武朝磊，劉志民，韋德遠，陳靜偉*，許 穎

（1.河北大學 物理科學與技術學院，河北 保定 071000；2.中國建材檢驗認證集團股份有限公司 光伏檢驗認證院，北京 100024；3.浙江工業(yè)大學 理學院，浙江 杭州 310023）

1 引 言

光伏組件是一種可以利用清潔環(huán)保的太陽光直接發(fā)電的電學設備，是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分。目前，主流的常規(guī)光伏組件通常由多片小功率單晶硅或者多晶硅太陽能電池組裝而成，其迎光表面通常還有鋼化玻璃蓋板加以保護［1］。在常規(guī)光伏組件內(nèi)部，通常多個整片太陽能電池通過互聯(lián)帶相互串聯(lián)，形成一個電池串，不同的電池串又串聯(lián)在一起，最后經(jīng)封裝制作成組件。

近幾年，降低組件封裝損失、提高電池到組件的效率是國內(nèi)外光伏組件技術的發(fā)展趨勢。在常規(guī)組件技術基礎上，半片組件、疊瓦組件等新型組件技術應運而生［2-5］。與常規(guī)組件不同，半片組件里最基本的組成單元是半片太陽能電池，即常規(guī)組件里的整片多晶硅或者單晶硅電池被平均切成一半而形成的面積減半的新電池。若干個半片電池串聯(lián)組成一個電池串，而這樣的兩個電池串相互并聯(lián)，組成一個子組件。若干個子組件之間相互串聯(lián)，最終組成一個完整的半片組件。疊瓦組件則是半片組件的進一步延伸。在此種組件中，每一片完整的單晶硅或者多晶硅電池被切割成若干子片，作為組件的最小獨立工作單元。數(shù)量很多的子片串聯(lián)組成電池串，而若干個電池串之間相互并聯(lián)組成一個子組件。若干個子組件相互串聯(lián)，最終組成一個完整的疊瓦組件。

與常規(guī)組件相比，半片和疊瓦組件這兩種技術因為其不同的單片電池面積、電路布局以及電池的幾何排布方式等因素，比常規(guī)組件更具性能優(yōu)勢。首先，半片和疊瓦組件會減小電池串電流，導致電池串的電阻發(fā)熱損耗減小，提高組件的輸出功率。假設常規(guī)組件中電池串電流為I0，對于半片組件來說，每串電流變?yōu)镮0/2，而疊瓦組件每個電池串的電流為I0/n。因此，相比常規(guī)組件，半片和疊瓦組件中電池串的電流都會減少，電流流經(jīng)電池串時因內(nèi)阻造成的內(nèi)部功率損耗就會減小，電池到組件效率得到提高。Tang和Rong等報道顯示半片組件的功率通常比同版型的常規(guī)組件高5~10 W［2-3］。第二，相比常規(guī)組件，半片與疊瓦組件中的電池幾何排布與間距發(fā)生變化，會增加光學吸收并提高輸出功率。Sch‐neider［4］等報道半片組件內(nèi)由于半電池間距增加，更多入射光通過電池間距進入組件內(nèi)部，并在背板形成較強的反射光最終增強了光的吸收。此效果使半片組件比常規(guī)組件的短路電流增加3.1%。如果72整片的常規(guī)組件轉換為144片的半片組件，其輸出功率會提高3%。而在疊瓦組件中，將其中一子片的正面主柵和相鄰另一片的背面主柵經(jīng)導電膠連接，取代了相鄰電池片之間互聯(lián)帶的連接。因此，相鄰電池片的間距減小，同樣的組件面積下可以放置更多的電池片，電池密度的提高增加了組件的光吸收和輸出功率。第三，相比傳統(tǒng)組件，半片和疊瓦組件電路布局的改變還可以減少組件的熱斑效應［5］。當其中一個子片電池因為遮擋造成熱斑效應時，常規(guī)組件雖然有二極管保護，但是該電池所處的電池串會被屏蔽，發(fā)電量受到嚴重影響。但是，同樣情況下，半片組件中并聯(lián)的另外一部分并不會因子片電池遮擋而受熱斑效應影響。疊瓦組件中的大部分并聯(lián)電池串也不受類似影響。因此，相比傳統(tǒng)組件，熱斑效應對于半片和疊瓦組件的影響更小。

