基于IEC 61215 標準中濕熱(DH)、濕凍(HF) 試驗的環境條件參數，對組件連續施加超量的環境條件壓力，分析其性能變化；并將其靜置1 年后復測其功率，發現長時間靜置對其功率有很大影響；然后繼續對組件進行環境試驗，并置于戶外曝曬，其間測量其功率變化；后拆解組件，研究濕熱及濕凍試驗分別對組件造成的影響。研究發現：濕熱試驗DH3000 是功率衰減的一個臨界點，且對組件焊帶腐蝕深度較深，匯流條腐蝕程度也較大；而長時間的濕凍試驗靜置功率會大幅恢復，且濕凍試驗使背板脆化相當嚴重，焊帶整體腐蝕面積也較大。通過整個實驗發現，組件在經過環境試驗后，靜置多久去測量其功率是一個需要重新考究的方面。

    隨著生(sheng)產(chan)工藝(yi)的(de)(de)逐步提(ti)高，IEC 61215 所測試(shi)(shi)的(de)(de)量已不足(zu)以考驗組件的(de)(de)耐候性，也(ye)無法模擬或探(tan)索(suo)出(chu)組件在(zai)戶(hu)(hu)外(wai)實際所經受的(de)(de)失效形式(shi)。根據TüV 的(de)(de)分析，熱(re)斑(ban)測試(shi)(shi)、濕(shi)(shi)凍(dong)測試(shi)(shi)、濕(shi)(shi)熱(re)測試(shi)(shi)這(zhe)3 種測試(shi)(shi)的(de)(de)失效率，如圖1 所示。組件熱(re)斑(ban)現(xian)象機理較明(ming)晰，在(zai)戶(hu)(hu)外(wai)出(chu)現(xian)熱(re)斑(ban)的(de)(de)情況較少(shao)，即使有也(ye)多出(chu)現(xian)在(zai)早晚輻(fu)照不強(qiang)時，易避免(mian)。所以，組件的(de)(de)濕(shi)(shi)凍(dong)及濕(shi)(shi)熱(re)試(shi)(shi)驗是對組件考驗的(de)(de)兩(liang)(liang)個因素(su)，本文針對這(zhe)兩(liang)(liang)個因素(su)，在(zai)IEC61215 標準的(de)(de)基礎上展開深入的(de)(de)測試(shi)(shi)研究(jiu)。

    1、試驗設計

    收集同一(yi)個(ge)廠家同一(yi)批次生(sheng)產的4 塊組(zu)件( 該(gai)類型組(zu)件由60 片多晶硅太(tai)陽(yang)電池片組(zu)成)，并將其編號(hao)。1# 和(he)2# 組(zu)件用(yong)(yong)于DH2500 試驗，每(mei)500 h 取出測一(yi)次功(gong)率(lv)及(ji)EL；3# 和(he)4# 用(yong)(yong)于HF100 測試，每(mei)10 個(ge)循(xun)環測一(yi)次功(gong)率(lv)及(ji)EL。首(shou)先(xian)將組(zu)件同時接受光(guang)輻照(zhao)5 kWh/m2 的預處理，預處理之后測得的功(gong)率(lv)如(ru)表1 所示。

    得到預處理后的功率數據后，試驗設計過程如圖2 所示。將1# 和2# 組件置于高低溫交變濕熱試驗箱中(zhong)，設(she)置(zhi)濕(shi)度(du)85% 和(he)溫度(du)85 ℃的試驗條件(jian)，每500h 取(qu)出組(zu)件(jian)進行(xing)(xing)功率和(he)EL 檢測；將(jiang)3# 和(he)4# 組(zu)件(jian)置(zhi)于(yu)濕(shi)凍環(huan)境箱中(zhong)，設(she)置(zhi)RH 85% 和(he)-40～85℃的溫度(du)循環(huan)，單個循環(huan)周(zhou)期(qi)為(wei)24 h，每10 個循環(huan)取(qu)出組(zu)件(jian)進行(xing)(xing)功率和(he)EL 檢測。

    連續環境試驗結束后，將組件靜置于常溫暗室內1 年；之后將1# 和3# 組件分別加量做DH500 和HF10 環境試驗后，測試功率及EL；2# 和4# 組件測試紅外圖像；之后將4 塊組件同時置于戶外曝曬25 kWh/m2 后測試功率曲線；后將1# 和3# 組件拆解分析。 

