1、 I 中山大学硕士学位论文 晶体硅 太阳 电池封装损失与组件性能衰退 分析 II 摘要 自从贝尔实验室发明晶体硅太阳电池 以 来，晶体硅太阳电池已经发展成为迄今为止最为成熟的较低成本的太阳电池。太阳电池经过封转后才可以稳定 地 、可靠 地 提供电力 ，所以一直 以 来人们都很关心太阳电池的封装，尤其是晶体硅太阳电池封装，通过不断的实验、测试寻找更为可靠的工艺、材料来提高光伏组件的性能和可靠性、耐候性。 同时，对于太阳能电站中晶体硅组件长期运行后实际性能的变化也是光伏业界相当关心的问题。本文正是围绕这两个业界关注的 问题，展开了研究分析。 首先，为了进一步提高晶体硅太阳电池封装后的性能，本文测试
2、分析了晶体硅太阳电池封装损失的原因，特别分析了高效选择性发射极（ SE）晶体硅太阳电池的封装损失及前期衰减，为普通晶体硅电池和 SE 高效电池封装性能的改进提供了途径和方法。然后，通过对 177 块已经连续使用 23 年的晶体硅光伏组件进行了详尽的测试、诊断、分析，得到了这批长期运行组件一系列的第一手宝贵的数据、现象和资料，得出了这批光伏组件性能变化的宝贵结果和结论，同时探讨了光伏组件性能衰退的原因。 本论文 主要内容 分成 五 章： 第一章是引言， 主要是提出了提高光伏组件的封装的性能的途径， 以 现有的测试光伏组件性能的两个标准 和光伏厂商保证的年限的发展历史，引入光伏组件的寿命 ，通过
3、调查国内外关于光伏组件性能 衰退 的现象及原因， 引出本文研究的问题和意义。 第二章对 封装材料的以及封装材料光学匹配性的研究 。 测试了不同的封装材料如 :玻璃、 EVA、背板等的光学性能的，调查了封装满足的一些测试标准，最后通过封装材料的匹配性给出了不同入射角下太阳电池接收的能量比。 第三章 对太阳电池封装损失的研究 。焊接和层压是太阳电池封装成组件的关键工序，通过对焊接过程和层压过程对电 池组串的测试和分析，发现了导致组件性能损失的根本来源，并给出了各个工序造成的损失或收益比例，通过单片的组件的测试分析了不同制绒工艺、不同透过率的玻璃对封装的影响，最后通过理论模型给出了焊接造成损失的一个
4、较为准确的计算方法。 III 第四章 对 SE 晶体硅太阳电池组件的封装和初期衰减的研究，分析了不同制绒方式的 SE 晶体硅单片组件的封装特性。通过室外的暴晒对 SE 根据接收的不同的能量来进行性能的测试分析， 分析了 SE 组件的衰减特性，最后通过 100小时 120， 20 小时 95 、 95%湿度，最加速老化做了性能分析。 第五章 主要是 对一批使用 23 年的 晶体硅 光伏组件的测试和分析。通过对组件的外观检查和电性能 测，分析 了这批光伏组件老化的原因和 衰退程度，并对测试的不确定性做了一个简要的分析，并根据不同的老化现象，给出了故障检测的一些方法和研究。 关键词： 晶体硅组件；封
5、装损失；长期运行；性能衰减 IV Analysis on the power loss of encapsulation for silicon solar cells and the degradation of PV modules Major: Engineering Thermophysics Name:Zheng Haixing Supervisor:Shu Bifen ABSTRACT Since silicon solar cell was invented by the Bell Laboratory, it has becme the most acceptable and
6、relatively lower-cost among solar cells family. Only after solar cells were tabbed into strings and encapsulated, can they generate electricity stably and reliably, so the encapsulation of solar cells, especially that of the silicon so lar cells is always an important technical procedure in photovol
7、taic manufacturing process. And the key question is to find more effective materials and technologies to improve the stability, reliability and durability of photovoltaic modules (PV modules) via experiment, test. At the mean time, the influence of encapsulation to the silicone PV module performance
8、 is also a focus in Photovoltaic Industry. This paper has studied the two questions mentioned above. Above all, in order to improve the performance of PV modules after the solar cells are encapsulated, this paper tests and analyzes the reason of power loss in solar cells encapsulation, especially an
