135
涂伟伟1,2 孙广川1,2 李显光1,2 李骁捷1,2 高青云1,2 毛志慧1,2 赵文静1,2
（1.内蒙古自治区产品质量检验研究院；2.国家并网光伏发电系统质量监督检验中心（内蒙古）筹建）
摘 要：采用便携式电致发光EL检测仪，对内蒙古典型地区部分常规运行并网光伏电站的晶硅光伏组件进行现场检测。检测结果给出，光伏组件存在的问题较多，如断栅、隐裂、黑片等缺陷。针对问题组件测试其I-V特性，对其组件功率衰降率、填充因子、内部串并联电阻等参数进行对比，分析缺陷成因。此项研究对于并网光伏电站的良性运行及制定光伏电站组件现场检测地方标准具有重要价值和实际意义。关键词：光伏电站，组件现场检测，电致发光（EL），伏安特性（I-V），光伏组件缺陷DOI编码：10.3969/j.issn.1674-5698.2021.01.026 Analysis on the Field Testing of Electroluminescence and Voltage Current Characteristic of Modules in Photovoltaic Power Station
TU Wei-wei 1,2 SUN Guang-chuan 1,2 LI Xian-guang 1,2 LI Xiao-jie 1,2
GAO Qing-yun 1,2 MAO Zhi-hui 1,2 ZHAO Wen-jing 1,2
旋转座椅
（1.The Inner Mongolia Autonomous Region Institute of Product Quality Inspection;
2. National Grid-connected PV Power Generation System Quality Supervision and Inspection Center (Inner Mongolia)）
Abstract: In typical areas of Inner Mongolia, a portable electroluminescent device is used to detect the silicon photovoltaic modules of grid-connected power stations. From the EL image detection result, there are many problems existing in the photovoltaic modules, such as broken gate, cracked and black pieces. Targeting at its I-V characteristics, this paper compares the parameters of power decline rate, filling factor, internal series parallel resistance and analyzes the defect formation. This research is of great value and practical significance for the benign operation of grid-connected photovoltaic power stations.
Keywords: photovoltaic power station, field testing of modules, electroluminescence（EL）, voltage current characteristic（I-V）, photovoltaic module defect
基金项目：本文由内蒙古科技重大专项“内蒙古新能源标准体系研究”项目资助。作者简介：涂伟伟，硕士，工程师，研究方向为光伏电站质量现场检测及研究，从事新能源标准制修订工作。
1 引 言
本世纪以来，晶硅光伏电池及组件生产和商业使用得到迅速发展。特别是2015年以后，光伏产业 生产技术日新月异，使光伏电池及组件的质量不断得到改善，光伏组件的应用也得到飞速发展，光伏组件的质量保证也由5年提高到了如今的25年[1]。光伏组件在电站运行过程中，随着使用年限增加以及