盡管相比常規(guī)組件，半片和疊瓦組件技術已表現(xiàn)出很多性能優(yōu)勢。但是，這兩種技術尚未像常規(guī)光伏組件一樣成熟，其各方面的性能仍未被充分研究。目前，國內(nèi)外關于半片和疊瓦組件的研究主要集中在以下幾個方面：（1）電池間距的影響。較多的研究表明，減少組件內(nèi)的子片電池間距可以降低功率損失并提高輸出功率。Mit‐tag［6］等通過模擬計算分析了疊瓦組件比常規(guī)電池組件具有更高輸出功率的原因，模擬結果顯示電池片重疊寬度是影響疊瓦組件的電池到組件效率損失的關鍵因素。重疊寬度越小，則功率損失越小。輸出功率更高的另外一個原因是子片電池密度的提高，即相同組件面積可以放置更多電池片。Singh等［7］報道了適當減小半片組件內(nèi)電池片之間的間距會減少電力損耗，半片組件效率可以提高0.48%。（2）互聯(lián)焊帶的影響。Hanifi等［8］指出半片組件焊線寬度的減少不僅降低了材料的消耗成本，也降低了組件的內(nèi)部功率損失，提高了輸出功率，最終導致其電池到組件效率比常規(guī)組件提高了0.85%。（3）機械與熱應力。Akram［9］等的模擬計算結果表明電池形態(tài)和幾何形狀對電池的水平應力有顯著影響。切割之后的電池更能抵抗熱機械載荷。因此，小面積電池組成的組件對因溫度重復變化而引起的熱失配、疲勞和其它應力的承受能力更強。Gerenton和Julius等［10-11］報道在相同的光遮擋面積下半片組件的散熱能力比常規(guī)組件強，使其熱斑溫度比常規(guī)組件低19℃。（4）組件穩(wěn)定性。Wendlandt［12］等研究了弱光條件下疊瓦光伏組件的長期穩(wěn)定性。其研究結果顯示，如果組件串聯(lián)電阻較低，在較低的輻照度下其效率損失小，即弱光性能強；如果組件的串聯(lián)電阻較高，在較低的輻照度下其效率損失大，則其弱光性能弱。

然而，除了上述提及的熱應力，目前對半片與疊瓦光伏組件的溫度響應，特別是組件的電學特性對溫度變化的響應及熱穩(wěn)定性的研究還比較少。另外，除了少量的弱光性能研究，針對光輻照對此兩種新組件影響的研究工作也非常少。本文主要研究了半片與疊瓦組件主要電學特性的溫度響應，并進一步探討了光輻照度對組件電學特性溫度響應的影響。另外，還探討了輻照入射角度對新式組件光利用效率的影響以及戶外長時間累計光輻照對組件電學性能的影響。通過比較系統(tǒng)地研究光伏組件的實際使用環(huán)境因素（如輻照、溫度等）對組件電學性能的影響，可知相比常規(guī)組件，半片和疊瓦組件的電學性能表現(xiàn)出更高的熱穩(wěn)定性，光利用率更高，長時累計輻照后的光致衰減幅度也更小，具有更大的性能優(yōu)勢和更廣的應用前景。

2 實 驗

2.1 樣品制備

實驗選用單面PERC單晶硅電池作為組件的基本單元。整片電池的尺寸為156 mm×156 mm。實驗中的常規(guī)組件由60片整片單晶硅電池組裝制備而成。常規(guī)組件的電路原理如圖1（a）所示，組件內(nèi)部的電池片每10片串聯(lián)編制為1個電池串，整個組件共有6個相互串聯(lián)的電池串，每2個串聯(lián)的電池串并聯(lián)1個反向二極管作為保護電路。常規(guī)組件的輸出電壓和輸出功率分別為31.4 V和280 W。

半片組件的基本單元是上述整片電池平均切成一半的半片電池，尺寸為156 mm×78 mm。半片組件由120片上述半片電池組裝制備而成，其電路示意圖如圖1（b）所示。半片組件中每10片電池組成1個電池串，每2個電池串串聯(lián)后組成1個電池串組。此電池串組再與另外一個與它一樣的電池串組并聯(lián)，同時此兩者也并聯(lián)一個用作電路保護的反向二極管，組成1個子組件。3個這樣的子組件相互串聯(lián)，最后組裝形成一個完整的半片組件。同時，半片電池的整體排布使整個組件在幾何上分成左右兩個對稱的部分，兩部分之間有較大間距，用來制備反向二極管保護電路。半片組件的幾何尺寸為1 696 mm×1 002 mm×35 mm，組件的輸出電壓和輸出功率分別為33.8 V和330 W。

圖1 不同光伏組件的電路原理Fig.1 Schematic diagrams of circuit principle for different photovoltaic modules