9、alyzes selective emitter solar cells encapsulated power loss and initial degradation. It also presents methods to improve the encapsulation performance for common silicon solar cells and SE high efficiency. Afterwards, by testing, diagnosing, analyzing 177 PV modules which have been exposed on field
10、 for 23 years, a series of precious, firsthand materials, data, degradation phenomenon was collected, the performance of these PV modules, the V test results for performance degradation of these PV modules as well as the reason of it were also provided. The main content of this paper was divided int
11、o five chapters. The first chapter is introduction. It mainly presents ways of improving the PV modules encapsulation. And it brings the concept about the lifespan of PV modules by introducing two standard test procedures and the history of PV modules warrantys development. Through investigating PV
12、modules degradation phenomenon at home and abroad, it brings the questions and meaning of this paper. The second chapter mainly studies on the optical property of encapsulation materials. It not only introduces a series of optics property of encapsulation materials: glass， EVA, back sheet, etc, but
13、also investigates some test requirements for encapsulation materials. At last, it simulates the received power of a single solar cell module at difference incidence angles. The third chapter studies on the power loss in the encapsulation, soldering and lamination which are key working procedures in
14、solar cells encapsulation. The cause of power loss in encapsulation is investigated by measurement and analysis of strings of solar cells in the process of soldering and lamination. And it also presents rates of power loss and gain in every working procedure. It analyzes encapsulation performance us
15、ing different texture solar cells and different transmittance EVA, glass. At last, it presents a relatively precise calculation method to evaluate the power loss caused by soldering. The fourth chapter is the study on SE silicon PV module encapsulation and degradation and analyzes different texture
16、SE solar cells encapsulation performance. According to the quantity of receiving energy exposed outdoor, the degradation characteristic was analyzed, at last after a nonstandard accelerated test 80 hours at 120， 20 hours 95 ,95% RH. The performance degradation was also analyzed. The fifth chapter is