    2、試驗過程與結果 

    2.1濕熱濕凍連續老化試驗組件功率衰減
    圖4 分別為1# 和2# 組件( 均為DH2500) 功率衰減、串聯電阻及填充因子FF 的變化情況。

    濕熱試驗后，組(zu)件功率衰減較少，兩(liang)塊組(zu)件終衰減都在2.5% 左(zuo)右。功率衰減與串聯電(dian)阻的增(zeng)大正相關，FF 變化不(bu)明顯。

    圖(tu)5 為3# 和4# 組件( 均為HF100) 功率衰(shuai)減(jian)(jian)、串聯電阻(zu)及(ji)填(tian)充因(yin)子FF 的變化情況。濕凍試驗的組件功率前期(qi)衰(shuai)減(jian)(jian)較少、后期(qi)較多，整體呈冪函數(shu)趨勢(shi)。隨著組件功率的衰(shuai)減(jian)(jian)，串聯電阻(zu)呈現(xian)出明顯的正相關趨勢(shi)，而FF則(ze)呈現(xian)出負(fu)相關的趨勢(shi)。

    表2 為4 塊組件在連續試驗并靜置1 年后的功率和串聯電阻的變化情況。靜置后串聯電阻繼續增大，說明串聯電阻的增大原因是一個不可逆的過程，即為腐蝕[6]。同時，濕熱試驗后組件功率未變，而濕凍試驗后組件功率大幅回升，原因分析如下：

    1) 對于(yu)濕(shi)熱試驗(yan)：如表(biao)3 所(suo)(suo)示，兩塊組件(jian)濕(shi)熱試驗(yan)恢復1 年后(hou)，FF 都下降(jiang)了(le)，這與(yu)串(chuan)聯(lian)電(dian)(dian)(dian)阻增(zeng)大導致FF 下降(jiang)相一(yi)(yi)致。由(you)于(yu)串(chuan)聯(lian)電(dian)(dian)(dian)阻的(de)增(zeng)大，功率點(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓Vmp 降(jiang)低。但是(shi)短路(lu)電(dian)(dian)(dian)流Isc的(de)變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)是(shi)不(bu)隨組件(jian)焊帶的(de)腐蝕等因素變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)的(de)，正(zheng)如開路(lu)電(dian)(dian)(dian)壓Voc 無變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)一(yi)(yi)樣，Isc 的(de)變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)與(yu)輻照強度及禁(jin)帶寬度有關(guan)，但是(shi)Voc 幾乎(hu)未(wei)變(bian)(bian)(bian)，電(dian)(dian)(dian)池外觀也無較(jiao)大改變(bian)(bian)(bian)，所(suo)(suo)以(yi)禁(jin)帶寬度未(wei)發(fa)生變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)。Isc的(de)變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)在于(yu)輻照強度，但測試儀器是(shi)同(tong)(tong)一(yi)(yi)臺且都經過標定(ding)，那么原因很有可能來自(zi)于(yu)組件(jian)正(zheng)面的(de)水汽(qi)導致玻璃和(he)EVA 透光率的(de)變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)，當靜置后(hou)水汽(qi)蒸發(fa)，透光率增(zeng)大，輻照量增(zeng)強，所(suo)(suo)以(yi)Isc 增(zeng)大。同(tong)(tong)樣，功率點(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流Imp 增(zeng)大，但Vmp 減小，所(suo)(suo)以(yi)組件(jian)的(de)功率P=VmpImp 未(wei)改變(bian)(bian)(bian)。

