光伏组件隐裂特性的研究进展(下)

■ 王欢 徐征 徐田帅 李文欣 赵谡玲

(1. 北京交通大学理学院太阳能研究所；2. 鉴衡认证中心；3. 北京交通大学发光与光信息技术教育部重点实验室)

3)隐裂组件对组串的功率影响。通常1个组串中串联约60个电池片，其中每20～22个电池片与旁路二极管并联。若1个组件产生功率损失，最大功率大幅减小，该组件因隐裂产生的功率损失比率，与整个组串的功率损失不等。当失效面积小于8%时，单个组件与组串的功率损失都很小，可忽略不计。但当失效面积超过8%时，组串和单个组件的功率损失都随着失效面积增大而升高，而且20个组件的组串功率失效比单个组件失效高[4]。

图10 组串上多个组件产生隐裂对组串发电量损失的仿真

隐裂会造成组件功率配比损失，损失的大小与隐裂的数量呈线性关系[4]。组件中没有隐裂的电池片比有隐裂的抗老化能力更强[21]。

实际测试隐裂对组件的衰减时，通常先进行IEC 61215-2005《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定性》10.16中的机械载荷测试，该测试可引入不同类型的裂纹；然后对组件进行IEC 61215中10.12加速老化湿冻测试，需经过6 h、200次循环；在测试后，采用EL测试对组件进行隐裂观察。

经过机械负载测试的组件功率衰减不明显，而在经过湿冻测试后，组件功率衰减明显加剧。一些区域在湿冻测试前，由于电阻升高，经低电流EL测试显示比周围颜色较暗；经过湿冻测试后，该区域EL测试图明显加深(变为黑色)，有的形成功率衰减区域，有的出现与电池片分离的裂片。老化测试对隐裂影响很大，需要对潜在因素和裂纹的发展趋势作更详细的分析，为可能的风险作出预判[22]。

图11 经过机械载荷测试与人工老化处理后的隐裂组件功率损失

参考IEC 61215-2005《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定性》及IEC 61730-2:2007《光伏组件安全鉴定的试验方法》，对有不同类型隐裂电池片的组件进行环境测试和安全测试。观察组件在测试前后的功率变化，结果见表1。

表1 各标准测试后测试结果表

从电学性能上看，比较明显的功率衰减有TC200、抗破损实验、热斑实验及TC50+。针对实验项目而言，机械载荷和抗破损实验后，隐裂更加严重，主要是因为组件直接受外力压迫或撞击，电池片产生新的隐裂，旧的隐裂也会扩大。其次，所处环境温变明显，电池片会不断收缩扩张，内部应力导致隐裂逐步扩大、变严重。热斑测试对隐裂的影响很小[23]。

3 隐裂的检测方法

根据目前标准测试的情况来看，光伏组件在施加负载时显示出相对较好的力学行为，其中负载标准严格参照IEC 61215/61646的IEC批准型测试和IEC 61730-2的安全测试。2011年，TÜV莱茵对这些测试进行了内部扩展实验，结果显示：一批数量为12000块的在认证程序中失败的c-Si组件(2005～2010年)，在机械载荷(ML)测试的失败率为12.6%。

在进行IEC批准型测试时，从10块组件中选取1块，在实际安装条件下对其进行ML测试(IEC 61215中10.16)。“该测试的目的是评估组件对风、雪、静负载或冰雪负载的抵抗能力”——这意味着总强度为2400 Pa(或5400 Pa)的外部环境机械应力垂直施加到组件表面上。目前，机械载荷测试是唯一能检测组件抵抗风、雪能力的测试程序，测试时，利用机械力产生张力或压力来进行模拟。

3.1 静态载荷测试

标准IEC 61215/61646规定，在进行机械载荷测试前，需在同一组件上进行温度85 ℃和相对湿度(RH)85%的湿热测试。评估组件质量的方法包括：比较测试前后的电能、隔离性能，以及检查任何可能由负载导致的主要可见缺陷。根据该定义，静态载荷测试(SML)用于模拟风、雪载荷。2400 Pa静态载荷作用于前表面，然后作用于后表面，最后在电池板前表面施加5400 Pa压力，用于模拟高强度载荷测试。因标准测试规定每一种负载都需持续施加3 h，总负载施加时间为6 h，而组件受力方向则每小时改变一次。

