光伏组件反向通电的电流响应特性及其可靠性测试

刘文俊，郑佳楠，张放心，刘 文，夏小健，程 野

(1.中国科学技术大学先进技术研究院，合肥 230000；2.通威太阳能(合肥)有限公司，合肥 230000)

0 引言

在光伏组件的出厂品控检测过程中，通常会利用电致发光(EL)原理对光伏组件反向通电，在这一过程中太阳电池会不断发出近红外光谱，近红外光谱会被CCD 相机捕捉到，从而测定光伏组件是否存在隐裂、瑕疵。这一过程即为EL 检测过程。

EL 的基本原理为：在平衡的p-n 结中，存在着具有一定宽度和势垒高度的势垒区，并相应出现了内建电场，每一种载流子的扩散电流和漂移电流互相抵消；但当给太阳电池进行反向通电时，势垒高度会降低，势垒区内建电场会相应减弱，此时继续发生载流子的扩散，即电子由n 区注入到p 区，同时空穴由p 区注入到n 区，这些注入p 区的电子和注入n 区的空穴都是非平衡少数载流子，其会不断与多数载流子复合而发光[1]。

本征硅的带隙约为1.12 eV，据此可以计算出晶体硅太阳电池的带间直接辐射复合光谱的峰值在1150 nm 附近，所以EL 检测的光谱属于近红外光[2]。而对太阳电池反向通电时其发出的也是近红外光，由于近红外光具有加热能力，随着近红外光的不断辐射，将带动太阳电池周围相同频率的微粒共振，进而增大原子或分子的活动幅度，从而使太阳电池温度增加。理论上，对太阳电池反向通电不但可以加热电池，还可以向外界辐射热量。图1 为反向通电时太阳电池发出的光谱[3]。

冬季的积雪覆盖光伏组件表面后，会造成光伏组件发电量下降，这属于常见现象[4-6]。通常的除雪手段包括人工扫雪、撒盐除雪、机器除雪等，此外，还有一种新的除雪方式，即对光伏组件进行通电，使光伏组件成为发热负载，从而达到除雪的目的[7]；崔凌闯等[8]研究了积雪厚度对光伏组件自加热除雪性能的影响。刘恩科等[9]指出半导体材料功耗大可能会导致p-n 结的失效和击穿，也有人指出p-n 结的发热会降低其寿命[10]。本文通过对光伏组件进行不同电流的反向通电，探究了在通电过程中光伏组件的温升和功率衰减等情况。

1 不同反向通电电流下光伏组件的发热能力

1.1 实验方法

随机选取4 块275 Wp、版型为60 片太阳电池的光伏组件作为实验组件，将实验组件在封闭的环境内恒温静置24 h 后，用测温枪测试实验组件玻璃面的温度；然后分别对其反向通2、4、8、12 A 电流1 h，并记录4 块组件玻璃面温度在反向通电1 h 内的变化情况。实验组件的出厂信息如表1 所示。

表1 实验组件的出厂标定参数Table 1 Manufacturer calibration parameters of experimental PV module

实验中采用恒压源进行测试，因此整个实验过程对实验组件输入的电压保持不变；整个测试环境处于密闭状态，主要是为了尽可能减少外界对实验环境的影响；温度测试均由同一人进行测试；在4 块实验组件玻璃面上均取9 个点测试温度，上部3 个点、中部3 个点，下部3个点，以减少组件的差异影响。9 个测温点的选取方法如图2 所示。

1.2 数据分析

不同反向通电电流下4 块实验组件的输入电压和输入功率情况如表2 所示。

表2 不同反向通电电流时组件的输入电压和输入功率Table 2 Input voltage and input power of PV modules at different reverse power currents

由表2 可知，4 块实验组件的反向通电电流分别为2、4、8、12 A 时，对应的输入电压分别是31、33、37、 41 V，电流与所对应的输入电压的变化规律明显不是呈线性关系，这是由于太阳电池本质上是p-n 结，因此此种变化规律比较符合p-n 结的I-V特性曲线，具体如图3 所示。图中，UBR为反向击穿电压。

在环境温度为22 ℃时，对4 块实验组件分别反向通2、4、8、12 A 电流1 h 后，取实验组件表面9 个测温点的温度平均值作为实验组件表面温度。1 h 内不同反向通电电流时实验组件表面温度的变化情况如图4 所示。

通常情况下，光伏组件的输入功率越大，组件的温升越快、越明显。由图4 可知，反向通电一段时间后，实验组件表面的温度逐渐趋于稳定，反向通2、4、8、12 A 电流1 h 后，实验组件表面的温度与其通电前相比分别约升高了3、7、11、16 ℃。

理论情况下，光伏组件输入功率和光伏组件表面温度之间存在直接关系，二者关系可表示为：

式中，Pheat为光伏组件的输入功率，W；Poutput为恒压源输出功率，W；Ploss为其他材料造成的功率损失，包括线缆损失、接线盒损失、电池损失和其他损失，W；TPV为光伏组件表面温度，℃；Ta为环境温度，℃；ρPV-a为光伏组件与环境之间的热阻，℃/W。