受到周围环境影响，如太阳光暴晒、高低温变化、湿热、湿冻和动态机械载荷等因素，特别是在组件的运输和安装过程中，易使光伏组件中的电池片产生隐裂、碎片、背板划伤等缺陷。对于光伏组件来讲，任何一种缺陷都会不同程度地影响组件的发电功率和使用寿命。因大部分光伏组件自安装，电站并网验收后，一般无特殊情况不会对组件进行二次性能检测。随着并网电站运营时间的推移，都将直接或间接地带来安全隐患和效益损失[2]。构成光伏组件的电池片，其内部缺陷几乎无法用肉眼观察到。所以，组件在运输和安装造成的内部隐裂、电池片及材料存在的缺陷不能被及时发现，组件的质量势必会不断地变差，最终将严重缩短光伏组件的使用寿命。
电致发光（electroluminescent，EL），是通过加在两电极的电压产生电场，被电场激发的电子碰击发光中心，而引致电子在能级间的跃迁、变化、复合导致发光的一种物理现象。硅的禁带宽度Eg = 1.12 eV，硅电池加正向偏压后，注入1.0-1.5倍Isc大小的电流，电池就会发出1000-1100nm的红外光。当晶体硅外加电压，PN结处于正偏，激发的载流子复合后发光[3]。EL测试的图像亮度与电池片的少子寿命、电流密度成正比，电池中有缺陷的地方，少子扩散长度较低，从而显示出来的图像亮度较暗。
利用EL检测方法，可检测晶体硅电池及组件中常见的隐性缺陷，可精准清楚地观察到光伏组件存在何种缺陷。此外，通过光伏组件伏安特性（I-V）测试技术可测定并计算出光伏组件功率大小、衰降率大小等。将电致发光EL检测和I-V特性测试两者结合可精确判断光伏组件发电效率变化的原因。
本研究是内蒙古科技重大专项“内蒙古新能源标准体系研究”中的部分工作，主要对内蒙古部分地区运行一年以上的光伏电站进行组件性能现场检测及地方标准的制定。通过对测试结果进行分析，研究光伏电池不同缺陷对组件质量产生的影响[4]。
2 现场检测
本项研究相关的检测都是在正常运行的并网光伏电站现场进行。本文侧重于对组件进行EL和I-V 特性测试结果的分析，其他相关的检测不做赘述。2.1 检测设备
（1）EL检测仪
便携式EL检测仪（LX-Z200，莱克斯公司，中国苏州），设备包括近红外相机（工业级CMOS，2476万像素）、移动电源（电压0-60V可调，电流0-10A可调，精度±1%）、支架、安装有控制系统软件的平板等。
（2）组件的I-V特性测试
便携式组件I-V测试仪（SIVT-200，乐利士，台湾，电压电流精确度：±0.1%FS），包括kipp&zonen SMP11数位式辐照计（0-4000W/m2）、ALL-Real参考电池片、T型热电偶（-50~100℃/±1℃）。
2.2 检测条件
（1）EL测试条件
夜间无自然光源，环境温度及湿度符合设备使用条件。组件测试条参考电流为单晶5-6A，多晶6-8A。
断开待检测组件与其他组件的连接。
（2）I-V特性测试条件
日间自然光源，辐照度≥700W/m2，环境温度及湿度符合设备使用条件。检测前，需断开待检测组件与其他组件的连接，断开与其他设备的连接。
（3）I-V特性计算依据
对光伏电池组件进行I-V（电流-电压）特性测试结果进行计算，以下给出计算公式及依据。
1）光伏组件各参数修正依据IEC60891-2009中公式4（如下公式1）和公式5（如下公式2），其中曲
线修正因子和串联电阻忽略不计[5]。
计算公式：
（1）
（2）I1，I2—实测和修正电流值（A）；V1，V2—实测和修正电压值（V）；
T1，T2—实测和修正样品温度（℃）；G1，G2—实测和修正标准辐照度（W/m2）；
V OC1—实测开路电压（V）；αrel，βrel—相对电流温度系数（A/℃），相对电压温度系数（V/℃）；
Rs’—内部串联电阻（Ω）；k’—曲线修正因子
136
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（Ω/K）；a--差值常数，常取0.06。
2）组件的功率衰降率
功率衰降率 =（组件铭牌标称功率-修正到标准测试条件下组件最大功率）/组件铭牌标称功率×100%锰矿选矿方法
3）衰降限值计算依据
根据2013年或2018年，工业和信息化部发布的《光伏制造行业规范条件》中关于单/多晶硅光伏衰降率计算。
2013年：单/多晶硅电池组件衰降率在2年内分别不高于4.2%和3.2%，25年内不高于20%。