图12展示了受到绕y轴弯曲时，组件的张力和应力分布，顶部受到压应力，在底部受到拉应力，在底部封装材料受到的应力会传递到电池片中，与电池片本身的弯曲应力叠加，于是最大的拉应力出现在电池片底部，导致出现隐裂。图13展示了用铝边框封装、长边4个夹子的电池片，在5400 Pa压强条件下，底部受第一主应力的影响。

图12 光伏组件在压应力和拉应力围绕y轴时的剖面图

图13 标准铝边框封装电池板，在5400 Pa压强条件下，底部第一主应力分布图

为研究封装太阳电池的机械特性，首先模拟在x轴和y轴方向的机械载荷。图14展示了探究机械载荷的探究过程。将组件放在负载架上，压载装置按照阶梯状过程，逐渐对电池板增加压力，使电池片出现隐裂。分别将电池片栅线垂直、平行于负载架放置，用EL测试观察电池片情况[24]。

通过对单晶、多晶硅做多组测试，推算电池板产生隐裂发生的概率与施加应力大小的关系。结果如图15所示。

图14 定向机械载荷实验

图15 单晶硅和多晶硅形成裂纹的概率统计

3.2 动态载荷测试

在标准IEC 61215/61646中，规定对组件施加的压力应约等于速度为130 km/h的实际强风所产生的力。例如，欧洲标准EN 1991-1-4(用于计算风力对结构的作用)就指出，基本负载假设应该包括空气动力负载因素在内。组件受动态风力影响的例子包括：震动零件引起的爆破震动(由变化中的爆破导致)、涡流引起的横向震动(如驰震、颤动)，以及由降雨/风力引起的振动等。动态因素累积起来后将形成一种“准静态”过程，以至于由突发强风引起的共振摆动都会被此过程所掩盖。

目前最先进的光伏组件测试标准IEC 61215和IEC 61646，都只规定了静态机械负载测试，而对疲劳应力施加在电池、电池连接器或玻璃、框架之类刚性构件的研究则很少。至于振荡或交变力，实地中的动态(或热)机械负载对组件所提出的要求要比静态负载高许多。由于组件需进行实地安装，附加负载可能会引起内部机械应力，而应力可能来自于电气接头或黏合剂，或与电池或连接器单一材料的持久性、疲劳开裂有关。此外，对于由表面刺激引起的频率范围在12～35 Hz之间的组件振动，已通过施加交变风力的方法对其进行测试，不过会引起1.5～3.6 mm的较小偏移[25]。

IEEE 1262提出的动态载荷测试(DML)，1440 Pa压力作用下每3 s循环一次，共循环10000次。BP solar在STC环境测试箱中测试发现，组件功率因隐裂产生的损失高达20%[2]。PI Berlin结合SML、DML和湿热测试(672 h 85 ℃/85%RH)做出观察，发现晶硅组件的裂纹扩展与组件的弯曲曲率关系最大，而不是循环次数。动态测试的压强大小只有静态测试的一半，动态测试循环10000次才与静态测试循环3次造成的效果一样。

动态测试的高循环次数会引起焊接连接处分离或与铜线断裂。这两种材料的塑性变形在塑性范围之外，且不像晶硅材料在收到张应力时易碎[25]。

4 对电池片及组件的裂纹探测

电池片及组件的隐裂无法通过肉眼直接看到，需要专门的仪器进行检测。目前探测晶体硅组件、电池片缺陷的方法主要用电致发光(EL)测试，该方法不仅可探测组件隐裂，还可探测到黑斑、黑心、裂片及焊接缺陷等问题，是目前组件生产及电站测试常用的方法。除了对组件成品进行隐裂探测，还要在硅片进入生产线之前，对生产线上的电池片进行严格检测。为了保证产品质量，隐裂探测需尽可能准确地发现电池片缺陷，需对细小裂纹引起警惕，因为裂纹会在各生产环节引起不同程度的扩展[26]。若误把坏片(EI)漏过，在后续生产过程中，会引起裂纹扩展甚至导致裂片。对电池片隐裂的检测方法，有电致发光(EL)测试、电子散斑干涉法(ESPI)、光致发光(PI)测试、超声波共振(RUV)。

