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1、-1-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/28晶体硅旧组件性能与衰减晶体硅旧组件性能与衰减原因分析原因分析郑郑郑郑海海海海兴兴兴兴中山大学太阳能系中山大学太阳能系统统研究所研究所-2-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/28主要内容1.1.国内外研究状况国内外研究状况国内外研究状况国内外研究状况2.2.中山大学太阳能研究所所做工作中山大学太阳能研究所所做工作中山大学太阳能研究所所做工作中山大学太阳能研究所所做工作3.3.总结总结总结
2、总结-3-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/281.国内外研究状况国内外研究状况 1.1 History of Module Qualification Test 早在70年代末，美国能源部通过国家可再生能源实验室（NREL）委托喷气推进实验室（JPL）的加州技术研究所创造地面太阳能组件测试的标准。JPL被要求制订一套测试模拟组件的耐久性和可靠性。经过了几年时间，从Block I一直到Block V五个项目阶段（JPL的测试设计的最新版本，这些都在JPL的详细5101162号文件里），JPL终于成功研究制定了“
3、太阳能电池模组的设计和测试规范住宅应用1981”，完成了太阳能电池模组的经典结构设计和可靠性测试方案。JPL开发的试验设计后来也已被世界各地的各种组织修改了多次。最终，欧洲共同委员会（CEC）和国际欧洲共同委员会（IEC）的根据资格测试更新认定了JPL完成的工作。-4-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/281.2 History of module warranty period 由JPL实验发展的加速试验以及与欧洲CEC发展的加速试验最后形成了IEC61215所规定的一系列的实验及程序。加速试验可以预测光伏组
4、件会出现的缺陷及失效形式，但是并无法保证光伏组件的寿命。-5-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/281.3早期户外的调查与研究-6-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/28 早期的光伏系统由于光伏组件及封装材料可靠性的影响光伏组件性能衰减较大，但是这为光伏组件在户外的失效现象及机理的研究提供了大量的数据。-7-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/28
5、1.4国外系统性的研究20年的户外老化的研究-圣地亚国家实验室、佛罗里达太阳能中心以为暴露的户外的光伏组件来对比，组件典型的衰减机理如脱层、腐蚀、互联条失效对暴露户外20年的光伏组件 有所贡献。NBMM所用的组件每年平均的性能衰减仅有0.5%-8-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/28美国可再生能源实验室 美国可再生能源实验室的一项研究同样指出在户外老化多晶硅和单晶硅组件的性能会有平均每年0.7%的衰减，而导致Isc衰减的主要原因是由于硅电池表面及附近对紫外光的吸收 -9-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 In
6、stitute for Solar Energy Systems2022/12/28LEEE-TISO与ESTILEEE-TISO与ESTI联合开展关于10KW光伏系统失效的平均年限研究，并给出了一些现象的物理解释及于加速实验的时间关联性，研究发现98%的组件都变黄，而组件发黄对组件性能的影响甚微；封装材料有脱层，27%脱层是由于边框与电池产生连续通道造成的，然而绝缘测试并未发现组件的绝缘性能失效；组件边框密封不严；电池片破裂，但为对组件性能造成影响甚微-10-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/28 美国圣地亚
7、国家实验室 D.L.King,M.A.Quintana等同样也一些长期暴露于户外20年老化商业光伏组件的系统研究和分析，在研究分析过程中采用了一些新的程序及方法，例如封装玻璃的光谱透过率测试、光伏组件的抗冲击力测试、不同暴露年限EVA透过率的测试、EVA的力学性能测试、串联电阻的测试，光伏组件暗特性的测试、光伏组件的IR测试、焊带与电池主栅处的金相分析，通过这些测试以及长期数据监测表明，光伏组件的寿命可能超过30年或者更久 -11-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/28加入CeO的玻璃和快速固话的EVA封装的光
8、伏组件短路电流七年间几乎不变，长期监控下的户外光伏组短路电流逐年下降，功率衰减率为-0.4%-12-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/28European Commission,DG Joint Research Centre,Institute for Environment and Sustainability,Renewable Energies Unit 2004年，Ewan D.Dunlop和David Halton同样也对一批在户外使用了22年的光伏组件进行了电性能测试，发现只有12个组件电性能下降