    2) 對(dui)于濕(shi)凍(dong)試(shi)驗：表(biao)(biao)4 為(wei)濕(shi)凍(dong)試(shi)驗及恢復后組(zu)(zu)件(jian)(jian)各電(dian)(dian)(dian)(dian)學參數，由表(biao)(biao)4 可(ke)知，功率(lv)點電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)Vmp降(jiang)低，功率(lv)點電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)Imp增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，短路電(dian)(dian)(dian)(dian)流Isc增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，開路電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)Voc 變化(hua)輻度很(hen)小，可(ke)認(ren)為(wei)不變。但功率(lv)P 卻(que)有大(da)(da)(da)量的(de)(de)恢復，原(yuan)因就(jiu)在于并(bing)聯電(dian)(dian)(dian)(dian)阻Rsh 明(ming)顯增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)(表(biao)(biao)明(ming)漏(lou)電(dian)(dian)(dian)(dian)流減少了(le))，Isc 和Imp 的(de)(de)增(zeng)(zeng)量也較(jiao)大(da)(da)(da)，推測這是濕(shi)氣(qi)(qi)的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)發(fa)所(suo)致。但是同樣的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)發(fa)，濕(shi)熱試(shi)驗卻(que)未出現功率(lv)恢復和并(bing)聯電(dian)(dian)(dian)(dian)阻增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，說明(ming)除了(le)濕(shi)氣(qi)(qi)蒸(zheng)(zheng)發(fa)、組(zu)(zu)件(jian)(jian)正面透光率(lv)上升之外，還有其他原(yuan)因。濕(shi)熱和濕(shi)凍(dong)試(shi)驗后兩(liang)種組(zu)(zu)件(jian)(jian)外觀并(bing)未發(fa)生改變，但是試(shi)驗過程中濕(shi)凍(dong)試(shi)驗是通40 μA電(dian)(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)，電(dian)(dian)(dian)(dian)流在大(da)(da)(da)量濕(shi)氣(qi)(qi)進入組(zu)(zu)件(jian)(jian)的(de)(de)情況(kuang)下，很(hen)有可(ke)能使焊帶出現漏(lou)電(dian)(dian)(dian)(dian)通道，導(dao)致組(zu)(zu)件(jian)(jian)并(bing)聯電(dian)(dian)(dian)(dian)阻減小，功率(lv)快速下降(jiang)，表(biao)(biao)5 中濕(shi)凍(dong)試(shi)驗HF90和HF100 過程中對(dui)應組(zu)(zu)件(jian)(jian)功率(lv)大(da)(da)(da)幅(fu)的(de)(de)衰減就(jiu)很(hen)可(ke)是這個原(yuan)因造成的(de)(de)。綜上所(suo)述(shu)，濕(shi)氣(qi)(qi)、電(dian)(dian)(dian)(dian)流、溫(wen)度及溫(wen)度循(xun)環4 個條件(jian)(jian)共同造成濕(shi)凍(dong)組(zu)(zu)件(jian)(jian)焊帶出現漏(lou)電(dian)(dian)(dian)(dian)通道，導(dao)致組(zu)(zu)件(jian)(jian)并(bing)聯電(dian)(dian)(dian)(dian)阻增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，功率(lv)減小。

    通過以上分析可知：濕熱試驗靜置1 年后的功率與DH2500 的功率相同，這是由于組件靜置的這1 年，焊帶腐蝕繼續增大，組件正面濕氣部分蒸發；而濕凍試驗靜置1 年后的功率小于HF100 的功率，這是因為除了上述兩個因素外，還有一個原因是組件內部漏電通道減弱或消失，并聯電阻明顯回升，功率大幅恢復。

    從(cong)圖6 的(de)(de)EL 圖像可看出，紅色圈出部(bu)分(fen)出現了明顯的(de)(de)明暗片、連接處腐(fu)蝕或串聯電(dian)阻增大(da)的(de)(de)現象。這表明從(cong)HF90 到HF100 功率大(da)幅衰(shuai)減的(de)(de)原(yuan)因除了漏電(dian)通道外，就(jiu)是串聯電(dian)阻的(de)(de)增大(da)和電(dian)池(chi)間的(de)(de)失配。

    2.21#、3# 組件加量環境試驗

    對1#、3# 組件(jian)加(jia)量環(huan)境(jing)試驗(yan)，得(de)到(dao)結(jie)果見表(biao)6。由(you)表(biao)6 可知，1)兩塊組件(jian)短路電流Isc 在試驗(yan)后(hou)都下降了，開路電壓Voc 變化很(hen)小，可認為不(bu)變，驗(yan)證(zheng)了之(zhi)前所說(shuo)濕(shi)氣進入組件(jian)正面的(de)(de)這個理(li)論。2)1# 組件(jian)的(de)(de)功率出現了較大的(de)(de)衰減(jian)，與(yu)NERL 提出的(de)(de)DH2500后(hou)衰減(jian)加(jia)快的(de)(de)理(li)論一致(zhi)；3# 組件(jian)HF110 相比于HF100 功率更(geng)高，說(shuo)明(ming)濕(shi)凍環(huan)境(jing)的(de)(de)持續疊加(jia)比靜置很(hen)久之(zhi)后(hou)再放入該環(huan)境(jing)下試驗(yan)對組件(jian)造成的(de)(de)傷害更(geng)大。3) 串聯電阻的(de)(de)大量增加(jia)也表(biao)明(ming)濕(shi)凍試驗(yan)對組件(jian)的(de)(de)腐蝕更(geng)嚴。

