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。

    隨著生產工藝的(de)逐步提高，IEC 61215 所(suo)測(ce)試(shi)(shi)(shi)的(de)量已不足以考驗組(zu)件的(de)耐候性，也(ye)無法模擬或探索出組(zu)件在(zai)(zai)戶外實際所(suo)經受的(de)失效(xiao)形式。根據TüV 的(de)分析，熱斑測(ce)試(shi)(shi)(shi)、濕(shi)凍測(ce)試(shi)(shi)(shi)、濕(shi)熱測(ce)試(shi)(shi)(shi)這3 種(zhong)測(ce)試(shi)(shi)(shi)的(de)失效(xiao)率，如圖(tu)1 所(suo)示。組(zu)件熱斑現(xian)象機理較明晰(xi)，在(zai)(zai)戶外出現(xian)熱斑的(de)情況較少，即使有也(ye)多出現(xian)在(zai)(zai)早晚輻(fu)照不強時，易(yi)避免。所(suo)以，組(zu)件的(de)濕(shi)凍及濕(shi)熱試(shi)(shi)(shi)驗是對組(zu)件考驗的(de)兩(liang)個因(yin)素(su)，本文針對這兩(liang)個因(yin)素(su)，在(zai)(zai)IEC61215 標準的(de)基(ji)礎(chu)上展開深入的(de)測(ce)試(shi)(shi)(shi)研究。

    1、試驗設計

    收(shou)集(ji)同一(yi)(yi)個(ge)廠家同一(yi)(yi)批次生(sheng)產的4 塊組(zu)件( 該類(lei)型組(zu)件由(you)60 片(pian)(pian)多晶硅(gui)太陽電池片(pian)(pian)組(zu)成(cheng))，并將其編(bian)號。1# 和2# 組(zu)件用于DH2500 試驗(yan)，每(mei)500 h 取出測一(yi)(yi)次功(gong)率(lv)(lv)及(ji)(ji)EL；3# 和4# 用于HF100 測試，每(mei)10 個(ge)循環(huan)測一(yi)(yi)次功(gong)率(lv)(lv)及(ji)(ji)EL。首先將組(zu)件同時接(jie)受光輻(fu)照5 kWh/m2 的預處理，預處理之后測得的功(gong)率(lv)(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，設(she)置(zhi)濕度85% 和(he)(he)溫度85 ℃的試(shi)驗條件(jian)，每500h 取出組(zu)(zu)件(jian)進(jin)行(xing)功率(lv)和(he)(he)EL 檢測；將3# 和(he)(he)4# 組(zu)(zu)件(jian)置(zhi)于濕凍環(huan)境(jing)箱中，設(she)置(zhi)RH 85% 和(he)(he)-40～85℃的溫度循環(huan)，單個(ge)循環(huan)周期為(wei)24 h，每10 個(ge)循環(huan)取出組(zu)(zu)件(jian)進(jin)行(xing)功率(lv)和(he)(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(hou)，組(zu)件功(gong)(gong)率(lv)(lv)衰(shuai)減(jian)較少，兩塊組(zu)件終(zhong)衰(shuai)減(jian)都在2.5% 左(zuo)右。功(gong)(gong)率(lv)(lv)衰(shuai)減(jian)與(yu)串聯電阻的(de)增大正(zheng)相關，FF 變化不明顯。

    圖5 為3# 和4# 組件( 均為HF100) 功率(lv)衰減(jian)、串聯電阻(zu)及填充因子(zi)FF 的(de)變(bian)化情況。濕凍試驗的(de)組件功率(lv)前期(qi)衰減(jian)較少、后期(qi)較多，整體呈(cheng)冪(mi)函數(shu)趨(qu)勢。隨著組件功率(lv)的(de)衰減(jian)，串聯電阻(zu)呈(cheng)現出(chu)明顯的(de)正相(xiang)(xiang)關(guan)趨(qu)勢，而FF則呈(cheng)現出(chu)負相(xiang)(xiang)關(guan)的(de)趨(qu)勢。