疊瓦組件的基本單元是上述整片電池平均切為5小片而形成的小面積電池，尺寸為156 mm×31.2 mm。由于疊瓦電池之間通過導電膠連接主柵的特殊互聯(lián)方式，電池間的間距相比常規(guī)組件大幅度縮小，疊瓦組件由340片上述疊瓦電池組裝制備而成。此疊瓦組件的電池總量相當于68塊整片電池，比常規(guī)電池組件多放置了8塊整片電池。疊瓦組件的電路示意圖如圖1（c）所示。每34片疊瓦電池組成1個電池串，每5個電池串相互并聯(lián)后組成1個電池串組。此電池串組再與另外用作電路保護的反向二極管并聯(lián)，組成1個子組件。2個子組件相互串聯(lián)，最后組裝形成1個完整的疊瓦組件，其內(nèi)部電池排布使整個組件在幾何上分成了左右兩個對稱的部分，兩部分之間有間距，用來布局反向二極管和保護電路。疊瓦組件的幾何尺寸為1 719 mm×1 140 mm×35 mm，組件的輸出電壓和輸出功率分別為46.1 V和390 W。

2.2 測試表征

為獲取光伏組件在戶外的工作環(huán)境參數(shù)，利用海南省定安縣某光伏太陽能電站的溫度傳感器和太陽輻照傳感器對實驗當?shù)匕滋斓膽敉鉁囟群吞柟廨椪斩茸隽烁櫆y量。圖2所示的是海南省定安縣2020年9月1號白天戶外溫度和輻照度與時間的關系。由于海南地處熱帶，年平均溫度和太陽輻照度的變化不是很大，圖2中的數(shù)據(jù)可作為光伏組件戶外工作環(huán)境參數(shù)的一個參考。

圖2 中國海南省定安縣2020年9月1號白天戶外溫度和輻照度Fig.2 Outdoor temperature and irradiance in daytime of September 1st，2020 in Ding'an County，Hainan Province，China

為了測試常規(guī)、半片和疊瓦3種組件的溫度響應，根據(jù)標準IEC61215［13］規(guī)定，利用恒溫箱在25~55℃內(nèi)以5℃為步長改變組件的溫度，并利用Pasan標準太陽光模擬器在1 000 W/m2輻照度下測試組件在每個溫度點對應的開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）和最大功率值（Pmax）。測試后，繪制組件開路電壓、短路電流和最大功率隨溫度變化的3條曲線，然后利用最小二乘法對每條曲線進行線性擬合，擬合直線的斜率即為開路電壓（短路電流或者最大功率）的絕對溫度系數(shù)。隨后，將溫度系數(shù)除以組件25℃對應的開路電壓（短路電流或者最大功率），獲得組件開路電壓（短路電流或者最大功率）的相對溫度系數(shù)。最后，用相對溫度系數(shù)比較環(huán)境溫度對不同組件電學性能的影響。為了測試不同輻照度對組件穩(wěn)定性的影響，在Pasan太陽模擬器中插入濾光片來改變光輻照度，使模擬器的光輻照度在100~1 100 W/m2之間調(diào)節(jié)，測試得到3種組件在不同輻照度下的溫度系數(shù)和相對溫度系數(shù)。

采用“固定模擬光源+可旋轉組件支架”的方法，在0~87°旋轉角度內(nèi)測試組件對光入射角的響應特性。入射角在0~60°和60°~87°的改變步長分別為8°和3°。在光源輻照度為1 000 W/m2、組件溫度為25℃的條件下，測量每一個光入射角對應的組件的短路電流，重復測試3遍并取平均值，然后根據(jù)式（7）計算3種組件在不同入射角下的光利用率。按照IEC61853-2標準［14］規(guī)定組件的有效測試區(qū)域內(nèi)的入射光輻照度均勻性要在5%以內(nèi)。然而，因為整個組件尺寸較大，難以保證整個組件范圍內(nèi)的光輻照均勻性。因此，這里采用只測量組件中某個有效電池串性能的方法，此方法已被驗證可作為測試整個組件性能的等效替代方法［15］。

最后，測試長時間累計輻照對組件性能的影響。在AM1.5標準條件（1 000 W/m2，25℃）下測試完組件的光伏特性之后，將3三種組件放置戶外分別累計陽光暴曬5~20 kWh/m2的輻照劑量。隨后，在AM1.5標準條件下再次測試了這些組件的開路電壓、短路電流和最大功率，比較長時間累計輻照前后組件的性能參數(shù)。

