基于太阳能电池微裂纹的失效分析与光伏发电系统优化设计

陈毅湛，吴昊，邹鼎森，洪家琪，赵石凯，蒋天博，钟振华，袁建智，马国强，曾庆光

（五邑大学 应用物理与材料学院，广东 江门 529020）

目前，商用高效太阳能电池的光电转化效率可达 25%以上[1]. 除了太阳能电池的光电转换效率提高外，光伏发电系统的合理设计也是提升光伏发电系统的重要手段[2]，即太阳能电池效率的提升和光伏发电系统的优化布局可同步提升能源的转化效率[3]. 但是，太阳能光伏发电系统在运行过程中常出现多种问题. 如光伏组件由于阴影遮挡引起微裂纹、栅线断裂、串阻过大、积灰降低输出等[4]. 同时，由于单片光伏组件的面积越来越大，在拆解、运输组件程后进行集中检测容易造成光伏组件损坏，而现场检测即采用便携式光伏检测仪器可以有效减少这些问题的出现[5]. 本文将使用便携式I-V（伏安法）[6-8]和户外EL（电致发光）检测[7-10]对光伏组件的性能进行检测开展研究.

本文首先使用便携式光伏检测仪器对运行了多年典型的分布式屋顶发电系统进行检测，探究光伏发电组件失效的原因. 经分析，光伏组件失效主要由于阴影遮挡和搬运不当造成的，在太阳能电池表面形成的微裂纹[11-12]以及 PID（电势诱导衰减）损失[13]等. 鉴于此，本文采用半片及多主栅高效PERC（Passivated Emitter and Rear Cell，钝化发射极和背面太阳能电池）电池组件进行设计[14]，并优化光伏组件布局，减少阴影遮挡，从而减少微裂纹对光伏组件的影响. 本文采用光伏发电系统PVsyst＠软件模拟[15]进行优化设计，对光伏组件受热不均造成微裂纹产生，降低光伏系统发电效率的现象进行探究. 由于分布式光伏发电系统的正常工作寿命可以25 年以上，本文提出的优化设计方案将有效提升光伏发电系统的稳定和转化效率.

1 实验数据及分析

1.1 光伏发电系统的户外I-V 检测

本文对两个运行了多年的分布式屋顶光伏发电系统进行I-V 检测. 光伏发电系统1 号位于江门市，组件为常规组件，共20 个组件. 光伏系统组件参数如表1，组件排布方式如图1，组件A1-A10串联为第一组，B1-B10 串联为第二组，每个组件功率250 W，总功率5 kW. 两组以并联的方式相连接，接入逆变器，组件皆以正南15°倾角安装. 布局上，A1、A2、A3、A4、A5、A6 均靠近阳台围栏和植物，并且受旁边的花草灌木阴影遮挡影响.

图1 光伏发电系统1 号设计图

光伏发电系统2 号同样位于江门市，采用PERC 高效太阳能电池组件. 光伏发电系统组件参数如表 1，组件排布方式如图 2，组件 C1-C15 串联为第一组，D1-D15 串联为第二组，两组并联，共30 个组件，总功率9.15 kW. 两组以并联的方式相连接，接入逆变器，组件皆为正南15°倾角安装. 该系统为棚户式布局，周围没有遮挡物，但由于清洗组件时对系统组件的人为踩踏，使得 C1、C3、C9、C11、C13 和 D1、D3、D9、D11、D13 存在损坏.

表1 光伏发电系统组件参数

图2 光伏发电系统2 号设计图

上述太阳能光伏发电系统 I-V 检测其损耗值均在户外无阴影遮挡的条件下，用便携式 HT 的IV-415W 型户外测试仪进行检测. 如图 3 所示，光伏发电系统 1 号组件损耗值平均值为 13.5%，标准差为3.2%. 该系统的总功率为5 kW，但是年实际发电量只有5100 kW h· . 由于部分组件受阴影阻挡的影响严重，对整个系统形成错配损耗，所以发电量偏少.

图3 光伏发电系统1 号组件损耗值

光伏发电系统2 号的工作年限和光伏发电系统1 号一样运行了4 年，如图4 所示，光伏发电系统2 号的组件平均损耗值在15.0%，标准差为4.4%. 这是由于高效电池组件较常规电池组件随时间更容易降低发电效率.

图4 光伏发电系统2 号组件损耗值

通过观察，光伏发电系统2 号的中间部位组件损耗值较低，而前面和两侧组件的损耗值较高，是由于业主清洗维护时，人为踩踏使得系统两侧的组件损坏了. 该系统的总功率为9.15 kW，而年实际发电量有11500 kW h· . 尽管光伏发电系统2 号的组件损耗值较高，但是由于系统没受阴影遮挡的影响，错配损耗不明显，并且光伏发电系统的总功率较大，其发电功率稳定，年发电量较高.