    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(dui)于濕熱試驗：如表3 所(suo)示，兩塊組(zu)件濕熱試驗恢復1 年后，FF 都下(xia)(xia)降(jiang)了，這與串聯(lian)電阻增(zeng)大(da)導致FF 下(xia)(xia)降(jiang)相一致。由(you)于串聯(lian)電阻的(de)(de)增(zeng)大(da)，功率點(dian)電壓Vmp 降(jiang)低。但(dan)是(shi)(shi)短路電流Isc的(de)(de)變(bian)化是(shi)(shi)不隨組(zu)件焊帶的(de)(de)腐蝕等因素變(bian)化的(de)(de)，正(zheng)如開路電壓Voc 無(wu)(wu)變(bian)化一樣(yang)，Isc 的(de)(de)變(bian)化與輻照強度及(ji)禁帶寬度有關(guan)，但(dan)是(shi)(shi)Voc 幾(ji)乎未(wei)變(bian)，電池外觀也無(wu)(wu)較大(da)改(gai)變(bian)，所(suo)以(yi)禁帶寬度未(wei)發生變(bian)化。Isc的(de)(de)變(bian)化在(zai)于輻照強度，但(dan)測試儀器(qi)是(shi)(shi)同(tong)一臺且都經過標定，那么原因很有可能(neng)來(lai)自于組(zu)件正(zheng)面的(de)(de)水(shui)汽導致玻璃和EVA 透光(guang)率的(de)(de)變(bian)化，當靜置后水(shui)汽蒸(zheng)發，透光(guang)率增(zeng)大(da)，輻照量增(zeng)強，所(suo)以(yi)Isc 增(zeng)大(da)。同(tong)樣(yang)，功率點(dian)電流Imp 增(zeng)大(da)，但(dan)Vmp 減小(xiao)，所(suo)以(yi)組(zu)件的(de)(de)功率P=VmpImp 未(wei)改(gai)變(bian)。

    2) 對于(yu)濕(shi)(shi)(shi)凍(dong)試(shi)驗(yan)：表4 為濕(shi)(shi)(shi)凍(dong)試(shi)驗(yan)及恢復后組(zu)(zu)件(jian)各電(dian)(dian)(dian)(dian)學參數，由(you)表4 可知，功(gong)率(lv)(lv)(lv)點電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)Vmp降低，功(gong)率(lv)(lv)(lv)點電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)Imp增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，短路電(dian)(dian)(dian)(dian)流Isc增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，開路電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)Voc 變(bian)化(hua)輻度(du)(du)很小，可認為不變(bian)。但(dan)功(gong)率(lv)(lv)(lv)P 卻(que)有大(da)量的(de)恢復，原(yuan)因就在于(yu)并(bing)聯(lian)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)Rsh 明顯增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(表明漏(lou)電(dian)(dian)(dian)(dian)流減(jian)(jian)少了)，Isc 和Imp 的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)量也較(jiao)大(da)，推測這(zhe)是濕(shi)(shi)(shi)氣(qi)的(de)蒸(zheng)發所(suo)致(zhi)。但(dan)是同(tong)樣的(de)蒸(zheng)發，濕(shi)(shi)(shi)熱試(shi)驗(yan)卻(que)未出(chu)現(xian)(xian)功(gong)率(lv)(lv)(lv)恢復和并(bing)聯(lian)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，說明除了濕(shi)(shi)(shi)氣(qi)蒸(zheng)發、組(zu)(zu)件(jian)正面(mian)透光率(lv)(lv)(lv)上升(sheng)之外(wai)，還有其他原(yuan)因。濕(shi)(shi)(shi)熱和濕(shi)(shi)(shi)凍(dong)試(shi)驗(yan)后兩種組(zu)(zu)件(jian)外(wai)觀并(bing)未發生(sheng)改變(bian)，但(dan)是試(shi)驗(yan)過(guo)程中(zhong)(zhong)濕(shi)(shi)(shi)凍(dong)試(shi)驗(yan)是通40 μA電(dian)(dian)(dian)(dian)流的(de)，電(dian)(dian)(dian)(dian)流在大(da)量濕(shi)(shi)(shi)氣(qi)進(jin)入組(zu)(zu)件(jian)的(de)情況下(xia)(xia)，很有可能使焊帶出(chu)現(xian)(xian)漏(lou)電(dian)(dian)(dian)(dian)通道，導致(zhi)組(zu)(zu)件(jian)并(bing)聯(lian)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)減(jian)(jian)小，功(gong)率(lv)(lv)(lv)快(kuai)速下(xia)(xia)降，表5 中(zhong)(zhong)濕(shi)(shi)(shi)凍(dong)試(shi)驗(yan)HF90和HF100 過(guo)程中(zhong)(zhong)對應(ying)組(zu)(zu)件(jian)功(gong)率(lv)(lv)(lv)大(da)幅(fu)的(de)衰減(jian)(jian)就很可是這(zhe)個原(yuan)因造成的(de)。綜上所(suo)述，濕(shi)(shi)(shi)氣(qi)、電(dian)(dian)(dian)(dian)流、溫(wen)度(du)(du)及溫(wen)度(du)(du)循環(huan)4 個條件(jian)共同(tong)造成濕(shi)(shi)(shi)凍(dong)組(zu)(zu)件(jian)焊帶出(chu)現(xian)(xian)漏(lou)電(dian)(dian)(dian)(dian)通道，導致(zhi)組(zu)(zu)件(jian)并(bing)聯(lian)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，功(gong)率(lv)(lv)(lv)減(jian)(jian)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。

