晶体硅光伏组件蚯蚓纹现象浅谈

江苏辉伦太阳能科技有限公司 ■ 孙建华 姜卫 杨建城 王丽芹

一 引言

近年来，随着蚯蚓纹现象的逐渐大面积发生，全世界范围内的光伏产业面临各方的质疑而无法提供合理的解释，继而关于该现象研究的文章不断涌现，受到了整个光伏组件产业链的广泛关注。组件制造商、组件原材料供应商甚至终端用户都在积极寻找这一现象产生的原因、对光伏组件性能的影响以及如何预防该现象的方法。关于蚯蚓纹现象的产生机理众说纷纭，电池片、EVA、背板等主要原材料都被逐一探讨。本文着重分析蚯蚓纹对组件性能的影响，以及可能导致蚯蚓纹现象发生的条件。

蚯蚓纹并不是真正由蚯蚓造成的，它是一种化学反应后产生的一种细小、变色的条纹。通过EL(Electro Luminescence)检测发现，蚯蚓纹并非随机产生，它通常会沿着电池片的隐裂纹出现，同时也会出现在电池片主栅线和边缘的副栅线处。蚯蚓纹呈棕色，因与电池片细栅线的银白色色差加大，所以蚯蚓纹看起来较显眼。

据权威杂志报道，蚯蚓纹现象在2004年首次被发现，在过去的三年里，该现象开始频繁地发生。据多数光伏组件制造商和安装商反映，在单晶硅和多晶硅组件上均发现蚯蚓纹现象，所以蚯蚓纹现象并非特定的电池片或组件造成的。

二 不同实验方法对蚯蚓纹的影响

1 长期户外使用对蚯蚓纹组件的影响

面对光伏组件上如此频繁出现的蚯蚓纹，组件制造商和系统运营商都在思考：蚯蚓纹是否会影响光伏组件的输出功率。我们针对户外应用的组件进行功率追踪，在光伏组件其他主要材料相同的前提下，选取两年内出现蚯蚓纹现象的156mm×156mm多晶硅组件和正常的156mm×156mm多晶硅组件各10件进行数据统计。图1为出现蚯蚓纹现象的组件以及正常组件的功率衰减分布图。

根据图1的数据统计，使用一年左右，正常组件最大衰减为2.85%，平均衰减为0.77%，蚯蚓纹的最大衰减为2.85%，平均衰减为0.61%；使用两年左右，正常组件最大衰减为2.97%，平均衰减为2.25%，蚯蚓纹的最大衰减为2.99%，平均衰减为2.58%。

图1 户外组件功率衰减

2 环境实验对蚯蚓纹组件的影响

在光伏组件其他主要材料相同的前提下，选取蚯蚓纹156mm×156mm多晶硅组件和正常156mm×156mm多晶硅组件各10件，依据IEC 61215：2005[1]进行热循环试验、湿冻试验和湿热试验验证，以探讨环境对蚯蚓纹组件的影响。

(1)热循环试验验证

试验验证过程中，将试验次数由标准的200次循环增加至400次循环。试验后，蚯蚓纹组件的蚯蚓纹未出现扩大现象，正常组件未出现蚯蚓纹现象。

(2)湿冻试验验证

试验验证过程中，将试验次数由标准的10次循环增加至40次循环。试验后，蚯蚓纹组件的蚯蚓纹未出现扩大现象，正常组件也未出现蚯蚓纹现象。

(3)湿热试验验证

试验验证过程中，将试验时间由标准的1000h增加至2000h。试验后，蚯蚓纹组件的蚯蚓纹未出现扩大现象，正常组件未出现蚯蚓纹现象。

根据热循环试验、湿冻试验和湿热试验的验证结果可知，组件均未出现蚯蚓纹现象，即单一的测试条件无法重现蚯蚓纹现象。

3 蚯蚓纹现象与原材料的关系

对户外使用的组件进行统计并汇总，按照电池片、EVA以及背板三种可能导致蚯蚓纹现象的主要材料进行分类。

(1)蚯蚓纹与电池片的关联性统计

目前统计的组件中，涉及的电池片为A、B和C三个厂商。表1为根据电池片进行分类。

表1 组件依据电池片分类的信息

(2)蚯蚓纹与EVA的关联性统计

目前统计的组件中，涉及的EVA均为一个厂商的一种型号的EVA。因为EVA产品的单一性，所以蚯蚓纹与EVA之间不存在关联性。

(3)蚯蚓纹与背板的关联性统计

目前统计的组件中，涉及的背板为1#、2#和3#三个厂商。表2为根据电池片进行分类。

表2 组件依据背板分类的信息

根据统计数据显示，1#背板的组件从安装到发生蚯蚓纹的时间为4～5个月；2#背板的组件从安装到发生蚯蚓纹的时间为11～12个月；3#背板的组件从安装到发生蚯蚓纹的时间为11～12个月。

4 户外极端条件对蚯蚓纹现象的影响

依据以上得出的单一测试条件无法重现蚯蚓纹现象的结论，笔者推测蚯蚓纹可能是温度、湿度、电流和太阳光照综合作用的产物，并针对这一推论制定了户外综合条件验证计划：在高温、高湿条件下，对组件进行通电和曝晒处理，观察蚯蚓纹现象。