9、超过10%，3个组件下降超过20%，通过与加速试验的对比，Ewan D.Dunlop和David Halton认为光伏组件的典型寿命应该超过20年-13-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/28加速试验造成的功率衰减-14-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/282009年Artur Skoczed、Tony Sample和Ewan D.Dunlop同样对一批户外老化的晶体硅组件做了一些性能测试,这些组件其中53个来自于20个不同的
10、厂家，采用不同的技术不同的封装材料和全部生产与19821986。根据现在厂家的10年最大功率衰减10%，25年最大功率衰减20%的标准，这些组件仅有17.6%的组件不能通过，超过65.7%的组件超过了这个标准，测试还发现开路情况下性能损失最小，其次是并网系统，独立系统性能下降最大；采用硅胶封装的光伏组件的性能衰减要小于EVA和PVB，硅胶有更好的可靠性和耐候性；独立系统的组件更容易失效，这与流过组件的电流大小有关-15-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/28甘肃自然能源研究所 甘肃自然能源研究所曾经对一个10K
11、W的运行了23年的京瓷光伏组件做了测试 分析，发现23年这些组件平均电性能损失仅有6%，平均每年仅损失2.6%损失率，这批光伏组件可以使用三十年以上-16-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/283.3.中山大学太阳能研究所所做部分工作中山大学太阳能研究所所做部分工作中山大学太阳能研究所所做部分工作中山大学太阳能研究所所做部分工作3.1 外观检查 177块多晶硅组件外观检查统计Table3 Visual detection of 177 polysilicon PV module项目占组件总数的比例（%）备备注注
12、开裂、弯曲、不平整或损伤的外表面29.8背面材料开裂破碎的单体电池29.8背面材料开裂破碎的单体电池0.4有裂纹的单体电池23.2可能是隐裂接线盒内部生锈1.2密封材料时效21.4Eva起泡在组件的边框和电池之间形成连续通道的气泡或脱层导致绝缘电阻下降输出引线问题1.5旁路二极管失效旁路二极管失效1.0指二极管缺失-17-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/283.2光伏组件电性能的测试也表征表1 177快多晶硅组件性能的原始参数Table1 original parameter of 177 polysilic
13、on PV modules项目Pmpp/WImpp/AVmpp/VIsc/AVoc/VFF原始值42.62.8215.13.0220.80.68表2 50块单晶硅组件原标称性能参数Table2 original electrical performance of 50 monocrystal silicon PV module项目Pmpp/WImpp/AVmpp/VIsc/AVoc/VFF原始值673.9616.94.4821.40.7-18-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/28表4 多晶硅组件电性能参数的平
14、均值与原参数的相对值Table4 Average value and relative value of polysilicon PV parameters项目Pm/WIm/AVm/VIsc/AVoc/VFF平均值39.72.5015.92.820.30.7相对值（%）93.988.7105.292.197.5103.9-19-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/28单晶硅组件的平均电性能Table5 Average value and relative value of monocrystal silicon
15、PV parameters项目Pm/WIm/AVm/VIsc/AVoc/VFF平均值53.73.6214.554.220.20.62相对值（%）80.191.486.193.894.488.6-20-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/283.3封装材料光学性能和材料性能的测量350nm800nm波段透过率下降明显，这一波段是晶体硅电池量子响应的最佳段，封转材料发黄封装材料的光学性能下降时造成组件短路电流下降的主要原因-21-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy
16、Systems2022/12/28虽然这批组件经过了23年的户外运行，但是多晶硅组件的平均每年的功率衰减仅有0.26%，单晶硅的平均每年功率的衰减有0.8%，然而综合考虑各种因素，晶体硅组件的寿命要高于20年，而多晶硅组件由于衰减较少，要高于单晶硅组件的寿命。-22-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/28总结总结虽然晶体硅光伏组件已经出现有50多年，但是关于晶体硅组件的具体寿命及其性能衰减的各种机制并未完全了解，然而随着技术不断的进步和发展晶体硅光伏组件达到超过25年及30年都是可能的-23-太阳能系统研究所太阳能系统研究所 Institute for Solar Energy Systems2022/12/28光伏组件的寿命如何通过加速试验表征？电池表面pn结的损伤污染程度对光伏组件的老化与失效的影响？封装材料光学性能的衰退对光伏组件性能影响的程度？后续研究后续研究