技术领域
[0001] 本
发明涉及一种光伏组件长期耐候性能测试方法，属于光伏组件分析测试技术领域。
背景技术
[0002] 由于光伏
电池硅片材料存在
晶界、位错等
缺陷，杂质元素易聚集在晶界、位错处，使其具有高复合速率，且电池与组件制造经过扩散、
刻蚀、
烧结、
层压等工艺，易产生机械应
力不均、局部
短路等问题。虽普通电池缺陷的检测方法已较成熟，在光伏组件使用前大部分经过了测试分选，然而由于缺乏缺陷失效预判依据等多种原因，仍有较大部分采用电致发光分选时被认为可靠的微缺陷电池，以及后期产生微裂纹等缺陷的电池与组件出现在实际应用的光伏系统中。典型缺陷包括：1)金属杂质聚集以及刻蚀等工艺造成的电池局部漏电；2)光伏组件制造与应用过程中机械
应力产生的电池微裂纹；3)低纯硅材料与背
接触电极工艺等引起的电池低并联
电阻。在实际运行时，光伏组件与电池这些内在微缺陷在辐照不均匀分布、
温度交变及湿热冲击等多重环境因素复合作用下，产生电池局部高温及缺陷扩散等问题，从而导致组件的电性能衰减幅度远超过预期，甚至引发失效以及
电弧等安全问题。
[0003] 非均匀辐照影响下组件中电池缺陷的短期失效以及长期可靠性能也引起关注。Barbato等研究了反偏
电压下，使用MWT(Metal Wrap Through)技术，金属与
硅片穿孔处缺陷对太阳电池长期耐候性的影响。Bahaidra和Alamoud等人对
冶金级硅光伏组件进行反向偏
压实验测试，分析了硅材料纯度对光伏组件可靠性的影响。Ramspeck利用红外热像技术测试了反偏下太阳电池温度分布情况，并通过扫描
电子显微镜观测局部热斑的微观结构，分析非均匀辐照下晶体缺陷引起的局部高温产生机理。Simon等利用红外热成像技术和扫描电子显微镜研究了电池高温区周围的结构，显示高温对微缺陷电池结构不可逆的破坏，并揭示了含有杂质区域与反偏高温之间的关联。Dolara等学者研究分析微裂纹等缺陷电池老化前后的电性能差异，发现引起明显功率衰减的可靠性测试有高低温循环、热斑耐久，而湿热、紫外老化等测试对组件功率的影响较小。
[0004] 以上表明，一些学者针对缺陷电池与组件进行老化测试，研究分析其整片电池或整体组件性能变化，获得了很多有参考价值的数据结果，这种微缺陷电池不同老化条件下的整体性能变化研究为预测光伏组件发电性能提供依据。然而，深入分析微缺陷引起的衰减及失效机理，需要研究湿热、温度交变等环境老化与非均匀辐照多因素复合作用对微缺陷电池性能的影响。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是克服
现有技术的缺陷，提供一种光伏组件长期耐候性能测试方法，采用ANSYS
软件模拟不同老化时间点的微缺陷组件，辐照分布不均匀度与漏
电流分布类型组合条件下热斑电池温度分布，分析电池最严重热斑产生条件与高温失效概率。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种光伏组件长期耐候性能测试方法，包括以下步骤：
[0007] 1)准备典型的局部漏电、微裂纹、低并联电阻3种缺陷类型的电池样品，并将单片电池样品封装成小组件，每种缺陷类型组件7
块，其中3块用于高低温循环老化测试，3块用于高温高湿老化测试，1块作为参考组件；
[0008] 2)采用电致发光设备测试3种共21块实验小组件的电池缺陷分布，保存电致发光图像，对缺陷明显的物理
位置在小组件背面做标识；
[0009] 3)采用直流电源对21块实验小组件分别施加反偏12V电压，并用电流电压表测试
漏电流大小；
[0010] 4)采用红外热像仪测试反偏12V电压下，21块实验小组件的温度，保存温度分布图；
[0011] 5)根据步骤2)和步骤4)的测试结果，计算21块实验小组件中电池缺陷处的局部IV性能；
