组件热斑与电池缺陷有何关系？

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摘要：设计了室内外缺陷电池热斑情况的测试方案，将缺陷电池反接12V直流电压，使电池片处于反向偏置状态，并对比了电池片的温度分布和漏电流大小，测试了不同反偏电压下温度分布和电流变化。提出了一种缺陷电池测试方法，将单块电池接入组件，在不同遮挡比例下测试组件的I-V、P-V曲线，对比不同类型缺陷电池的差异。

在当前的太阳电池制备技术中，多晶硅材料具有明显的成本优势。然而相对于单晶硅材料，其制备成太阳电池后转换效率较低。国内外研究组针对多晶硅材料进行了多方面的研究，普遍认为造成多晶硅太阳电池效率较低的主要原因是多晶硅中存在大量的晶界，纯净的晶界并不会对太阳电池带来过大的影响，但如果把含有漏电缺陷的电池片做成组件，或者组件生产工艺中出现虚焊、破片、隐裂等，这些缺陷会成为载流子的复合中心，影响太阳电池载流子的收集，进而导致太阳电池转换效率的下降[2]。一旦组件在发电过程中被其他的物体(如鸟粪、阴影)长时间遮挡时，漏电缺陷的部位将会发热，产生热斑，严重时导致电池组件鼓包甚至烧毁。这不仅降低了光伏发电系统对外输出的能量，也非常影响光伏组件25年的使用保证。因此，研究各种缺陷组件在不同环境下的工作情况对组件的可靠性改进具有指导意义，也对组件质量的提升提供了参考信息。

在晶体硅太阳电池片的生产中，由于生产工艺等原因，难免会产生缺陷电池片。国内外对缺陷电池检测和分类做了大量的研究，但较少对缺陷电池进行系统地实验研究，特别是对于电池的缺陷严重程度比较，缺乏定量地评价。研究缺陷电池的性能，有助于改善组件的长期寿命，且为今后缺陷电池的检测与利用提供参考。

1实验方案设计

实验用电池片来源于厂家生产过程中收集的缺陷电池片，层压后制成实验样品。对大缺陷、黑边、碎片、隐裂、高晶界、虚焊、断栅等缺陷电池片接通反向电压，使其处于反向偏置状态，对比电池片的温度变化和电性能参数，通过电致发光(简称EL)检测电池片中肉眼不易发现的缺陷[3-4]。

实验分室内室外两个部分，室内实验测试了12V反偏电压下温度和漏电流，通过红外热成像仪拍摄电池片的温升。在室外实验的测试过程中，由于组件自身的热容较小，在辐照度和散热条件都较为稳定的情况下，组件温度能在较短时间内达到稳定。

2实验数据分析

2.1 12V反偏电压下的对比

图1是红外热成像仪拍摄的大缺陷电池片红外图像与EL测试图像对比。在室内温度为10℃进行实验，大电池片的反偏漏电流为0.830A，反偏漏电流是正常电池片的49倍，此时电池片的最高温度为40.4℃，电池片最大温差为30.4℃，达到稳定时需要15min。在31℃的室外测试时，反偏漏电流为0.99A，反偏漏电流值是正常值的4.74倍，最大温度为59.6℃，此时的最大温差为24.9℃，达到稳定需用时10min。

从表1中可以清楚地看到，无论是室外还是室内，在接通12V反向电压时，发热情况最严重的是大缺陷。然而，除大缺陷以外的其他缺陷电池能达到的最大温度与正常片相比，温差均不大。而且，从室外实验数据分析得知，部分缺陷电池能够达到的最大温度比正常片所能达到的最大温度更低，如隐裂电池片，室外的最大温度仅为32.1℃。

从表2各个电池的发热部位整理来看，在12V的反偏电压情况下，对于隐裂严重的部位，电池片会发热严重。而对于其他缺陷电池片，发热部位较集中于电池片的边缘，与缺陷部位的联系不大。