3 結果與討論

3.1 環(huán)境溫度的影響與組件的熱穩(wěn)定性

光伏組件在戶外工作時，環(huán)境溫度隨著時間變化，如圖2所示。此外，組件工作時內(nèi)部電流通過內(nèi)阻產(chǎn)生熱量，也影響組件的工作溫度。兩者引起的溫度變化會影響組件工作性能的穩(wěn)定性。通常情況下，組件溫度升高，開路電壓下降，短路電流上升。

根據(jù)IEC-61215國際標準，本文可以通過組件光伏性能參數(shù)的絕對溫度系數(shù)和相對溫度系數(shù)來評價3種組件的熱穩(wěn)定性。絕對溫度系數(shù)定義為組件的電學參數(shù)（如開路電壓）對組件工作溫度的梯度，而相對溫度系數(shù)定義為絕對溫度系數(shù)與組件25℃條件下對應的電學參數(shù)（例如25℃對應組件的開路電壓）的比值，如式（6）所示。相對溫度系數(shù)通常是反映不同種類組件工作穩(wěn)定性的物理量，相對溫度系數(shù)值越小代表組件的熱穩(wěn)定性越高。所以，可以通過相對溫度系數(shù)評估環(huán)境溫度對各種組件性能的影響。相對溫度系數(shù)測試不僅可用于單獨測試組件性能的溫度熱穩(wěn)定性等級，還可納入光伏組件的綜合質量測試中。

為了測試組件的相對溫度系數(shù)，需要先根據(jù)組件的各種電學參數(shù)與溫度的關系測試和計算出絕對溫度系數(shù)。根據(jù)IEC-61215標準，絕對溫度系數(shù)的測試方法需要大概兩個步驟。第一步是要在標準輻照度測試環(huán)境下加熱到一定溫度，然后測試組件的開路電壓、短路電流和最大功率。第二步是需要繪制前述三者與溫度的函數(shù)圖，建造最小二乘法擬合曲線，從最小二乘法擬合的直線斜率計算前述三種參數(shù)的溫度系數(shù)。而第二步進行最小二乘法直線擬合的前提條件就是需要根據(jù)IEC60904-10國際標準確定試驗組件是否為線性組件。

首先，依據(jù)IEC-61215標準，用標準太陽光模擬器在1 000 W/m2輻照度下測試了組件在25~55℃內(nèi)對應的開路電壓、短路電流和最大功率，測量結果如圖3所示。圖3（a）~3（c）顯示，3種組件的開路電壓和最大功率都隨著溫度升高而減小。其原因是內(nèi)部太陽電池中硅材料的禁帶寬度因組件溫度升高而變窄，所以開路電壓減?。?6］。另一方面，短路電流則表現(xiàn)出了相反的趨勢，即隨著溫度增高而增加。此趨勢是因為在太陽電池中硅材料的禁帶寬度變窄，會有更多的電子從價帶躍遷到導帶，導致短路電流升高。

第二步，需要測試確定實驗組件是否為線性組件。而IEC60904-10國際標準規(guī)定，線性組件某一參數(shù)對溫度的非線性度（偏差）極限要求如下：對于開路電壓、短路電流和最大功率與溫度的曲線，其線性度的最大偏差應小于5%。而此類參數(shù)的線性度的最大偏差定義如下：

最后，根據(jù)IEC-61215標準，采用最小二乘法方法對開路電壓、短路電流和最大功率值與溫度的函數(shù)數(shù)據(jù)進行線性擬合［17］。假設線性擬合的直線方程為：

其中：Xi為組件溫度，Yj為開路電壓、短路電流或者最大功率的計算值，a0為直線截距，a1為直線斜率，即溫度系數(shù)。為求出式（1）的a1，應使離差平方和最小。φ即為電學參數(shù)的實驗測量值與計算值的離差平方和，表示為：

將式（1）代入式（2）得到：

其中Yi為開路電壓、短路電流或者最大功率的測量值。對式（3）求偏導，并令其等于0，得到：

將數(shù)據(jù)帶入式（4）和式（5）中，求出直線斜率a1和截距a0，然后繪出擬合直線，如圖3所示，擬合直線的斜率即為組件的絕對溫度系數(shù)。最后，將組件的絕對溫度系數(shù)代入式（6）中，即可求出組件的相對溫度系數(shù)［18］：

式（6）中的分母是25℃時所測量相對溫度系數(shù)對應的開路電壓、短路電流或者最大功率。常規(guī)組件開路電壓的相對溫度系數(shù)=（-1.41×10-1V·℃-1/38.5 V）×100%=-0.366%/℃，為了方便比較取絕對值為0.366%/℃。