[0012] 6)将实验小组件放入环境箱，从环境箱引出实验小组件的正、负极，采用直流电源对实验小组件施加12V反偏电压，设置环境箱分别进行高温高湿老化与高低温循环老化实验；在高温高湿老化实验过程中，每间隔100小时按照步骤2)测试环境箱中实验小组件的电致发光图像，按照步骤3)测试环境箱中实验小组件的漏电流，按照步骤4)测试环境箱中实验小组件的温度分布图像，按照步骤5)测试并计算环境箱中实验小组件的缺陷处局部IV性能；在高低温循环老化实验过程中，每间隔20个循环按照步骤2)测试环境箱中实验小组件的电致发光图像，按照步骤3)测试环境箱中实验小组件的漏电流，按照步骤4)测试环境箱中实验小组件的温度分布图像，按照步骤5)测试并计算环境箱中实验小组件的缺陷处局部IV性能；
[0013] 7)根据步骤2)至5)的测试结果和步骤6)的测试结果，进行对比，分析实验小组件整体电性能衰减与缺陷处局部电性能衰减；
[0014] 8)根据步骤2)至6)的测试结果，总结典型局部漏电、微裂纹、低并联电阻电池3种缺陷类型的实验小组件在环境老化过程中的反偏漏电流大小及分布变化规律，分析实验小组件
水汽渗透与高低温循环对微缺陷太阳电池的累积影响；
[0015] 9)根据高低温循环和高温高湿两种
加速老化环境下，不同老化时间点的微缺陷实验小组件电性能参数，采用ANSYS软件模拟辐照分布不均匀度与漏电流分布类型组合条件下热斑电池温度分布，分析电池最严重热斑产生条件与高温失效概率，并模拟计算非均匀辐照光伏组件中太阳电池、EVA、
背板、玻璃各层材料的温度分布，结合材料耐温性能，分析光伏组件的长期耐候性能；
[0016] 10)完成环境老化实验后，针对实验过程中缺陷处局部电性能变化显著的实验小组件，采用扫描电子显微镜对缺陷部位电镜成像，分析其微观变化，结合热斑电池温度分布及老化实验过程中实验小组件的缺陷处局部IV性能，分析其复合失效机理。
[0017] 前述的步骤1)中，所述局部漏电是指金属杂质聚集以及刻蚀工艺造成的电池局部漏电；所述微裂纹光伏组件制造与应用过程中机械应力产生的电池微裂纹；所述低并联电阻低纯硅材料与背接触电极工艺引起的电池低并联电阻。
[0018] 前述的步骤1)中，所述步骤5)中，局部IV性能的计算如下：
[0019] 51)采用
锁相红外热成像测试设备，拍摄实验小组件在两个正向
偏压下的暗
锁相热成像图像，根据缺陷分析需要，将实验小组件平均分成n个区域，利用图像软件得到不同偏压下每个区域所对应的锁相热成像局部热
信号幅值TiU，i为位置索引，i＝1,2,3……n；根据在不同正向偏压下锁相热成像局部热信号幅值与局部功率
密度成比例，分别利用公式(1)和(2)得到区域i的暗饱和电流密度J0i和理想因子ni；
[0020]
[0021] 其中，U1、U2分别为施加的两个正向偏压，Ia、Ib分别为两个正向偏压下整个实验小组件的电流， 分别为两个正向偏压下实验小组件锁相热成像区域i的热信号幅值，为偏压U2下整个实验小组件的平均热信号幅值，Acell为整个实验小组件面积；
[0022]
[0023] 其中，k为玻尔兹曼常数，T为整个太阳电池片组件样品的温度，采用开尔文温度，q为电荷常数；
[0024] 52)参考太阳电池单
二极管等效
电路模型，根据硅太阳电池发射的电致发光强度与样品内的过量载流子密度成正比的关系，建立利用电致发光方法确定电池局部电压的计算模型，具体如下：
[0025]
[0026] 其中，Li为区域i的电致发光强度，Ci为区域i的校准系数，Ui为区域i的电压，Ut＝(k*T)/q为热电压；
[0027] 53)根据步骤51)确定的区域i的暗饱和电流密度J0i和步骤52)确定的区域i的电压Ui，利用公式(4)得到实验小组件区域i的电流密度Ji，然后利用公式(5)进而计算得到区域i的
串联电阻Rs,i：
[0028]
[0029]