温度的分布与漏电流有关，漏电流大的区域，发热情况会比其他地方严重[5]。因此，温度的趋势与漏电流大小有一定关系。而从漏电流大小和8块电池室内室外的实验数据对比可以看出，环境温度更高的室外漏电流更大。单从室内实验数据看，缺陷电池的漏电流要大于正常片的漏电流。从室外数据也能够发现，断栅、虚焊、碎片、隐裂、高晶界，这些缺陷电池的漏电流小于正常片。随着温度的升高，漏电流也随之升高，但对于不同的电池，漏电流随温度升高的具体趋势是无规律的[6]。

因此会出现缺陷电池漏电流反而小于正常片的情况。

2.2不同比例遮挡下的特性曲线

样品采用多晶硅太阳电池组件，组件由60片156mm×156mm电池制造而成。从组件的接线盒中导出引线，将单个电池片接入组件，并对该电池进行不同比例的遮挡。具体连接方式见图2(a)。对大缺陷、断栅、虚焊、隐裂、高晶界、黑边以及正常电池片进行实验，遮挡率从10%依次递增，用红外热成像仪记录单块电池片温度情况，万用表测量漏电流、反偏电压，并测出整个组件(共61片电池)的I-V、P-V曲线。

如表3、4所示，串联了隐裂、断栅、大缺陷的组件Vm在50%遮挡时突然减小，而串联正常片、高晶界、虚焊、黑边时，组件Vm的转折点在遮挡率为60%时。串联的电池片缺陷类型为隐裂、断栅、大缺陷时，组件在单个缺陷电池被遮挡50%时单个子串被旁通。缺陷类型为高晶界、虚焊、黑边时，组件在单个缺陷电池被遮挡60%时子串被旁路二极管旁通。

2.3不同反偏电压下电流变化与温度分布

当施加的反偏电压不断增加时，因为电池片缺陷种类的不同，温度分布也会有明显的差别，如图3所示。从图中可以看出，随着反偏电压的提升，黑边缺陷电池片的温度分布变化：当反偏电压为11V时，温度差异不大；当反偏电压为13V时，电池边缘温度明显升高；当反偏电压为17V时，最高温度点出现在电池片的上部；当反偏电压为21V时，最高温度急剧升高。而根据拍摄的不同种缺陷电池的红外热成像图，发现最高温度在200℃附近，这时电池片被击穿，处于被导通的状态，电池片出现背板鼓包。

通过对比不同类型缺陷电池的实验结果，电池片易热斑失效的位置多集中于电池片的边缘或角落区域。由于电池片在制造时边缘p-n结刻蚀不均匀，残留的p-n结形成了漏电通道，在热斑发生时，这些区域发热明显[7]。

2.4EL图与缺陷电池的关系

图4(a)、(c)为多晶硅太阳电池EL图像，可以看到电池片表面发光强度不均匀，杂质原子在晶体中形成少数载流子的复合中心[8]，降低了少子寿命，电池片效率较低，在外加偏压下p-n结由于注入而产生的电子空穴对，辐射复合发光的几率变小，缺陷部位少子跃迁机率降低，使电致发光亮度减弱，在电致发光图像上以暗斑显示出来。

如图4(b)、(d)所示，反偏电压为20V时，这时电池片漏电流急速增大，造成雪崩击穿。通过对比图4，可以发现，红外热成像图中温度最高的点与EL图有清晰的对应关系(红圈位置)。实验的结果也表明电致发光检测技术能将电池中各种可能存在的缺陷检测出来，并具有非接触、快速、准确的优点[9]。

3结论

本文结合红外热成像技术和电致发光技术对8种类型的缺陷电池测试和研究，总结了缺陷对电池性能的影响及温升关系，并将缺陷处与热斑点对应。从结果来看，在12V的反偏电压下，各种缺陷的发热位置与缺陷位置无明显对应关系，且隐裂电池片的发热最小。当反偏电压提升时，发热部位与EL图中暗斑区域对应起来，区域越暗发热越明显。

蹇康，张臻，梁旭丹，钱茜，宁楚珺

河海大学机电工程学院

电源技术