电流连续性监控对 PERC 单晶硅光伏组件环境试验结果的影响研究

胡超杰.电流连续性监控对 PERC 单晶硅光伏组件环境试验结果的影响研究[J]. 太阳能, 2022(3):65-69.

光伏组件工作在户外，运行环境较为恶劣，因此为保证光伏组件长期使用过程中的可靠性，国际电工委员会发布了IEC 61215-2: 2016标准 [1]，制定了光伏组件需要进行并达到一定要求的测试，并得到了光伏行业的普遍认可。各大光伏组件生产商都会在第三方检测认证机构获得作为各自产品质量的证明。IEC 61215-2: 2016 标准中包含了一系列针对光伏组件的测试，通过试验模拟光伏组件的初始光致衰减、光伏组件材料老化衰减，以及由外界环境或破坏性因素导致的光伏组件输出功率衰减 [2]，能在相对较短的时间内测试得到光伏组件的质量及可靠性，并可为后续的新工艺及新材料提供参考。

根据 IEC 61215-2: 2016 标准，为避免试验过程中某一时段内部电路出现断路，但一定时间后又恢复导通的情况出现，部分试验要求对光伏组件内部电路的连续性进行监控，称为“电流连续性监控”。具体的监控方式为：在试验过程中将光伏组件的正极端子接到直流电源的正极，负极端子接到直流电源的负极，给光伏组件施加一个持续的电流，并对此电流进行监控，以监控光伏组件内部电路是否存在断路情况。结合笔者长期的光伏组件测试工作发现：试验过程中是否进行电流连续性监控对光伏组件最终的输出功率衰减存在较大影响。

目前，国内外研究主要是针对不同光伏组件材料或太阳电池经过 IEC 61215-2: 2016 部分试验后的表现情况，但对试验条件本身的研究较少。本文针对 IEC 61215-2: 2016 标准中部分试验对光伏组件内部电路连续性有要求，研究了电流连续性监控时的电流对环境试验 ( 湿热试验与湿冻试验 ) 结果的影响，并设计了一套测试方案。期望研究结果可为今后研究 PERC 单晶硅光伏组件的输出功率衰减提供参考，并可为晶体硅光伏组件测试标准的制定提供依据。

1 电流连续性监控对环境试验结果影响的测试方案设计

1.1 测试方案具体内容

本文以 p 型 PERC 单晶硅太阳电池封装而成的单玻 PERC 单晶硅光伏组件 ( 下文简称为“PERC 单晶硅光伏组件”) 为例进行测试，从同一批次中选取 4 块 PERC 单晶硅光伏组件 ( 编号为 1#～4#)。本研究针对 IEC 61215-2: 2016 标准中的湿热 (DH) 试验和湿冻 (HF) 试验，分别对进行与不进行电流连续性监控情况下的光伏组件DH250 试验和 HF10 试验进行测试，电流连续性监控的通电电流为 0.05 A。标准中，DH 试验的试验条件为：85 ℃、85%RH、1000 h;为了进行对比，本文选择接近 HF10 试验的试验时间，即 250h;标准中该试验没有进行光伏组件的电流连续性监控的要求。HF 试验的试验条件为：从初始温度升温至 85 ℃、85%RH，保持至少 20 h，再降温至-40 ℃，保持至少 0.5 h，再升温至初始温度，此为 1 个循环;共进行 10 个循环;标准中要求对该试验进行光伏组件的电流连续性监控。本测试方案中不同光伏组件进行的具体试验如表 1 所示。

整个测试开始前，先对 PERC 单晶硅光伏组件进行最大输出功率测试及电致发光 (EL) 检测;测试结束后再对这 4 块光伏组件进行最大输出功率测试及 EL 检测;然后对比 PERC 单晶硅光伏组件测试前、后的输出功率衰减及 EL 的变化。

1.2 测试方案设计思路

本文提出的测试方案的设计思路是从已完成的大量试验结果中得出，IEC 61215-2: 2016 标准中进行电流连续性监控的试验有 HF10 试验及静态机械载荷 (SML) 试验。其中，根据 IEC 61215-2: 2016 的测试序列，是先经过 DH1000 试验后再进行 SML 试验，这部分光伏组件和经过 HF10 试验的光伏组件一样，常出现较大的输出功率衰减，且光伏组件 EL 图像会出现明显的明暗不均现象;而直接进行 SML 试验的光伏组件则不会出现此类现象。所以推测该现象与 SML 试验无关。

因此，本文的测试方案设计直接在 DH250 试验和 HF10 试验过程中进行通电和不通电的对比试验，从而确定试验过程中电流连续性监控的存在是否会对试验后光伏组件的输出功率衰减产生影响。