[0030] 其中，U为整个实验小组件施加的正向偏压，Ii为区域i的电流，Ai为区域i的区域面积；
[0031] 54)根据实验小组件标准状况下的串联电阻Rs和步骤52)确定的区域i的电压Ui，利用公式(6)得到实验小组件区域i的并联电阻Rsh,i：
[0032]
[0033] 55)利用光束诱导电流法获得局部短路电流密度Jsc；
[0034] 56)采用单二极管等效电路模型，利用五参数法进一步获得实验小组件局部的IV曲线。
[0035] 前述的步骤1)中，所述步骤6)中，每次同时放入3种不同缺陷类型的实验小组件，组件并联连接后水平放置在样品架上，样品之间间隔10cm以上。
[0036] 前述的步骤6)中，所述高温高湿老化实验采用85％湿度、85℃温度环境条件，老化1000小时。
[0037] 前述的步骤6)中，所述高低温循环老化实验温度设置从-40℃至85℃，每6小时1个循环，测试200个循环，所述1个循环指的是温度从-40℃升高到85℃，控制时间在2.5小时，在85℃温度处停留半小时，再从85℃将至-40℃，控制时间在2.5小时，在-40℃温度处停留半小时。
[0038] 前述的步骤6)中，所述水汽渗透是指水汽从外界进入到光伏组件电池内部的速率。
[0039] 前述的步骤10)中，根据热斑电池温度分布，若实验小组件中局部最高温度超过200℃，电池缺陷扩散后，根据老化过程反偏漏电流变化趋势，模拟计算实验小组件温度达到200℃时老化时间，判断失效是否在老化寿命要求范围；根据电子显微镜的电镜成像判断实验小组件是否有
PN结击穿现象，进而确定非均匀辐照光伏组件中微缺陷太阳电池的复合失效机理。
[0040] 本发明的有益效果为：
[0041] 1)采用ANSYS软件模拟不同老化时间点的微缺陷组件，辐照分布不均匀度与漏电流分布类型组合条件下热斑电池温度分布，分析电池最严重热斑产生条件与高温失效概率，结果可靠。
[0042] 2)模拟计算实验小组件温度达到200℃时老化时间，判断失效是否在老化寿命要求范围，筛选组件材料与工艺，从而提高光伏组件的可靠性。
附图说明
[0043] 图1非均匀辐照分布下光伏组件复合失效过程分解图；
[0044] 图2为遮挡情况下组件的发热功率模拟结果；
[0045] 图3为缺陷组件的热斑示意图。
具体实施方式
[0046] 下面对本发明作进一步描述。以下
实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0047] 在实际户外条件下，太阳电池遮挡情况比较复杂，存在动态、静态的不同遮挡方式，及周期性与突发性的不同特点，光伏组件失效并非是单一因电池缺陷引起的快速失效，而更多的是性能逐渐衰减的过程。非均匀辐照分布下光伏组件中微缺陷电池失效实际上是失配引起的电池反偏与微缺陷局部性能衰减之间相互影响而形成的复合失效，本发明提出了如图1所示的光伏组件复合失效过程分解图。
[0048] 从图中可以看出：光伏组件使用中，由于非均匀辐照而导致的失效有3种产生机制：1)非均匀辐照引起失配热斑时，局部大反偏漏电流将电池高温击穿，短期内快速失效，即图1中“①电池短期失效”，如前所述的IEC、UL等标准测试可发现该类失效；2)微缺陷太阳电池在长期湿热、高低温冲击等环境的影响下，由于金属杂质迁移等引起太阳电池并联电阻发生改变，非均匀辐照引起的失配太阳电池反偏漏电流逐渐变大，从而导致不断升高的局部热斑温度，局部高温进一步使微缺陷性能恶化，长时间后引起光伏组件失效，即图1中“②组件渐变失效”；3)组件非均匀辐照下，旁通二极管正向导通产生大量热，使其长期处于高温工作状态，性能逐渐衰减并失效，从而失去对