相對溫度系數(shù)越小代表該類型組件的熱穩(wěn)定性越高，所以可以通過相對溫度系數(shù)評估環(huán)境溫度對各種組件性能的影響。本文測量了絕對溫度系數(shù)后，通過計算得到3種組件的相對溫度系數(shù)的絕對值（Absolute Value of the Relative Temperature Coefficient，AVRTC），如圖3（d）所示。圖3（d）顯示疊瓦和半片組件的開路電壓、短路電流和最大功率相對溫度系數(shù)的絕對值均小于常規(guī)組件。疊瓦和半片組件開路電壓的相對溫度系數(shù)絕對值分別為0.312和0.308%/℃，相比常規(guī)組件的0.366%/℃，分別降低了15%和16%。疊瓦和半片組件短路電流的相對溫度系數(shù)絕對值分別比常規(guī)組件的相對溫度系數(shù)降低了65%和46%。最終，疊瓦和半片組件的最大功率的相對溫度系數(shù)絕對值比常規(guī)組件分別降低了19%和28%。以上結果表明，疊瓦和半片組件的主要電學參數(shù)的相對溫度系數(shù)絕對值均比常規(guī)組件有大幅度的降低，說明前兩者在輻照度為1 000 W/m2的標準測試情況下的工作熱穩(wěn)定性有了較大幅度的提升。

圖3 三種組件的開路電壓（a），短路電流（b），最大功率值（c）以及以上參數(shù)的相對溫度系數(shù)絕對值（d）Fig.3 Open circuit voltage（a），short-circuit current（b）and maximum power（c）of three modules versus temperature as well as their absolute values of relative temperature coefficients（d）

半片和疊瓦組件電學性能熱穩(wěn)定性提高的原因有以下幾個方面：

（1）因電流流經(jīng)組件焊帶而產(chǎn)生的焦耳熱更小。對于半片組件來說，內(nèi)部串聯(lián)電阻減少，并且電池串中的電流比常規(guī)電池小，從而減小了焦耳熱對組件溫度的影響。而疊瓦組件內(nèi)部電池片采用了導電膠的連接方式，從而避免了因焊帶產(chǎn)生的焦耳熱問題［8］。

（2）熱斑效應更小。由于半片和疊瓦組件內(nèi)部電池連接中部分存在并聯(lián)的特殊結構，在戶外工作時可以降低熱斑對組件局部溫度升高的負面影響。而且，此種結構更有利于組件散熱，從而減小溫度升高對組件性能的影響［5］。因此，疊瓦和半片組件的電學性能的熱穩(wěn)定性要高于常規(guī)組件。

3.2 光輻照度對組件熱穩(wěn)定性的影響

光伏組件在實際使用環(huán)境中戶外太陽輻照度時刻發(fā)生變化，輻照度對它們的影響是不可避免的，如圖2所示。

對于同一類型的光伏組件，其電學性能的熱穩(wěn)定性與輻照度的關系可以用溫度系數(shù)來衡量。輻照度對組件性能的熱穩(wěn)定性影響結果如圖4所示。圖4（a）~4（c）顯示，3種組件的開路電壓、短路電流和最大功率的絕對溫度系數(shù)絕對值（Ab‐solute Value of Absolute Temperature Coeffi‐cient，AVATC）均隨輻照度的增加而減小。具體而言，圖4（a）顯示常規(guī)、半片和疊瓦組件的開路電壓溫度系數(shù)絕對值分別從100 W/m2時的0.14，0.143和0.125V/℃減 小 到1 100 W/m2時的0.128，0.125和0.115 V/℃，分別減小 了8.6%，12.6%和8%。同理，如圖4（b）和4（c）所示，當輻照度從100 W/m2增加到1 100 W/m2時，常規(guī)、半片和疊瓦組件的短路電流溫度系數(shù)絕對值分別減小了91%，90%和93%，而最終它們的最大功率的溫度系數(shù)絕對值分別減小了90%，92%和93%。因此，輻照度對光伏組件的電學性能的熱穩(wěn)定性影響非常大，且輻照度與組件電學性能的熱穩(wěn)定性正相關。弱光下（低輻照度）下光伏組件的最大功率的熱穩(wěn)定性要比強光下降低90%以上，而更高輻照度下的電學性能的熱穩(wěn)定性也更高。