2 结果与讨论

根据表 1 中设计的测试方案，4 块 PERC 单晶硅光伏组件根据不同试验项目和要求分别进行测试，测试后 4 块 PERC 单晶硅光伏组件的输出功率衰减情况如表 2 所示。

从表 2 的测试结果很容易看出，同批次的光伏组件进行同样的试验时，进行电流连续性监控的光伏组件的输出功率衰减率会明显大于不进行电流连续性监控的光伏组件。

对 4 块 PERC 单晶硅光伏组件测试前、后的电性能参数进行对比，具体如表 3 所示。

根据表 3 的数据，对进行相同试验的 1# 光伏组件与 2# 光伏组件进行对比，二者测试后的短路电流 Isc 的变化幅度相当接近，但二者测试后开路电压 Voc 的变化幅度不同，导致光伏组件输出功率衰减率差异明显;3#、4# 光伏组件的对比结论与此相似。由此可以看出，在环境试验时进行电流连续性监控会对光伏组件的 Voc 造成影响，导致光伏组件出现更大的输出功率衰减。

对 4 块 PERC 单晶硅光伏组件测试前、后的EL 图进行对比，具体如图 1～图 4 所示。

从图 1～图 4 可以看出：4 块 PERC 单晶硅光伏组件在测试前均无明显缺陷;经过测试后，未进行电流连续性监控的光伏组件的 EL 图像变化不大，而进行电流连续性监控的光伏组件的EL 图像出现了明显的明暗片现象。EL 图像出现明暗片说明进行电流连续性监控的 PERC 单晶硅光伏组件出现了更大的输出功率衰减。

对于上述现象，很容易联想到 IEC 61215-2: 2016 标准中的热循环试验，该试验的目的是确定光伏组件承受因温度重复变化而引起的热失配、疲劳和其他应力的能力。热循环试验过程中同样需要对光伏组件施加电流，该电流值在试验升温阶段等于Impp值，在其余阶段为1%的Impp值。由于目前的 PERC 单晶硅光伏组件的 Impp 值都在9 A 以上，根据工作经验，该值比电流连续性监控的通电电流 0.05 A 大了至少 180 倍，但热循环试验后 PERC 单晶硅光伏组件很少出现输出功率衰减增大、EL 图像出现明暗片的现象。

对 IEC 61215-2: 2016 标准中 3 个环境试验的试验条件进行对比。DH 试验的测试条件为恒温 85 ℃、恒湿 85%RH;HF 试验与热循环试验的试验条件分别如图 5、图 6 所示。

结合 DH 试验及图 5 和图 6 中的试验条件可以看出，3 个试验的湿度条件存在差异，即PERC 单晶硅光伏组件在环境试验时承受电流并不一定会出现测试后 EL 图像明暗不均与输出功率衰减较大的现象，造成此类现象需要在试验时存在湿气的条件。也就是说，电流连续性监控对有湿度条件的环境试验的结果存在影响。

此次测试选用的 PERC 单晶硅光伏组件均为常规的单玻 PERC 单晶硅光伏组件，该类光伏组件采用的背板都会出现一定的透水情况，在高温、高湿的环境下，水汽必定会进入光伏组件内部，从而接触到太阳电池。此时，如果太阳电池处于通电状态，就可能会使光伏组件内部出现漏电流通道，从而使光伏组件产生较大的输出功率衰减。在高温、高湿的环境下也有可能出现类似LeTID 衰减的现象，目前对 LeTID 衰减主流的测试条件是温度为 75 ℃、测试电流值为 Isc–Impp，但在实验室多次 LeTID 测试后，这些光伏组件并未出现明显的输出功率衰减现象，可能在增加湿度后会更容易产生 LeTID 衰减，因此这一结论还需要更多测试数据的支持。

3 结论

基于 IEC 61215-2: 2016 标准中部分试验过程中有电流连续性监控的要求，本文设计了一套测试方案，对电流连续性监控对 PERC 单晶硅光伏组件环境试验结果的影响进行了研究。研究表明，在 PERC 单晶硅光伏组件进行环境试验时施加电流连续性监控会影响其测试后的输出功率，且与未进行电流连续性监控的 PERC 单晶硅光伏组件表现出不同的衰减机理。

目前 IEC 61215-2: 2016 标准是光伏组件的形式试验标准，各大光伏组件生产商及第三方检测认证机构都会参考该标准制定测试序列进行测试，但是光伏组件的输出功率衰减机理非常复杂，湿气加上电流的共同作用对光伏组件的输出功率衰减有很大的影响。因此，在湿冻试验和静态载荷试验过程中监控光伏组件内部电路连续性的要求是否合理，还需要进行长期研究，对测试数据进行积累，以此为光伏行业的发展提供有力的支持。

文章作者：胡超杰