    將4 塊(kuai)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)置(zhi)于(yu)戶外(wai)曝(pu)曬(測(ce)(ce)(ce)得實際曝(pu)曬量為(wei)25 kWh/m2) 后(hou)測(ce)(ce)(ce)試其(qi)功(gong)率(lv)，其(qi)中2#、4# 組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)靜置(zhi)1 周后(hou)復測(ce)(ce)(ce)功(gong)率(lv)，結果見圖7。由圖7 可知(zhi)：1)1# 組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)加(jia)做DH500 和(he)2# 組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)曝(pu)曬25 kWh/m2 后(hou)，以及(ji)3# 組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)加(jia)做HF10 和(he)4# 組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)曝(pu)曬25 kWh/m2 后(hou)，組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)功(gong)率(lv)相差(cha)不大(da)，說明組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)在老化嚴重(zhong)時，戶外(wai)曝(pu)曬對其(qi)損傷很大(da)；2) 2#、4# 組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)經受(shou)室外(wai)曝(pu)曬后(hou)靜置(zhi)的(de)時間不同，所測(ce)(ce)(ce)的(de)功(gong)率(lv)相差(cha)較大(da)，結合前(qian)文提及(ji)的(de)靜置(zhi)1 年(nian)功(gong)率(lv)大(da)量恢復可知(zhi)，組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)在經受(shou)環境試驗后(hou)，測(ce)(ce)(ce)其(qi)功(gong)率(lv)的(de)時間點(dian)也是需要考究的(de)。

    2.3拆解分析匯流條、焊帶及背板

    圖8a 中，隨著試驗環境應力的(de)加強，濕(shi)熱試驗對組(zu)件匯流(liu)條的(de)腐蝕程(cheng)度更(geng)深，對比右(you)邊HF110 后的(de)匯流(liu)條，左邊DH3000 后的(de)匯流(liu)條表面涂層有明顯的(de)腐蝕現象。將HF110 及DH3000后的(de)組(zu)件焊帶剝(bo)離(li)出來，如圖8b 所示，濕(shi)熱試驗對組(zu)件匯流(liu)條腐蝕程(cheng)度更(geng)深，而(er)且濕(shi)凍試驗匯流(liu)條整(zheng)體光澤度很(hen)(hen)差(cha)，很(hen)(hen)像是水汽長期凝(ning)附于表面的(de)結果。

    圖(tu)9a 中，濕凍試(shi)驗焊(han)帶(dai)(dai)(dai)(dai)并未腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)，組件正面(mian)卻出(chu)現輕微的(de)黃變現象；濕熱(re)試(shi)驗組件的(de)焊(han)帶(dai)(dai)(dai)(dai)出(chu)現了局部(bu)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)，但整體(ti)光(guang)澤度較好。圖(tu)9b和(he)圖(tu)9c 也存在同(tong)樣的(de)現象：濕凍試(shi)驗組件的(de)焊(han)帶(dai)(dai)(dai)(dai)整體(ti)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)面(mian)積較大，光(guang)澤度較差；濕熱(re)試(shi)驗組件的(de)焊(han)帶(dai)(dai)(dai)(dai)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)程(cheng)度更深，尤其是圖(tu)9c 中紅色圈出(chu)部(bu)分明顯(xian)出(chu)現了銅基(ji)的(de)露出(chu)，表明銀電極與焊(han)帶(dai)(dai)(dai)(dai)間Sn-Pb 腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)嚴重。

    為了(le)解焊帶的(de)(de)成(cheng)分以(yi)便(bian)對其老化有深入的(de)(de)認識，對拆解出的(de)(de)匯流條和焊帶進行SEM 電鏡(jing)掃描。該設備原理(li)是通過(guo)聚(ju)焦(jiao)的(de)(de)電子束轟擊樣(yang)(yang)品表(biao)面，通過(guo)電子與樣(yang)(yang)品表(biao)面的(de)(de)作用來(lai)分析該樣(yang)(yang)品。一般與能(neng)譜(EDS) 分析結合，能(neng)夠測出樣(yang)(yang)品表(biao)面各種元(yuan)素(su)的(de)(de)含量。

    在匯流條的正面( 見圖10) 發現微量的Al 元素( 約占0.36%) 和Na 元素( 約占0.52%)，應該是分別來自于鋁邊框及玻璃中，表明存在元素擴散現象；正面未發現Cu 元素，但背面卻發現較大含量的Cu 元素，表明背面濕氣的含量遠大于正面含量，導致匯流條背面表面涂層被腐蝕。濕熱試驗的匯流條測試結果與濕凍試驗大體一致。