通过表2 的对比可以知道，在组件损耗值所差无几的情况下，使用高效组件的光伏发电系统 2号比使用常规组件的光伏发电系统 1 号的年平均发电时间高 21.0%. 这和光伏发电系统的光伏组件布局、逆变器以及维护有关. 如图1 和图3 所示，光伏发电系统1 号的组件布局比较矮，容易受到四周的栏杆扶手和植物灌木的影响，从而影响发电效率. 光伏发电系统 2 号的组件布局高，周围栏杆和生活障碍物影响少，即全日基本上没有阴影阻挡. 所以除了微裂纹造成组件的损耗外，光伏发电系统空间布局的合理设计，也可以有效避免阴影遮挡造成系统的发电损失.

表2 光伏发电系统组件损耗值和发电量输出

1.2 光伏组件的微裂纹EL 检测

首先对光伏发电系统1 号的A1 号电池组件进行检测，如图5-a，可知电池板由60 块小组件组成，检测发现有13 块小组件出现裂纹，即是组件的五分之一失效，损耗值为17.94%，与微裂纹情况基本符合，可见组件 A1 的损耗值主要是由太阳能电池的微裂纹所导致的. 对光伏发电系统 1 号的组件A5 进行检测，结果如图5-b，组件A5 的损耗值为10.5%，而EL 检测中可以看到组件只有6小块产生了裂纹，因此该组件的损耗值主要是由太阳能电池的微裂纹所造成的.

图5 A1 组件和A5 组件（光伏系统1）微裂纹图

通过实测我们发现微裂纹严重影响着光伏组件的发电效率，裂纹越多，I-V 检测的 ocV 和 scI 下降就大. 因此，保证受热均匀及减少微裂纹是维护组件稳定的光电转换的必要条件.

2 实验结果分析

2.1 太阳能电池组件的失效分析

由于本文采用的太阳能电池组件由晶体硅组成，其自身的晶体结构决定了其易于产生微裂纹的特点. 经过实验发现，在光伏组件的日常使用中，由于温度的变化，如光伏发电系统 1 号靠近阳台围栏和植物灌木的组件，由于光伏组件布局不合理，特别是存在阴影遮挡，造成局部受热不均匀，经过多年的运行后，太阳能电池很容易产生明显的微裂纹.

其次，光伏发电系统因人工清洗组件时踩踏，很容易造成其内部产生微裂纹. 这将会导致内部栅线断裂，电流无法从完好的栅线传输到主栅线上，从而导致其内阻大大增加，电池片甚至会整片失效，使得组件的功率衰减，同样引起系统的错配损耗.

2.2 半片及多主栅太阳能电池组件及其模拟设计

相对传统单片PERC 组件，半片及多主栅PERC 组件具有更高的光电转化效率和稳定性. 这是由于半片电池的连接方式减少了 1/2 的内部电流和 1/4 的线路电阻，使半片组件的内阻大大减小，功率损耗减少了近3/4. 另一方面，半片的连接方式还能够减少阴影遮挡所带来的热斑风险. 多主栅技术增加组件的主栅线、缩短栅线的间隙，通过减少间距来缩短传输距离、增加组件的功率. 在多主栅组件出现同样裂纹的情况下，所影响到的组件面积远远小于常规组件，多主栅组件能够有效降低微裂纹的风险. 半片及多主栅太阳能电池组件能比常规PERC 组件的光电转化效率高2.5%[16].

本文分别利用天合光能的 TSM-305DC08.08(Ⅱ)单片及 PERC 电池（ 305 W ）和天合光能TSM-DE09 半片及多主栅 PERC 电池（405 W）两种组件设计棚户式光伏发电系统. 两个系统都位于江门市，气象资源相同，在相同的占地面积（250 m ）的条件下，单片PERC 电池可安装30 片组件，系统功率9.15 kW，而半片及多主栅PERC 电池可安装26 片组件，系统功率为10.53 kW.

如表3 所示，在相同的尺寸数量下，半片及多主栅高效组件比单片PERC 组件的发电效率要高.在同样的面积条件、远离栏杆和植物阴影的遮挡下，采用半片及多主栅高效组件的棚户式发电系统较常规单片PERC 组件光伏发电系统提高15%以上. 以上发电性能的提升来自于电池组件效率的提高，同时也是通过对光伏系统的合理设计得到的.

表3 太阳能电池组件电学性能参数及PVsyst＠模拟设计发电量输出

3 结论

本文使用便携式 I-V 和 EL 检测仪器对两个运行了数年的不同布局及不同性能组件的光伏发电系统进行了实地检测. 经检测发现，由于光伏发电系统受到阴影遮档或人为踩踏，导致微裂纹产生，明显降低了光伏发电系统的光电转化效率. 本文进一步研究发现，采用半片及多主栅技术的 PERC太阳能电池和光伏系统的优化布局设计，减少光伏发电系统的局部受热，可有效减少光伏组件微裂纹的产生. 通过PVsyst＠模拟软件对屋顶光伏发电系统的建模发现，采用高效半片及多主栅PERC 组件的棚户式光伏系统设计，可以有效减少微裂纹的产生，且该光伏发电系统的年发电量提高15%以上. 本文设计的光伏发电系统方案可有效降低局部受热，减少光伏组件的微裂纹，提高光伏发电系统的光电转化效率. 该设计方案可以提高分布式光伏系统稳定性和光电转化效率，对运行时间达25年以上的光伏发电系统尤为重要.