无热斑专题系列连载（3）
 
黄子健  郑晨焱  龚海丹  邢万荣  武耀忠  彭宇

【编者按】PERC、黑硅、IBC背接触、HIT，这些词语对于光伏人已经越来越耳熟能详。为了实现平价上网，降低度电成本，一代又一代的光伏人都在致力于电池效率的提升。但随着高效电池逐渐商用，由于电池输出电流的提高而带来的负面影响也逐渐显现。其中比较显著的就是组件发生热斑时，热斑电池温度的大幅提升。不但已经接近甚至超过了硅基材料的PN结温，加速了高分子封装材料的降解和失效，甚至远远超过了各家组件厂提供的85度工作温度范围。为光伏系统25年的安全可靠使用带来了潜在的不确定性。
 
       本站特邀光伏组件技术专家黄子健先生主笔，编写了《无热斑组件》系列技术专题。本篇《150摄氏度，高效光伏组件的门槛之接线盒的致命伤》，从组件的接线盒工作原理、材料特性、环境等诸多方面，全面阐述高效组件中接线盒的选择对传统组件结构和材料设计的挑战，以此警示业界追求高效率创新的同时，应综合考虑、提前预判各种可能的失效因素，尽最大可能消除创新产品的应用障碍。
 
       本文主要针对电池效率提升之后，热斑高温对光伏组件的接线盒性能的影响进行探讨。

 
150摄氏度，高效光伏组件的门槛（3）：接线盒的致命伤

       目前接线盒中应用最多的旁路保护二极管则采用较先进的沟槽式结构，其电场由于器件结构的原因通常集中在沟槽底部附近，可以有着较光伏电池更好的单位面积比的ESD能力，但即便如此，当工作温度超过其最高结温后，也会导致旁路保护二极管热烧毁。因此，实际工作时，现行通用的旁路保护二极管也要遵循硅基材料最高结温不能超过150摄氏度这一硅基材料的基本特性，才能保证长期安全可靠地使用。

 

 

       光伏组件中，另一个重要的部件就是接线盒。而其中用来做旁路保护作用的二极管也是利用了硅基器件的特性实现保护电池片的功能。因此，毫无疑问，二极管也要遵从硅基材料结温不超过150摄氏度这个硅材料器件的基本特性要求。

 

       目前，许多接线盒供应商采用散热效果（RθJ-C 2.2)比TO封装（RθJ-C 2.0)稍差的R6封装的二极管，加上R6封装的二极管外壳没有直接贴到铜导流板上，导致使用R6 封装二极管的接线盒散热效果稍差。随着电池片效率越来越高，输出电流越来越大，从125时代的5.5A提高到156 PERC时代的9.5A，使得接线盒二极管结温测试时的温度基本上都超过了150摄氏度。有的用R6二极管的接线盒更是达到170摄氏度以上，早已超过硅基二极管材料的最高结温。即使采用了沟槽结构二极管工艺，也面临着极大的安全危险。

 

       接线盒供应商也知道高温带来的危害。为了降低二极管承受的高温压力和高温使接线盒壳体软化带来的危险，而采用了高额定电流的二极管，比如用20A 甚至30A额定电流二极管，无非为了扩大晶圆中PN 结的面积来降低二极管导通后的结温温度。其实，目前最好的光伏电池在Isc=9.5A左右，如果能通过降低Vf和良好散热结构的接线盒，用13A或15A 额定电流的二极管是可以满足标准要求的。

 

       还有一点非常有趣。二极管晶圆厂提供的硅二极管晶圆的规格是Tj=150摄氏度。但经过二极管封装厂后，出厂的二极管Tj的描述就变得不一样了。有的用二段来分别标注，一段是正常工作时的结温区间，一段是只有在正向导通但没有反向压降（或者说没有二极管功能且已经变成导体情况）时的结温。

 

       当然也有如下面的用一段来标注结温的，但没有标注出在什么温度区间适用保持二极管特性的温度范围。容易使人误解成光伏使用的硅基二极管的结温可以高到200摄氏度。

       很显然，硅基二极管的温度Tj是由构成这个硅基结的材料本身决定的，而二极管封装厂只是将已固化的硅基器件以一定形式封装成更容易在生产线焊接的形式，封装本身并不能改变硅基材料的结温特性，也就时意味着封装不能提高或降低封装后硅基二极管的结温Tj。