    在焊(han)帶(dai)中，正(zheng)常涂層(ceng)材料為Sn-Pb 合金，Sn-Pb 比例為63%∶37%，涂層(ceng)材料不含(han)O 元(yuan)素(su)和(he)Ag 元(yuan)素(su)，其未被腐蝕前(qian)也不會(hui)測出銅基底中的Cu 元(yuan)素(su)。在拆解出來(lai)的焊(han)帶(dai)中，選取濕(shi)凍腐蝕、濕(shi)熱腐蝕、濕(shi)凍完(wan)(wan)好、濕(shi)熱完(wan)(wan)好的焊(han)帶(dai)表面各2個(ge)點(dian)進(jin)行(xing)電鏡掃描，每種類型點(dian)所含(han)的元(yuan)素(su)重(zhong)量(liang)百(bai)分(fen)比取兩個(ge)點(dian)的均值，比較O、Cu、Ag、Sn、Pb 5 種元(yuan)素(su)，結果如表7 所示。

    電鏡掃描結果發現，4 種狀態的焊帶都含有較多O元素，除了取出后與空氣中O2直接接觸氧化外，焊帶在組件內部時已被氧化，且無論表面Sn-Pb 是否腐蝕，焊帶表面均存在較多氧化物。Cu元素在濕凍試驗的焊帶中發現較多，同時此焊帶處Pb含量較少，表明焊帶表面涂層大部分已被腐蝕。而濕熱試驗后的焊帶雖從表面外觀看腐蝕較嚴重，但其測試結果中Cu元素含量較少，且其他成分含量較多，推測氧化物較多且遷移進較多其他元素。值得一提的是，無論是濕凍還是濕熱試驗，腐蝕的焊帶中都含有Ag 元素，而焊帶完好部分未發現，表明焊帶金屬的腐蝕與電極上的銀有關。

    對(dui)結構為(wei)KPK 3 層(ceng)(ceng)(ceng)結構的(de)背(bei)(bei)板(ban)( 雙面為(wei)含(han)(han)氟(fu)材(cai)料，中間為(wei)PET層(ceng)(ceng)(ceng)) 進(jin)行(xing)老化分析，如圖(tu)(tu)11 所示。圖(tu)(tu)中，濕(shi)(shi)熱試(shi)驗(yan)組(zu)件背(bei)(bei)板(ban)內層(ceng)(ceng)(ceng)氟(fu)膜與EVA 緊連在一(yi)起(qi)，與背(bei)(bei)板(ban)其他(ta)兩層(ceng)(ceng)(ceng)完全脫離，這(zhe)可(ke)能與EVA和(he)背(bei)(bei)板(ban)中水汽(qi)含(han)(han)量有(you)關；濕(shi)(shi)凍(dong)試(shi)驗(yan)組(zu)件則是3 層(ceng)(ceng)(ceng)均分離，且中間PET 層(ceng)(ceng)(ceng)脆(cui)化相當嚴重(圖(tu)(tu)12)，表明濕(shi)(shi)凍(dong)試(shi)驗(yan)對(dui)背(bei)(bei)板(ban)材(cai)料的(de)考驗(yan)非常大。

    3、總結

    通過以上研究可得出以下結論：
    1)“雙85”環境條件下的DH2500 是很多組件的一個衰減臨界點，過了這個量，組件功率將大幅衰減，這個結果與NREL 的觀點相似；濕凍試驗在持續疊加試驗時功率衰減迅速，很大原因在于其試驗時通過的電流，但這是可以恢復的，宏觀現象類似于PID 效應。
    2) 無論是濕熱還是濕凍試驗，濕氣對組件背面的影響都非常大，焊帶和匯流條背面的腐蝕程度大于正面；但短路電流變化這一現象表明濕氣還會從背面穿過電池片進入組件正面的EVA和玻璃，對它們的透光率造成影響。
    3) 從電鏡掃描結果看，長期的濕熱或濕凍環境條件容易引起組件內部各種離子的遷移。組件背面濕氣更易進入并快速達到飽和，產生冷凝，導致焊帶加速老化，發生氧化腐蝕，且發生腐蝕區域均檢測到電極中的銀。
    4) 相比于濕熱試驗對組件材料的腐蝕，濕凍試驗的突出特點在于對背板和焊帶的脆化及大面積腐蝕，所以除了增強背板的抗水性及焊帶金屬材料的耐腐蝕性外，材料的韌性也需要加強。
    5) 經歷環境試驗后的組件，IEC 61215 標準規定是等溫4 h 之后測試其功率，但本次研究發現組件等溫靜置的時間不同對其功率測定值影響結果較大，所以這個測試時間需要商榷。

    6) 2#、4# 組件經歷連續的濕凍濕熱試驗靜(jing)置一年后，通以9 A 電流3 min 后，發(fa)現(xian)兩塊組件均為接線盒下方(fang)區域損傷尤為嚴重(zhong)，原因仍需后期探(tan)究(jiu)。

文(wen)章來源：太陽能雜志