不同類型光伏組件的電學性能熱穩(wěn)定性通常用相對溫度系數(shù)來衡量。圖4（d）顯示在不同輻照度下所有組件的開路電壓相對溫度系數(shù)的絕對值變化不大。常規(guī)組件的開路電壓相對溫度系數(shù)絕對值維持在0.36%/℃附近，而半片和疊瓦組件的相對溫度系數(shù)絕對值在0.3~0.31%/℃之間，為常規(guī)組件對應值的約83%。因此，半片和疊瓦組件的開路電壓相對溫度系數(shù)的絕對值，相比常規(guī)組件略有減小約17%，但總體相差不大。與開路電壓不同，圖4（e）中各組件的短路電流相對溫度系數(shù)差異很大。以常規(guī)的1 000 W/m2輻照度為例，常規(guī)、半片和疊瓦組件的相對溫度系數(shù)約為0.108%/℃，0.06%/℃和0.04%/℃，半片和疊瓦組件的相對溫度系數(shù)僅為常規(guī)組件的56%和37%，表現(xiàn)出更高的熱穩(wěn)定性。常規(guī)組件的短路電流溫度系數(shù)變化很小，而半片組件短路電流的溫度系數(shù)隨輻照度的增加而逐漸降低，導致半片與常規(guī)組件的溫度系數(shù)比率也從200 W/m2時的62%逐漸降低到1 100 W/m2時的47%。這意味著半片組件始終保持著比常規(guī)組件更高的熱穩(wěn)定性，且兩者差距與輻照度正相關。而疊瓦組件的短路電流的相對溫度系數(shù)則在常見的1 000 W/m2輻照度最低，更高或者更低的輻照度會使它與常規(guī)組件的短路電流相對溫度系數(shù)比率增加到52%~66%區(qū)間，但仍展示了疊瓦組件相比常規(guī)組件具有更高的熱穩(wěn)定性。而對于最大功率，盡管所有組件的溫度系數(shù)絕對值都隨著輻照度下降，所有組件的熱穩(wěn)定性都與輻照度正相關。最大功率值對應的半片與常規(guī)組件相對溫度系數(shù)的絕對值比率從80%升高到91%，而疊瓦組件與常規(guī)組件的該參數(shù)比率也從88%升高到97%。此結果證明弱光下半片或者疊瓦相比常規(guī)組件的熱穩(wěn)定性高且差異較明顯，而強光下三組件的熱穩(wěn)定性已差異不大。總之，半片和疊瓦相比常規(guī)組件的開路電壓和最大輸出功率的熱穩(wěn)定性（即相對溫度系數(shù)的絕對值）差異并不大，約為其80%以上，且此種差異隨輻照度的增加變化不大。半片或者疊瓦相比常規(guī)組件的熱穩(wěn)定性差異主要體現(xiàn)在短路電流的相對溫度系數(shù)比率上。盡管半片和疊瓦組件隨輻照度的變化表現(xiàn)各異，但其相對溫度系數(shù)比率始終維持在70%甚至50%以下，證明半片和疊瓦組件的部分電學性能穩(wěn)定性方面比常規(guī)組件高很多，且和輻照度密切相關。

圖4 三種組件在不同輻照度下的開路電壓（a）、短路電流（b）和最大功率（c）的溫度系數(shù)絕對值及對應的相對溫度系數(shù)絕對值（d）~（f）Fig.4 Temperature coefficients（absolute values）of open circuit voltage（a），short-circuit current（b）and maximum pow‐er（c）as well as absolute values of relative temperature coefficients（d）-（f），respectively，in three modules

3.3 輻照入射角度的影響

光輻照對組件性能的影響是多方面的，組件性能不僅受到輻照度的影響，還受到輻照入射角的影響。實際上，固定組件在戶外實際工作發(fā)電時，絕大多數(shù)情況下太陽光并非垂直入射至組件表面，其入射角隨著不同時間的太陽方位不斷變化。

不同類型組件對輻照入射角的響應特性不同，測試和評價光伏組件對入射角的響應特性，對發(fā)電能效評估、組件類型選擇等具有重要的參考意義。根據(jù)IEC61853-2［14］標準，光伏組件對輻照入射角的響應特性通常用光利用率這一概念衡量。光利用率定義為：

其中：θ為光入射角，I0為光垂直入射時組件的短路電流，Isc（θ）為光以θ角入射時組件的短路電流。光利用率是一個無量綱參數(shù)，反應的是組件在某光入射傾角下真實產(chǎn)生的光電流與輻照面積歸一化后垂直入射產(chǎn)生的光電流的比率。入射角變大后，對組件的影響不僅僅是理想情況下有效輻照面積的減小。