不同反向通电强度下，通电后实验组件的表面温度与其通电前的表面温度的温差变化曲线如图5 所示。由图5 可知，随着通电时间的累积，通电后的前几分钟，实验组件的表面温度与其通电前的差值较大，温差变化幅度较为明显；之后，二者的温差变化幅度逐渐减小，且趋于稳定；其中，在12 A 的反向通电强度下，二者的温差最大值达16.2 ℃；另外，反向通电电流越大，实验组件的表面温度上升速度越快。

在不同通电强度下连续通电1 h 后，4 块实验组件表面的上部、中部和下部的温度也发生了变化，具体的温度变化曲线如图6 所示。

由图6 可知，随着通电时间增长，实验组件表面上部的温度略高于下部的。这是由于实验环境是密闭空间，随着时间增长，空气中的热量不断积累，热空气向上移动，实验组件上部所处的环境温度相对较高，导致组件上部的温度会比下部的略高。此外，光伏组件的接线盒位于组件上部，也可能会对组件温度造成影响，但笔者未对此进行深入探索。

测试结束时对4 块实验组件的反向通电电流进行复测，具体如表3 所示。从表中数据可以看出，实验结束时组件反向通电电流都会比实验开始时通入的电流略高。

表3 实验前、后组件的电流与电压情况Table 3 Current and voltage of PV modules before and after experiment

随着组件温度的提升，根据不同组件温度时p-n结的I-V特性曲线可以发现，相同反向偏压下，当组件温度升高后，反向通电电流会随组件温度的升高而增大，具体如图7 所示。这是因为实验采用恒压源，所以才出现了电流增加的情况。随着组件温度的提升，组件的等效电阻将会变小，组件的输入功率将会有略微提升。

2 反向通电对光伏组件性能的影响

2.1 实验样品

本实验采用的光伏组件均依据通威太阳能(合肥)有限公司(下文简称“通威太阳能”)的封装工艺和技术要求生产。实验组件的标定功率均为275 Wp，型号为TW275PW-60，规格尺寸为1650 mm×992 mm×35 mm。实验组件的主要原材料信息如表4 所示。

2.2 实验方法

随机挑选4 块已经进行过室外曝晒的光伏组件，编号为1#～4#，并进行实验前的检验；将这4 块组件串联后的正极接外接电源的正极，负极接外接电源的负极，然后进行反向通电(见图8)，通电电流为6.67 A，通电时长为500 h，平均环境温度为23 ℃；实验后检验光伏组件是否出现缺陷。

表4 实验组件主要原材料清单Table 4 List of main raw materials of experimental PV modules

2.3 实验数据分析

对实验前、后的实验组件进行EL 测试，测试结果如表5 所示。

观察实验前、后组件的EL 图片可以发现，实验后组件无新增隐裂和黑片，且有部分组件经过反向通电后比通电前还要明亮，这说明这些组件的功率较实验前有些许提升。为了能更清楚地检查组件是否存在隐裂等瑕疵，虽然检测设备本身可以调整曝光度，进而调整组件的亮度，但按照一般企业的标准可以认为组件EL 检测未出现新瑕疵。

表5 实验前、后组件的EL 测试结果Table 5 EL test results of PV modules before and after experiment

在太阳辐照度1000 W/m2、环境温度25 ℃、大气质量AM1.5 的测试条件下，测试实验前、后4 块组件的I-V电性能情况，结果如表6 所示。

表6 实验前、后组件的I-V 测试结果Table 6 I-V test results of PV modules before and after experiment

由表6 可知，实验后，有2 块实验组件的最大功率出现了小幅下降，但下降幅度最高才0.02%；其余2 块实验组件的最大功率出现了上升，且升幅达0.31%，具体如表7 所示。

通过对实验组件反向通电500 h(通电电流为6.67 A)，未发现新的外观缺陷和组件EL 缺陷，且组件最大功率的变化范围均小于0.5%。

表7 实验前、后组件的最大功率变化Table 7 Change of maximum power of PV modules before and after experiment

根据表7 中的数据可知，反向通电对光伏组件最大功率的影响符合IEC 61215:2005《地面用晶体硅光伏组件——设计鉴定和定型》中规定的组件缺陷功率衰减范围(5%)[11]，但还需要进一步检验组件的干湿漏电、绝缘耐压，特别是接线盒相关性能是否受到损害。

3 结论

本文通过对光伏组件反向通2、4、8、12 A电流且连续通电1 h 后发现，不同电流强度下光伏组件玻璃表面的温度均会有所提升，并且电流越大，温升越快、越明显。由于实验是在密闭环境中进行，随着时间的推移，空气被加热后会对光伏组件表面的温升产生干扰；由于实验使用恒压源设备，即输出电压基本恒定，因此随着组件温度的升高，反向通电电流也会略微升高，这和不同组件温度时p-n 结的I-V特性曲线相呼应。对实验组件反向通电500 h(通电电流为6.67A)后，未发现组件有明显的外观瑕疵和功率损失，且2块组件的最大功率还略微上升，最大升幅为0.31%，变化幅度均在0.5%以内，符合相关规范的要求。

综上所述可知，短期对光伏组件反向通电，可以使光伏组件发热，且对光伏组件最大功率的影响较小。在高纬度地区，积雪对光伏组件的影响十分明显，相较于机械、人工等除雪方式，通过对光伏组件自身加热而进行除雪不仅可减少除雪成本，还可有效提升光伏组件发电量；此方式还可以应用在需要加热的光伏建筑一体化项目或需要给屋顶加热的项目中。