4.1 EL测试

EL用来测试晶体硅太阳电池片及组件存在的裂纹。其原理是利用太阳电池外加正向偏压，势垒区内建电场减弱，原载流子平衡被打破，发生载流子扩散，注入大量非平衡载流子。太阳电池依靠从扩散区注入的大量非平衡载流子不断复合发光，放出光子；利用红外检测方法，通过CCD近红外相机检测电池片上的缺陷[27]。

EL测试的图像亮度与电池片的少子寿命(或少子扩散长度)和电流密度成正比。太阳电池中有缺陷的地方，少子扩散长度较低，从而显示出图像亮度较暗。通过EL测试图像的分析可清晰地发现太阳电池及组件存在的隐性缺陷，这些缺陷包括：硅材料缺陷、扩散缺陷、印刷缺陷、烧结缺陷，以及组件封装过程中的裂纹等。

4.2 电子散斑干涉

电子散斑干涉可用来快速探测电池片的隐裂纹[9]。其原理是利用加热固定边缘的电池片时发生的热变形，测量在不同温度下电池片应力分布变形的变化。该方法可探测EL测试探测不到的细小裂纹。用电子散斑干涉法探测电池片时，检测图像为与样品同心的明暗相间的条纹。在没有缺陷的区域，产生形状规则的干涉条纹；有缺陷的区域发生热形变后，该区域的应力会重新分布，因而观察到的条纹图形与无缺陷区域明显不同，如切线方向条纹不连续或同心多边形，用CCD拍下干涉图像进行分析。因此，ESPI可用于检测温度梯度大导致的裂纹扩展[28]。

图16 156 mm×156 mm×0.2 mm多晶硅太阳电池的EL图和ESPI图(裂纹长30 mm)

4.3 光致发光探测隐裂

太阳电池的缺陷往往限制其光电转换、效率和使用寿命。光致发光可快速通过少子寿命变化进行硅片检测，其原理是利用光致发光原理获取晶体硅的荧光照片，且具有高分辨率，用以探测硅片的粗糙面及破损情况。晶体硅吸收外界的光子，产生非平衡少数载流子，一部分载流子复合发光。用CCD相机可得到太阳电池的辐射复合分布图像。这种光强分布反映出非平衡少数载流子的数目分布，裂痕和缺陷处表现为较低的光致发光强度[29]。相比于EL测试需要接触样品才能进行测试，PL测试不接触样品，因此可对生产多晶硅电池片中各生产过程进行监测[10]。PL图像测试的原理是利用少子寿命的变化进行测试[30]。

目前类稳态光致发光技术(QSS PL)是有效分析硅片及电池片的工具，对电池片氮化及磷化后、氮化未经磷化、丝网印刷等生产过程进行分析[31]。新南威尔士大学Trupk等在QSS-PL测试中利用光导桥整合2 cm × 2 cm的硅探测器，810 nm LED作为激发光源，用分光镜和硅探测器测量相对输出强度，PL图像用CCD相机捕获[31]。PL测试的好处在于成像像素高，不受少数载流子复合、DRM效应和温度变化影响[32]。

图17 1倍太阳光强下，利用PL技术检测出的硅片裂纹图[33]

4.4 超声波共振

RUV技术专门为在线非破坏性裂纹检测而开发。其方法基于硅片超声波纵向振动，将外置压电转换器(20～90 kHz)与高灵敏超声波探测器和计算机数据采集系统连接，裂纹硅片与同质无裂纹硅片的共振频率响应曲线进行对比，检测是否有偏离[34]。