    從圖(tu)6 的(de)(de)EL 圖(tu)像可看出，紅色圈出部分(fen)出現(xian)了明(ming)顯的(de)(de)明(ming)暗片(pian)、連接處腐蝕或串(chuan)聯(lian)電阻增大的(de)(de)現(xian)象。這表明(ming)從HF90 到HF100 功(gong)率大幅衰減的(de)(de)原因除了漏電通(tong)道(dao)外，就是串(chuan)聯(lian)電阻的(de)(de)增大和電池間的(de)(de)失配。

    2.21#、3# 組(zu)件加量環境試驗(yan)

    對1#、3# 組(zu)件加(jia)量環(huan)(huan)境試(shi)驗，得到結果見表6。由表6 可知，1)兩塊(kuai)組(zu)件短路電(dian)流Isc 在試(shi)驗后(hou)都下降了(le)(le)(le)，開路電(dian)壓Voc 變化很小，可認(ren)為不變，驗證了(le)(le)(le)之前所說濕氣(qi)進入組(zu)件正面的(de)(de)(de)這個理(li)論(lun)。2)1# 組(zu)件的(de)(de)(de)功率出現了(le)(le)(le)較大(da)的(de)(de)(de)衰減(jian)，與NERL 提出的(de)(de)(de)DH2500后(hou)衰減(jian)加(jia)快的(de)(de)(de)理(li)論(lun)一(yi)致；3# 組(zu)件HF110 相比于(yu)HF100 功率更(geng)高，說明濕凍環(huan)(huan)境的(de)(de)(de)持續疊加(jia)比靜置很久之后(hou)再放入該環(huan)(huan)境下試(shi)驗對組(zu)件造成的(de)(de)(de)傷害(hai)更(geng)大(da)。3) 串(chuan)聯(lian)電(dian)阻的(de)(de)(de)大(da)量增加(jia)也表明濕凍試(shi)驗對組(zu)件的(de)(de)(de)腐蝕更(geng)嚴。

    將4 塊組(zu)(zu)(zu)件(jian)置于戶外曝(pu)(pu)曬(測(ce)(ce)(ce)得(de)實際(ji)曝(pu)(pu)曬量為25 kWh/m2) 后(hou)測(ce)(ce)(ce)試其(qi)功(gong)率(lv)，其(qi)中(zhong)2#、4# 組(zu)(zu)(zu)件(jian)靜置1 周后(hou)復(fu)測(ce)(ce)(ce)功(gong)率(lv)，結果見圖7。由圖7 可(ke)(ke)知：1)1# 組(zu)(zu)(zu)件(jian)加(jia)做(zuo)DH500 和2# 組(zu)(zu)(zu)件(jian)曝(pu)(pu)曬25 kWh/m2 后(hou)，以及3# 組(zu)(zu)(zu)件(jian)加(jia)做(zuo)HF10 和4# 組(zu)(zu)(zu)件(jian)曝(pu)(pu)曬25 kWh/m2 后(hou)，組(zu)(zu)(zu)件(jian)功(gong)率(lv)相差(cha)不大(da)，說明組(zu)(zu)(zu)件(jian)在老(lao)化嚴重時，戶外曝(pu)(pu)曬對其(qi)損傷很大(da)；2) 2#、4# 組(zu)(zu)(zu)件(jian)經(jing)受(shou)室(shi)外曝(pu)(pu)曬后(hou)靜置的(de)時間不同(tong)，所測(ce)(ce)(ce)的(de)功(gong)率(lv)相差(cha)較大(da)，結合前文(wen)提(ti)及的(de)靜置1 年功(gong)率(lv)大(da)量恢復(fu)可(ke)(ke)知，組(zu)(zu)(zu)件(jian)在經(jing)受(shou)環境試驗(yan)后(hou)，測(ce)(ce)(ce)其(qi)功(gong)率(lv)的(de)時間點也是需要考究(jiu)的(de)。