反向偏置太阳电池的保护作用，导致电池两端反偏电压升高，形成更大的热功率，造成电池热击穿和烧毁问题，即图1中“③组件超高温失效”。从整个复合失效过程分析，第一类失效由于产生快，易于发现，随着检测技术的完善，光伏组件使用前通过缺陷识别与分选，可避免大部分该类失效。然而第二、第三类衰减与失效由于产生时间长，涉及的电池缺陷种类多且难于提前分选，是非均匀辐照下组件的重大潜在
风险，也是最主要的实际失效方式。
[0049] 为此，本发明提出了一种光伏组件长期耐候性能测试方法，具体如下：
[0050] 1)准备典型局部漏电、微裂纹、低并联电阻电池3种缺陷类型的电池样品，并将单片电池样品封装成小组件，每种缺陷类型组件7块，其中3块用于高低温循环测试，3块用于湿热老化测试，1块作为参考组件。典型缺陷具体定义如下：1)金属杂质聚集以及刻蚀等工艺造成的电池局部漏电；2)光伏组件制造与应用过程中机械应力产生的电池微裂纹；3)低纯硅材料与背接触电极工艺等引起的电池低并联电阻。
[0051] 2)考虑实际电池中可能含有多种微缺陷，采用电致发光设备测试3种共21块实验小组件的电池缺陷分布，保存电致发光图像，对主要缺陷的物理位置在小组件背面做标识。
[0052] 3)采用直流电源对21块实验小组件分别施加反偏12V电压，并用电流电压表测试漏电流大小。
[0053] 4)采用红外热像仪测试反偏12V电压下，21块实验小组件的温度，保存温度分布图。
[0054] 5)在实验组件老化前，采用电致发光设备与锁像红外热像设备对21块实验小组件进行测试，并计算21块实验小组件中电池缺陷处的局部IV性能，具体计算过程如下：
[0055] 51)采用锁相红外热成像测试设备，拍摄实验小组件在两个正向偏压下的暗锁相热成像图像，根据缺陷分析需要，将实验小组件平均分成n个区域，利用图像软件得到不同偏压下每个区域所对应的锁相热成像局部热信号幅值TiU，i为位置索引，i＝1,2,3……n；根据在不同正向偏压下锁相热成像局部热信号幅值与局部功率密度成比例，分别利用公式(1)和(2)得到区域i的暗饱和电流密度J0i和理想因子ni；
[0056]
[0057] 其中，U1、U2分别为施加的两个正向偏压，Ia、Ib分别为两个正向偏压下整个实验小组件的电流， 分别为两个正向偏压下实验小组件锁相热成像区域i的热信号幅值，为偏压U2下整个实验小组件的平均热信号幅值，Acell为整个实验小组件面积；
[0058]
[0059] 其中，k为玻尔兹曼常数，T为整个太阳电池片组件样品的温度，采用开尔文温度，q为电荷常数；
[0060] 52)参考太阳电池单二极管等效电路模型，根据硅太阳电池发射的电致发光强度与样品内的过量载流子密度成正比的关系，建立利用电致发光方法确定电池局部电压的计算模型，具体如下：
[0061]
[0062] 其中，Li为区域i的电致发光强度，Ci为区域i的校准系数，Ui为区域i的电压，Ut＝(k*T)/q为热电压；
[0063] 53)根据步骤51)确定的区域i的暗饱和电流密度J0i和步骤52)确定的区域i的电压Ui，利用公式(4)得到实验小组件区域i的电流密度Ji，然后利用公式(5)进而计算得到区域i的串联电阻Rs,i：
[0064]
[0065]
[0066] 其中，U为整个实验小组件施加的正向偏压，Ii为区域i的电流，Ai为区域i的区域面积；
[0067] 54)根据实验小组件标准状况下的串联电阻Rs和步骤52)确定的区域i的电压Ui，利用公式(6)得到实验小组件区域i的并联电阻Rsh,i：
[0068]
[0069] 55)利用光束诱导电流法获得局部短路电流密度Jsc；
[0070] 56)采用单二极管等效电路模型，利用五参数法进一步获得实验小组件局部的IV曲线；
