溫度,并且要定期檢查,通常焊接停留時(shí)間在3~4秒之間最佳;同時(shí)使用少量助焊劑,保證烙鐵的焊接時(shí)間及工作溫度,加強(qiáng)電致光檢測(cè)質(zhì)量,防止不良問題影響下一道工序,定期加強(qiáng)管理互連條浸泡液和時(shí)間。
1.2.4 電池片間及電池片上產(chǎn)生氣泡
(1)產(chǎn)生原因:EVA超過使用期限或儲(chǔ)存時(shí)間過長(zhǎng),不符合儲(chǔ)存的溫度和濕度要求,造成EVA中交聯(lián)劑的蒸發(fā)加速,在固化階段不能實(shí)現(xiàn)交聯(lián)化學(xué)反應(yīng),當(dāng)光伏組件層壓時(shí),不封閉的加工工藝,造成EVA厚度不均勻,容易提前固化的地方一定是厚度比較薄的地方,EVA交聯(lián)反應(yīng),反應(yīng)速率及泵送時(shí)間不能得到有效匹配。造成交聯(lián)劑的氣體不能及時(shí)消除,光伏組件層壓后,在組件內(nèi)部有氣體被封裝,然后,因?yàn)榻菰谥竸┲械幕ミB條帶沒有完全干燥,就進(jìn)行焊接工作,在電池板的表面上產(chǎn)生少量焊劑殘留物,也是光伏組件中產(chǎn)生氣泡的主要原因[7]。(2)組件影響:嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成組件直接報(bào)廢的主要原因是組件內(nèi)部產(chǎn)生氣泡會(huì)造成脫層。(3)預(yù)防措施:開箱后的12小時(shí)內(nèi)EVA要及時(shí)使用,未開箱的和開箱后未使用完的EVA應(yīng)保存在環(huán)境溫度為26℃以下,濕度為80%以下,調(diào)整組件層壓時(shí)間等參數(shù),避免薄層EVA提前固化。
1.2.5 貧硅膠導(dǎo)致分層細(xì)胞中的交叉隱藏裂縫
(1)產(chǎn)生原因:組件層壓機(jī)工作環(huán)境溫度過低,組件層壓時(shí)間短,交聯(lián)度不合格是主要原因;在層壓之前,EVA,玻璃和背板等原材料的表面由異物引起,鋁框架不均勻地粘合并具有間隙。組件或內(nèi)部電池片受到外力碰撞,在搬運(yùn)過程中產(chǎn)生裂縫。(2)組件影響:分層后,很容易使水進(jìn)入組件,導(dǎo)致組件內(nèi)部短路或組件報(bào)廢。(3)預(yù)防措施:組件層壓前要對(duì)車間生產(chǎn)環(huán)境溫度進(jìn)行檢查,同時(shí)對(duì)層壓機(jī)工作溫度、層壓時(shí)間等重要參數(shù)做到嚴(yán)格控制;并且定期進(jìn)行交聯(lián)度測(cè)試,交聯(lián)度應(yīng)在85%±5%以內(nèi)為最佳;加強(qiáng)EVA來料檢驗(yàn)環(huán)節(jié),過期的EVA應(yīng)定期銷毀;組件鋁邊框打膠時(shí)操作方法要得當(dāng),縫隙處要密封到位,在搬運(yùn)過程中要避免光伏組件受到外力碰撞。
通過光伏組件生產(chǎn)工藝及EL檢測(cè)圖像兩個(gè)方面深度剖析了光伏組件質(zhì)量問題,從中發(fā)現(xiàn)無論在EL檢測(cè)圖像還是在光伏組件生產(chǎn)過程中,光伏組件的質(zhì)量主要還是集中在生產(chǎn)過程控制上,EL檢測(cè)只是一種有效的檢測(cè)手段。但只能反映問題的存在而無法解決問題本身。特別在現(xiàn)有國(guó)家光伏發(fā)電政策下,組件制造技術(shù)不斷創(chuàng)新,其價(jià)格持續(xù)走低,如何能夠徹底改善光伏組件的生產(chǎn)制造工藝,保證光伏組件生產(chǎn)質(zhì)量,降低制造成本,提高光伏組件成品率,降低組件出廠的不良率,還需要不斷的去研究和探索。