    2.3拆解分析匯流條、焊帶及背板

    圖(tu)8a 中，隨著試驗環境應力(li)的(de)加強，濕熱(re)(re)試驗對組件匯流(liu)條(tiao)的(de)腐蝕程(cheng)度(du)(du)更深，對比右邊HF110 后的(de)匯流(liu)條(tiao)，左邊DH3000 后的(de)匯流(liu)條(tiao)表面涂層(ceng)有明顯的(de)腐蝕現象。將HF110 及(ji)DH3000后的(de)組件焊帶剝離出來，如(ru)圖(tu)8b 所示，濕熱(re)(re)試驗對組件匯流(liu)條(tiao)腐蝕程(cheng)度(du)(du)更深，而且濕凍(dong)試驗匯流(liu)條(tiao)整體光(guang)澤度(du)(du)很差，很像(xiang)是水汽長期凝附于表面的(de)結果。

    圖(tu)9a 中(zhong)，濕凍試驗焊帶并(bing)未腐(fu)(fu)蝕，組(zu)(zu)件(jian)正面卻出(chu)現(xian)輕微的(de)(de)黃變現(xian)象；濕熱試驗組(zu)(zu)件(jian)的(de)(de)焊帶出(chu)現(xian)了局部腐(fu)(fu)蝕，但整體(ti)光澤(ze)度(du)較(jiao)好(hao)。圖(tu)9b和圖(tu)9c 也存在同樣的(de)(de)現(xian)象：濕凍試驗組(zu)(zu)件(jian)的(de)(de)焊帶整體(ti)腐(fu)(fu)蝕面積較(jiao)大，光澤(ze)度(du)較(jiao)差；濕熱試驗組(zu)(zu)件(jian)的(de)(de)焊帶腐(fu)(fu)蝕程度(du)更(geng)深(shen)，尤其是(shi)圖(tu)9c 中(zhong)紅色圈出(chu)部分明顯出(chu)現(xian)了銅基的(de)(de)露(lu)出(chu)，表明銀電極與焊帶間Sn-Pb 腐(fu)(fu)蝕嚴重。

    為了解焊(han)帶的(de)(de)成分以便對其老化有(you)深入的(de)(de)認識，對拆解出的(de)(de)匯流條和焊(han)帶進行SEM 電鏡掃描。該設備原理是通過聚焦的(de)(de)電子束轟擊樣品(pin)表面，通過電子與樣品(pin)表面的(de)(de)作用來分析該樣品(pin)。一般(ban)與能譜(EDS) 分析結(jie)合，能夠測出樣品(pin)表面各種元素的(de)(de)含量(liang)。

    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。

    在焊帶中，正常涂層(ceng)材料為Sn-Pb 合金(jin)，Sn-Pb 比(bi)例為63%∶37%，涂層(ceng)材料不(bu)含O 元(yuan)素和Ag 元(yuan)素，其(qi)未(wei)被腐蝕前也(ye)不(bu)會測出銅基底中的(de)Cu 元(yuan)素。在拆解出來的(de)焊帶中，選取濕(shi)凍腐蝕、濕(shi)熱腐蝕、濕(shi)凍完好、濕(shi)熱完好的(de)焊帶表面各2個(ge)點進行電鏡掃描(miao)，每(mei)種類(lei)型點所含的(de)元(yuan)素重(zhong)量(liang)百分比(bi)取兩(liang)個(ge)點的(de)均值(zhi)，比(bi)較O、Cu、Ag、Sn、Pb 5 種元(yuan)素，結果(guo)如表7 所示(shi)。

    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。

    對結構為(wei)(wei)KPK 3 層結構的(de)背(bei)板(ban)(ban)( 雙面(mian)為(wei)(wei)含氟材料(liao)(liao)，中間為(wei)(wei)PET層) 進行老(lao)化分(fen)析，如(ru)圖(tu)11 所示。圖(tu)中，濕(shi)熱試(shi)驗組件背(bei)板(ban)(ban)內(nei)層氟膜與EVA 緊連在一起，與背(bei)板(ban)(ban)其他兩層完全脫離(li)，這(zhe)可(ke)能與EVA和(he)背(bei)板(ban)(ban)中水汽含量有(you)關；濕(shi)凍試(shi)驗組件則是3 層均分(fen)離(li)，且中間PET 層脆化相當嚴(yan)重(圖(tu)12)，表明濕(shi)凍試(shi)驗對背(bei)板(ban)(ban)材料(liao)(liao)的(de)考驗非常大。

    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置一年后，通以9 A 電(dian)流(liu)3 min 后，發現兩塊組(zu)件均為(wei)接線盒下方區域損(sun)傷尤為(wei)嚴(yan)重，原因仍需后期探究。

文章來源：太陽能雜志(zhi)