有裂纹的晶硅片RUV测试结果显示，裂纹的RUV峰值陡升，峰值带宽扩大。峰值与带宽越大，说明裂纹的长度越长。

RUV与其他检测方法不同之处在于，其他检测采用视觉观察或光学成像方法，因此对细小裂纹检测的灵敏度更高。

(3)相关手续、权责不清楚。在存货模式中，物流等监管其中角色重要。但是法律上的职责界定存在模糊。具体职责确定，风险、收益等的情况。现实中存在监管企业承担了过大的风险，但是收益过低的情况。造成一种不匹配情景。

5 隐裂的形成原因

在制作过程中，黑斑、网纹、斑点多是在电池片制造过程中或更早形成的，在可靠性实验下基本稳定，不会明显扩展、增加。而裂纹、裂片、断栅在可靠性实验后会扩大，甚至新增。交叉的裂纹在外力或温度的影响下，较易形成裂片。对生产过程中产生的隐裂进行统计分析，对各环节进行系统对比研究，除电池片本身厚度较薄及面积越来越大的行业发展趋势外，生产中电池片的焊接、层压、搬运、抖动、反转及包装运输等，均存在较强的隐裂风险。

5.1 制作硅片

随着光伏产业制造的硅片越来越薄、越来越大，硅片出现了高破损率的问题[35]。一般用于生产硅片的方法主要有切割法和生长带硅法。硅片裂纹的出现主要在处理和传送时发生。用晶片位移测量与有限元分析，可研究晶片在处理和传送过程中的破裂分析。

受处理和传送时夹子和橡胶圈对硅片产生的拉应力，硅片易破裂。晶片在处理过程中收到的断裂应力与裂纹长度的开方成反比。裂纹扩展主要受拉应力大小、裂纹的形状和大小，以及材料的断裂韧性Kc[36]因素的影响。

5.2 丝网印刷、烧结

丝网印刷过程中印刷过厚，刮刀由于安装不当或压力过大，增大电池片机械负载，导致产生隐裂甚至是裂片。

另外，在丝网印刷过程中，烧结时的温度极高，导致在冷却时弹性应力增大而产生弯曲。由于硅和Al背板的热膨胀系数不同，电池片弯曲是生产过程中存在的普遍问题。电池片持续弯曲会造成隐裂扩展，不管是多晶硅还是单晶硅电池片，裂纹在深度方向上扩展到硅层和铝背板的接触面终止，因为Al-Si共熔层有较高的断裂韧性[14]。

5.3 焊接

随着硅片厚度不断减薄和电池面积不断增大的趋势，焊接过程造成的电池碎片或隐裂是影响组件可靠性的主要因素。焊接过程中，除了电池片本身的质量因素外，影响焊接效果的主要因素有：焊接温度、助焊剂的选择、焊带焊料的选择、操作者的操作规范等，一定的助焊剂和焊料都对应着相适应的最优焊接温度。

另外，在IEC 61215中10.11的热循环测试中，焊带会因为本身的热学膨胀系数出现变形，从而导致疲劳裂纹。

5.3.1 焊接温度

在单焊和串焊中，焊接的温度直接影响光伏组件的焊接质量。电池片放置在焊接面板上操作，焊接面板一般维持在约50 ℃，起传热和使电池片受热均匀的作用，避免局部受热。焊接过程中，由于烙铁温度较高，对电池片形成一定温差，有热的冲击。如果焊接温度偏低，一方面焊面上氧化层不易除去，形成虚焊；焊接温度偏高，又会使电池片由于热应力而产生变形，导致隐裂和碎片的产生。