(1)户外极端条件验证

在光伏组件其他主要材料相同的前提下，选取1#、2#和3#背板各两件进行验证。拆除其旁路二极管后，与多件组件串联，进行曝晒。在组件的背面放置海绵，正面放置钢化玻璃。试验过程中，对组件背面的海绵进行注水，以增加湿气；隐裂组件的上表面覆盖钢化玻璃，使其发生热斑，且降低组件上表面的热交换速率，以提高组件的温度。组件户外验证的情况详见表3。

当1#背板的两件组件在累计辐照量分别达到14kWh/m2和18kWh/m2时，电池片出现了明显的蚯蚓纹现象。根据试验结果可知：蚯蚓纹的出现与组件使用的背板确实存在一定关系。

表3 组件户外试验信息

(2)背板特性与蚯蚓纹关系分析

背板个体的差异导致了组件出现蚯蚓纹比例的差异和出现时间长短的差异，到底是背板的何种性能导致这些差异的存在呢？对户外应用组件进行检查时，发现一件1#背板的组件出现蚯蚓纹现象，如图2所示，EL图显示该处并没有电池片隐裂，但蚯蚓纹处的背板存在划痕，如图3所示。背板存在划痕，会导致水汽较易渗入组件。水汽在一定条件下，可能诱使组件表面产生蚯蚓纹。

图2 组件蚯蚓纹

图3 组件背板划痕

业内针对蚯蚓纹现象也提出一种假设：组件在背板渗入的水或水蒸气的影响下，引起了隐裂位置的电气阻抗产生热量，令EVA胶膜中的物质溶解。这些物质其后成为沉积在电池表面的残留物，形成了蚯蚓纹。

实际应用组件和现象的假说均认为水汽对组件产生蚯蚓纹现象有影响。是否背板的透水率大小对组件产生蚯蚓纹现象有影响呢？

图4为目前市面上的主流背板的透水率分布，其中前3种为本文中涉及的1#、2#和3#背板。

图4中，1#背板的透水率明显高于其他背板，透水率较大，则单位面积、单位时间内渗入到组件内部的水汽越多，组件发生蚯蚓纹现象的概率越大。

图4 不同背板透水率

结合以上数据可得出以下结论：背板透水率越高，组件产生蚯蚓纹的概率越大，产生蚯蚓纹的时间就越短；背板的透水率差异可能与组件产生蚯蚓纹的比例和时间的长短存在一定关系，背板透水率高会加速该现象形成。

三 数学分析方法分析

本文针对统计的数据进行数理分析，使用了方差分析和卡方检验两种分析工具。

1 方差分析

方差分析法是指将所获得的数据按某些项目分类后，再分析各组数据之间有无差异的方法。下列为针对上文中蚯蚓纹现象的156mm×156mm多晶硅组件和正常的156mm×156mm多晶硅组件户外使用两年的功率衰减的差异分析。图5为方差分析的计算和残差图。

图5 功率衰减方差分析

设定置信度为95%，即当P＜0.05时，认为两者的功衰减存在差异。数据分析：P=0.894＞0.5，因此判定，蚯蚓纹现象的156mm×156mm多晶硅组件和正常的156mm×156mm多晶硅组件的功率衰减水准无差异。

针对125mm×125mm单晶硅和156mm×156mm单晶硅的组件也进行了功率追踪分析。结果显示，组件的功率衰减不存在差异。由此可见，蚯蚓纹组件在户外使用，未对组件输出功率产生影响。

2 卡方检验

卡方分析是用来研究两个定类变量间是否独立即是否存在某种关联性的最常用的方法。下列为针对第二章第小三节中电池片以及背板与蚯蚓纹现象关联性进行验证。

(1)蚯蚓纹与电池片的关联性验证(图6)

图6

分析：当P＜0.05时，认为两者存在关联性关系。经卡方分析后得到P=0.352＞0.05，因此判定，蚯蚓纹现象的发生与不同厂商的电池片之间不存在关联性。

(2)蚯蚓纹与背板的关联性验证(图7)

图7

分析：当P＜0.05时，认为两者存在关联性关系。经卡方分析后得到P=0.000＜0.05，因此判定，蚯蚓纹现象的发生与不同厂商的背板之间存在关联性。

结合上文中对组件的蚯蚓纹现象时间的统计，由此可见，蚯蚓纹现象出现的时间与背板存在一定关系。

根据以上的数据分析，可以得出以下结论：(1)蚯蚓纹组件在户外使用，未对组件输出功率产生影响。(2)蚯蚓纹现象的发生与不同厂商的电池片之间不存在关联性。(3)蚯蚓纹现象的发生与不同厂商的背板之间存在关联性。

四 总结

针对本文进行的研究和试验验证得出以下结论：

(1)蚯蚓纹对组件早期的功率衰减无明显影响。

(2)单纯的环境试验不会产生蚯蚓纹。

(3)水汽渗透是形成蚯蚓纹的一个重要原因，背板透水率高会加速该现象形成。

[1] IEC 61215eda：2005，Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV)modules -Design qualification and type approval [S].日内瓦：国际电工委员会, 2005.