[0071] 6)将实验小组件放入环境箱，每次同时放入3种不同缺陷类型的实验小组件，组件并联连接后水平放置在样品架上，样品之间间隔10cm以上。从环境箱引出组件样品正负极，采用直流电源对其施加12V反偏电压，设置环境箱进行高温高湿与高低温循环加速老化实验。其中，高温高湿实验采用85％湿度、85℃温度环境条件，老化1000小时；高低温循环实验温度设置从-40℃至85℃，每6小时1个循环，在最高温与最低温处保温时间0.5小时，测试200个循环，1个循环指的是温度从-40℃升高到85℃，控制时间在2.5小时，在85℃温度处停留半小时，再从85℃将至-40℃，控制时间在2.5小时，在-40℃温度处停留半小时。
[0072] 7)高温高湿老化实验过程中，每间隔100小时按步骤2)测试实验小组件的电致发光图像，按照步骤3)测试实验小组件的漏电流，按照步骤4)测试实验小组件的温度分布图像，按照步骤5)测试实验小组件的缺陷处局部IV性能；高低温循环老化实验过程中，每间隔20个循环按步骤2)测试实验小组件的电致发光图像，按照步骤3)测试实验小组件的漏电流，按照步骤4)测试实验小组件的温度分布图像，按照步骤5)测试实验小组件的缺陷处局部IV性能；分析电池片整体电性能衰减与缺陷处局部电性能衰减。
[0073] 8)结合实验数据，总结典型局部漏电、微裂纹、低并联电阻电池3种缺陷类型的电池在环境老化过程的反偏漏电流大小及分布变化规律，测试并分析组件水汽渗透与高低温循环对微缺陷太阳电池的累积影响。水汽渗透是指水汽从外界进入到光伏组件电池内部的速率。
[0074] 9)根据湿热、高低温冲击两种加速老化环境下不同老化时间点的微缺陷太阳电池电性能参数，采用ANSYS软件模拟辐照分布不均匀度与漏电流分布类型组合条件下热斑电池温度分布，分析电池最严重热斑产生条件与高温失效概率，并模拟计算非均匀辐照光伏组件中太阳电池、EVA、背板、玻璃各层材料的温度分布，结合材料耐温性能，分析光伏组件的长期耐候性能。
[0075] 在光伏组件使用的过程中，光伏组件中某个
单体光伏电池被遮挡产生辐照不均匀时，将导致该光伏组件输出电流降低而使得被遮挡的单体光伏电池两端处于反向偏置产生
过热现象。ANSYS模拟分成两个部分：
[0076] 1.采用PVsyst模拟计算遮挡情况下组件的发热功率。如图2为双玻组件在1000W/㎡25℃的条件下，一块电池片遮挡20％时的I-V曲线，其中被遮挡组件的电池发热部分功率为80W。
[0077] 2.在热功率确定的情况下，采用ANSYS模拟光伏组件中电池温度分布。
[0078] ANSYS模拟光伏组件时，主要材料的热性能参数如表1所示。标准光强为1000W/m2时，约有10％左右的太阳光被太阳电池与玻璃表面反射掉，16％左右转化为
电能。
[0080]
[0081] 根据上述参数计算敞开式光伏
支架上太阳电池热斑
工作温度，最终得到热斑分布如图3(图为情况(a)的热斑)所示。计算过程中根据电池缺陷类型，分两种情况计算：(a)80W热在156mm*156mm区域均匀分布；(b)80W热在集中在1点(小于1mm*1mm)区域。
[0082] 在以下环境条件下模拟光伏组件各层材料的温度场分布：
[0083] (a)总辐照度：1000W/m2
[0085] (c)风速：1m/s
[0086] 10)完成环境老化实验后，针对老化与温升过程缺陷处局部电性能变化显著的太阳电池，采用扫描电子显微镜(SEM)对缺陷部分电镜成像，分析其微观变化，结合热斑温升模拟与老化过程电池缺陷局部IV测试数据，研究分析：1)根据温升数据，若光伏组件中局部最高温度超过200℃；电池缺陷扩散后，根据老化过程反偏漏电流变化趋势，模拟计算的电池温度达到200℃时老化时间，判断失效是否在老化寿命要求范围；2)根据电子显微镜图片判断电池是否有PN结击穿现象，进而确定非均匀辐照光伏组件中微缺陷太阳电池复合失效机理。
[0087] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和
变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