5.3.2 助焊剂

在晶体硅太阳电池焊接过程中，助焊剂的使用影响到焊接的质量，而且直接影响到后续层压工艺的效果。在整个焊接过程中，助焊剂主要起到以下几个作用：助焊剂通过自身的活性物质在高温下作用，去除焊接材质表面的氧化层，同时使锡液及被焊材质之间的表面张力减小，增强锡液流动和浸润的性能；同时通过助焊剂本身在基体中移动，将热传递到基体，并且有时还能保护被焊材质在焊接完成前不再氧化。其中最主要的是去除氧化物和降低被焊接材质表面张力。若助焊剂不能有效降低材质表面张力，易导致隐裂出现[37]。

而对于焊接完好的组件，在热循环测试中同样会遇到隐裂产生的问题。也就是说，EL测试并不能看出一些潜在的隐裂纹。在热循环测试中，在铜和银之间的焊接处物(62Sn36Pb2Ag)由于热膨胀系数与硅片不匹配，在温度变化差异较大的情况下，在银电极与焊接处出现疲劳裂纹，增加组件的串联电阻，导致整个组件的功率衰减。观察SEM图像焊接处的横截面，可看到温度变化差异越大，产生的裂纹越严重[38]。

图18 不同温度热循环后横截面的隐裂SEM图

5.4 层压

层压工艺主要是针对用来封装光伏组件的透明胶体的特性设计的，其主要目的是使EVA实现最优程度的固化，并防止移位和气泡的产生，使各层物质严密的压合在一起。在传统的真空层压过程中，电池要承受1个标准大气压的压力(即101 kPa)。太阳电池层压板各区域变形情况存在极大差异性，一般层压造成的裂纹电池组件占总实验比例的0.9%[39]。

层压的厚度与应力有一定关系，层压的EVA越厚，可减少层压的卷曲。层压的温度也会影响受到的应力，高温下玻璃和硅片之间的薄层受到的应力减小。层压后，由于硅、金属粘合剂和铜的CTE不同，连接处会收到较大应力，此处易产生裂纹[15]。

5.5 搬运中造成的隐裂

通过隐裂统计，发现在生产过程中应避免搬运和抖动，以减少玻璃自重引起的形变，对减少组件隐裂有至关重要的影响。

当人工搬运层压后的组件到冷却台时，组件产生弯曲，中间部位受重力作用向下弯曲。在水平方向搬运过程中，组件上、下抖动的幅度较大，且规格越大的组件，弯曲程度越厉害。这种情况下，位于组件中间部位的电池片弯曲的幅度较严重，易引起隐裂。

5.6 后清洗和测试过程产生的隐裂

在清洗和测试环节，组件存在被反转的步骤。在反转过程中，组件有振动现象，可能引起电池片与组件共振，从而导致电池片隐裂[40]。

6 隐裂的解决方案

6.1 生产阶段中的控制手段

6.1.1 层压

可伸缩的硅胶板将层压机壳体隔开而形成上室和下室，层压盘内部有加热装置，热量通过层压盘传递给组件。层压机的作用就是在真空条件下对EVA进行加热加压，实现对EVA的固化，达到对太阳电池密封的目的。为防止隐裂产生，将层压工艺改为分段式层压，降低组件的受力强度，可提高组件的合格率。需优化层压温度、抽真空时间、加压大小，以及层压时间。

加压的强度不能太大，否则会导致电池片被压碎；而加压太小会使EVA固化后的紧密度影响很小，无法去除残存气泡，EVA与背板、EVA与玻璃之间的粘合力较小。调整加压时机可避免压力突变对电池的冲击影响，分布进行压力释放，太阳电池裂纹的比例由0.9%降到0.3%[39]。

6.1.2 层压后的组件搬运方法

将层压件从层压机抬出的过程中，受力点应在两个长边上，减少组件弯曲的幅度；同时对于未打框组件短距离的搬运，不能以水平方向进行搬运，必须把组件竖起；在翻转过程中，组件平稳置于操作台上。

由于组件规格越来越大，可考虑在组件背面的中间位置加横档来增加载荷强度，以减少大面积组件中间区域的形变[40]。

6.2 运输中的控制手段

为了减少电池片隐裂现象的发生，在电池片运输、传递过程中应注意避免不当的外力介入，也应注意储存环境温度变化较大的地区的使用。

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