圖5（a）顯示3種組件的短路電流都隨著光入射角的增大而變小。這一變化趨勢來源于組件和電池對光的吸收效率。當光入射角較小時，太陽光直接輻射到組件和電池表面，其限光結構增加了表面的透射而降低了反射，光的反射率低，反射損失較小。這種直接輻射是組件在小入射角時產(chǎn)生光生電流的主要方式。當光入射角較大時，電極對直射光的陰影遮擋效應逐步加大，同時對光的反射限制減弱，導致反射損失增大。大角度入射時光的主要輻射方式變?yōu)槁漭椛洌越M件產(chǎn)生的短路電流較小。然而，3種組件的短路電流隨著入射角的增大而減小的梯度卻是不同的。常規(guī)組件的短路電流與入射角變化曲線的斜率絕對值遠大于半片和疊瓦組件，這意味著后兩者在大入射角時短路電流衰減的梯度遠小于常規(guī)組件。

圖5 光伏組件的短路電流（a）和光利用率（b）與光入射角的關系Fig.5 Relationship of short-circuit current（a）and light utilization efficiency（b）of PV modules with incidence angle

常規(guī)、半片和疊瓦3種組件的光利用率與入射角的關系如圖5（b）所示。圖5（b）顯示，在直射（0°）或者小入射角時3種組件的光利用率幾乎相同，都接近1。然而，隨著入射角的增加，3種組件的光利用率都隨著入射角的增加而單調(diào)遞減。在0~60°內(nèi)，光利用率僅僅從1減小到0.9附近；而在60°~90°，光利用率則從0.9以上急劇衰減到0.2~0.3。另一方面，在0~80°的大范圍內(nèi)，半片和疊瓦組件的光利用率都要大于常規(guī)組件，展現(xiàn)了兩者對光入射角變化相對較弱的特性，具有更高的輻照角度穩(wěn)定性。相比常規(guī)組件，半片組件光利用率更大的可能原因是光吸收的增強。由于半電池的排布增加電池間距，使更多入射光透過電池間距射入組件，并在背板形成較強的漫反射光，最終增強了光的吸收［4］。而對于疊瓦組件，其相對常規(guī)組件電池間距小很多，光的背面漫反射和增強光吸收是不如常規(guī)組件的。但是，疊瓦電池之間無金屬柵線的設計使其間距極小，導致電池密度大幅增加，疊瓦組件相當于比常規(guī)組件多了8塊整面電池。另外，疊瓦組件不僅在有限的尺寸上增加了受光面積，因為沒有金屬主柵線，所以減小了柵線反光的影響。這兩個效果抵消了其背面漫反射光吸收的不足，導致疊瓦組件的光利用率比半片組件還要大。

3.4 組件長時間輻照的光致衰減效應

上面兩節(jié)討論了3種組件對輻照的瞬時響應，輻照時間就是一次常規(guī)太陽能測試的時間，一般不足1 s。然而，實際上光伏組件需要在戶外環(huán)境中長時間工作，并受到長時間的累計輻照，這種累計輻照對組件的影響與瞬時輻照是不同的。光伏組件長時間工作在戶外，經(jīng)過溫度和輻照度重復變化等影響，性能會有一定程度的衰減。為了研究光伏組件長時間輻照引起的光致衰減效應，將3種組件放置戶外并累計5~20 kWh/m2的陽光輻照劑量，隨后在AM1.5標準條件下再次測試組件性能。

首先通過測試組件長時間輻照前后的電致發(fā)光譜來定性表征其光致衰減效應。電致發(fā)光是指由于電場作用而產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，可以對光伏組件進行隱裂等缺陷的檢測［19-20］。圖6為把組件放置戶外輻照前后拍攝的各組件的電致發(fā)光照片。圖6顯示，經(jīng)過戶外輻照后各組件的電致發(fā)光圖都變灰暗。這種黑白圖片灰度的增加代表組件中的電池片被檢驗出的缺陷密度增加，意味著光伏組件光致衰減的增強。從圖6（a）可以看出，組件被戶外暴曬前后，常規(guī)組件內(nèi)部的電池電致發(fā)光照片的平均灰度增加最多；而半片和疊瓦組件的照片灰度增加相對較少，且組件內(nèi)部電池片之間的灰度差異很小。此結果意味著，經(jīng)過長時間輻照之后，半片和疊瓦組件的光致衰減效應比常規(guī)組件更弱，在長時間輻照下的穩(wěn)定性更高。

圖6 不同組件經(jīng)戶外輻照前后的電致發(fā)光圖Fig.6 Electroluminescence images of different modules in and out of outdoor irradiance