17、 mainly about measurement and analysis of a set of silicon PV modules having experienced long-term operation-23 years exposed on field. The reasons and the degree of degradation are presented by analyzing the visual defects and the test results of electricity performance. Furthermore, an analysis ab
18、out the VI uncertainty on measurement and some methods and studies on the failure checking according to aged modules failure phenomenon are also presented. Keywords： Silicon PV modules; Power loss; Long-term operation; Performance degradation VII 目录 摘要 . II ABSTRACT . IV 目录 .VII 第一章 引言 . 1 1.1 研究背景
19、. 1 1.2 研究现状 及进展 . 3 1.3 研究内容和意义 . 10 第二章 太阳电池的封装材料及特性 . 12 2.1 常见的封装材料及封装工艺 . 12 2.2 典型封装材料的封装的组件的计算模拟 . 18 2.3 小结 . 22 第三章 光伏组件的封装损失 . 23 3.1 太阳电池电流大小对封装损失的影响 . 23 3.2 焊接对封装损失的影响 . 27 3.3 技术改进的途径 . 35 3.4 小结 . 36 第四章 SE 单片电池的封装损失及性能衰减 . 37 4.1 SE 太阳电池技术及特性 . 37 4.2 电性能的测试及封装 . 38 4.3 光致衰减的影响 . 39
20、4.4 非标准加速老化试验 . 45 4.5 小结 . 46 第五章 长期户外工作组件的性能测试分析及组件故障诊断 . 47 5.1 组件性能测试及外观检查 . 47 5.2 导致组件老化及性能衰减的原因分析 . 56 5.3 故障分析 . 58 VIII 5.4 小结 . 61 第六章 总结 . 62 参考文献 . 63 攻读硕士学位期间发表的论文及专利情况 . 67 致谢 . 68 中山大学硕士学位论文 1 第一章 引言 1.1 研究背景 1.1.1 太阳电池基本原理 在温室效应日趋明显、石化能源日益减少、环境污染日益突出的背景下，人类日趋注重低碳环保及可再生能源的利用。光伏技术正是一种直
21、接利用太阳能转化为电能的技术，由于它环保、可再生、清洁日趋受到人们的追捧，光伏行业尤其是以晶体硅光伏技术为基础的光伏产业得到了巨大的发展。 太阳电池组件或光伏组件的是光伏技术应用的核心组成部件，它是由具有一定排列规律的太阳电池通过焊接进行串联或者并联，然后与封装材料通过一定封装工艺形成的满足一定电性能参数的 电源模块。太阳电池是光伏组件的核心部分，它是一种把光能直接转化为电能的半导体器件。而晶体硅太阳电池是目前应用最广的一类太阳电池，其 典型的 基本结构如图 1-1 所示。从图 1-1 中可以看出，晶体硅太阳电池实际是一个大面积二极管。一般状况下，太阳光入射到太阳电池表面后，能量高于硅材料禁带
22、宽度的光子可以激发一对电子 -空穴对。电子和空穴在随后的迁移过程中可能通过复合而消失，也可能在 p-n 结内建电场的作用下被分离，电子聚集在 n 型区域，而空穴聚集在 p 型区域。这样，p-n 结两端便形成了一定的电势差。这一现象称作光生伏特效应，它 是太阳电池的基本工作原理 1。分别在 p-n 结两端制作电极，便可以利用上述电势差驱动外电路上的负载。 n-typee-h+e-h+lightp-typemetal contactantirefle ct iv elaye rAg g ridp-n juct ion图 1- 1 太阳电池原理示意图 晶体硅太阳电池封装损失与组件性能衰退的分析 2
23、1.1.2 光伏行业发展现状 光伏技术作为一种极具有前景的能源利用技术最近几年得到了突飞猛进的发展， 2010 年，受到德国光伏补贴下降的刺激及意大利光伏电站的强劲需求，光伏组件需求量及安装量出现井喷状况， 根据 Solarbuzz 的年度光伏市场报告显示， 2010 年全球太阳能光 伏市场安装量达到创纪录的 18.2GW，比 2009 年增长139%。 2010 年，市场规模排名前五位的国家是德国、意大利、捷克、日本和美国，占全球需求的 80%。 2010 年欧洲市场占世界总需求的 81%，达 14.7GW。欧洲排名前三名的国家是德国、意大利和捷克，共计 12.9GW。 2010 年日本和美
24、国市场分别增长了 101%和 96%。总体来说，超过 100 个国家为去年全球光伏需求飙升做出了贡献 2。 图 1- 2 2010 年全球光伏需求份额 2 2010 年全球太阳能电池产量达 20.5GW， 2009 年为 9.86GW，其中薄膜电池的产量占 13.5%。中国大陆和台湾的生产商继续抢占份额，目前占全球电池产量的 59%，去年为 49%。 2010 年排名并列第一的 光伏组件和太阳 电池制造商分别是 是尚德电力和晶澳太阳能，紧随其后的是 First Solar 2 ,晶体硅光伏技术依然占据了大部分市场份额。 同时 2010 年光伏行业技术也得到了一定的进步，2010 年 6 月 4 日， NREL 证实 Sunpower 生产的背接触电池的效率达到了24.2%3； Q-cell 的多晶硅高效光伏组件效率达到了 17.84%，刷新了世界纪录4；晶 澳 的单晶硅晶 新技术 “ SECIUM” 电池试产平均效率达到了 18.9%5，多