為了進一步定量評估各組件長時間輻照引起的光致衰減效應，再一次測量得到了戶外長時間輻照前后3種組件的開路電壓、短路電流和最大功率。如圖7（a）所示，各組件的開路電壓均有衰減，隨著輻照計量的增加，開路電壓最終趨于飽和。輻照20 kWh/m2前后，常規(guī)、半片和疊瓦組件的開路電壓分別衰減2.7%，0.37%和0.12%。各組件的短路電流和最大功率也有和開路電壓類似的變化趨勢。圖7（b）和7（c）顯示，常規(guī)、半片和疊瓦組件的短路電流分別衰減0.85%，0.69%和0.66%，而其最大功率分別衰減1.04%，0.75%和0.62%。由此可知：長時間輻照使常規(guī)組件性能的衰減幅度比半片和疊瓦組件都要大，而半片和疊瓦組件有著比常規(guī)組件更高的長期輻照穩(wěn)定性。

圖7 三種組件經(jīng)戶外輻照前后的開路電壓（a），短路電流（b）和最大功率（c）Fig.7 Open circuit voltage（a），short-circuit current（b）and maximum power（c）of three modules in and out of outdoor irradiance

半片和疊瓦組件具有更高的長期輻照穩(wěn)定性，其主要原因包括以下兩個方面：（1）組件內(nèi)部電池片的連接方式以及熱斑效應。組件表面長期使用后，由于環(huán)境原因會有污漬遮擋，影響電池對光的吸收。長時間污漬積累或其它環(huán)境因素會形成熱斑，導致組件效率下降。對于常規(guī)組件來說，因為內(nèi)部電池串是串聯(lián)形式，如果其中一片電池片出現(xiàn)熱斑問題，二極管會屏蔽這片電池所在的電池串，只剩下2/3的電池片繼續(xù)發(fā)電。而半片和疊瓦組件內(nèi)部電池片之間串并聯(lián)的設計，可以最大程度減小遮擋對組件的影響，剩余更多正?？砂l(fā)電的電池，減弱了熱斑效應的影響，從而使最大功率等組件性能的衰減更小［7，21］。（2）抗熱疲勞能力。組件經(jīng)歷戶外溫度梯度循環(huán)引起的熱應力循環(huán)，而產(chǎn)生疲勞破壞的現(xiàn)象，導致組件性能衰減。因其基本單元是整片電池片分割后的小片電池，半片和疊瓦組件的抗熱疲勞能力比常規(guī)組件更強［9］。

4 結 論

本文比較系統(tǒng)地研究了輻照和溫度等環(huán)境因素對疊瓦和半片光伏組件電學性能穩(wěn)定性的影響。在AM1.5標準輻照下，疊瓦和半片組件性能的相對溫度系數(shù)絕對值均比常規(guī)組件有大幅度的降低，代表其電學性能的熱穩(wěn)定性更高。進一步研究發(fā)現(xiàn)，輻照度與半片和疊瓦組件性能的熱穩(wěn)定性正相關，弱光下組件的最大功率的熱穩(wěn)定性要比強光下減弱90%以上，而超過AM1.5條件的高輻照度使其電學性能的熱穩(wěn)定性更高。輻照度對半片和疊瓦組件與常規(guī)組件的開路電壓和最大輸出功率的熱穩(wěn)定性比率影響甚微，而對其短路電流的相對溫度系數(shù)比率影響很大。另外，輻照入射角也影響組件性能。3種組件的光利用率在0~60°內(nèi)僅減小不到10%，而在60°~90°內(nèi)急劇衰減到垂直入射的20~30%。另一方面，在0~80°內(nèi)半片和疊瓦組件的光利用率都要大于常規(guī)組件，展現(xiàn)更高的輻照角度穩(wěn)定性。半片組件光利用率更大的原因是由于半電池之間更大的間距增強了背板處的漫反射和光吸收。疊瓦組件的光利用率更大主要歸因于其電池密度和受光面積的大幅度增加。最后，研究了戶外環(huán)境的長時間累計輻照對組件光致衰減的影響。電致發(fā)光譜和組件性能測試驗證，戶外環(huán)境的累計輻照后，半片和疊瓦組件的光致衰減效應比常規(guī)組件較弱，半片和疊瓦組件具有更高的長期輻照穩(wěn)定性。半片和疊瓦組件性能穩(wěn)定性的提高主要歸因于小面積電池導致更強的熱機械應力抵抗力、更小的電阻串電流與電阻產(chǎn)生的焦耳熱以及內(nèi)部部分電池并聯(lián)而減弱的熱斑效應。