2018年：单/多晶硅电池组件衰降率在首年分别不高于3.0%和2.5%，后续每年不高于0.7%，25年内
不高于20%。2.3 监控设施的安置
将辐照度计（kipp&zonen SMP11）和参考电池片（All-Real3a），放置在与待测组件相平行的位置上，保证待测组件、辐照度计和参考电池片无遮挡。温度传感器要固定在组件背板上，距离接线盒大于10cm，用黑胶带粘贴使其紧密接触。
3 结果与讨论
3.1 测试结果
图1为检测出部分问题光伏组件的EL图片。由图1可见，检测出问题主要有：电池片的黑边、
图1 组件检测主要缺陷的EL图片
黑芯、组件高低效片混档、黑片、断栅、隐裂、碎片和划痕等。
分析缺陷EL图片，大致可分为3类：（1）制作电池原始材料的缺陷；（2）电池工艺制作过程中引入的缺陷；（3）运输、安装及维护过程操作不当造成的缺陷。
3.2 结果分析
3.2.1 电池原始材料制作产生的缺陷
图1中的（a）黑边电池、（b）黑芯电池、（c）黑片电池3种情况，主要产生于单晶硅拉制和多晶硅铸锭去边等制作过程。
（1）黑边电池
即电池片的边缘颜发黑，如图1（a）所示。在检测中发现，2015年以前生产的电池，出现此类问题较多。产生的主要原因是原始单晶硅棒或多晶硅锭切割时，未能将边缘完全切除，硅材料受到坩埚的污染，产生大量复合中心，造成电池片的EL图片出现黑边。此区域存在大量的杂质、缺陷的聚集形成复合中心造成少数载流子的复合。在EL检测过程外加正向偏压无法激发出载流子，使此区域图像发暗 发黑[6]。相关研究给出，有的黑边宽度超过电池片宽度的1/3，这对组件的性能影响很大。表面铁杂质聚集是造成组件EL图像黑边的根本原因[7-8]。
对相应的问题组件进行I-V特性测试，经修正得出组件填充因子下降3.8%，功率衰降超出允许衰降限值3.7%，参见表1。
（2）黑芯电池
即EL检测时，组件中出现单晶电池片出现中心到边缘是逐渐变亮的同心圆，常称为黑芯片，参见图1（b）。这与拉制单晶硅棒过程中工艺条件有关，出现此类缺陷的电池片，经过长时间运行会造成电池片的热击穿[9]。对相应的组件进行I-V特性测试，经过修正得出组件填充因子下降2.3%，衰降率为15.0%，超出允许衰降限值6.6%，参见表1。
（3）黑片电池
即EL检测时，组件中某些电池片亮度明显低于其他电池片，参见图1（c）。此种问题产生原因可能有几种，如组件焊接过程中造成部分短路、混入低效电池片和低质量硅片材料等原因[10]。
对此问题组件进行I-V特性测试，经修正得出组件填充因子下降6.7%，衰降率为18.94%，严重超出允许衰降限值10.5%。其中，组件的并联电阻Rsh=160.4Ω。可见，黑片电池可导致组件的并联电阻、填
充因子和功率大大减小，严重影响组件的发电量和使用寿命。
由上讨论可知，出现黑边、黑芯和黑片电池的组件，衰降率均超出运行期衰降限值，且组件衰降率递增，相应的电压和电流均有不同程度衰减。对于光伏组件来说，光伏材料本身存在缺陷对光伏组件功率影响较大。
3.2.2 电池工艺制作过程中引入的缺陷
EL检出组件中电池片出现如断栅、黑斑、网纹印片等常是在电池工艺制作过程中不当操作引入。
（1）断栅
即电池片的金属电极栅线部分断开。此类问题大部分出现在2013-2015年以前建设的光伏电站。主要原因是由于当时电池片制作技术水平较低，在线EL检测电池片还没有使用，无法精确检测电极印
表1 电池本身材料缺陷I-V组件测试修正数据
图号缺陷
类型
数值
Voc（stc）
（V）
Vmax（stc）
（V）
Isc（stc）
（A）
Imax（stc）
（A）
FF（stc）
（%）
Pmax（stc）
（W）光伏组件检测
衰降限
值%
Rs（Ω）
Rsh（Ω）
a 黑边
电池
平均值36.35 28.75 8.72 8.01 72.7230.3
6.0
0.6
264标称值37.40 30.50 9.05 8.38 75.5 255.0
衰降率% 2.8 5.7 3.7 4.4 3.8 9.7
b 黑芯
电池
平均值35.95 28.85 8.57 7.96 74.5229.5
8.4
0.6
273.5标称值38.831.59.158.676.3 270
衰降率%7.38.4 6.4 7.5 2.3 15.0
c 黑片
电池
主板清洗液
平均值35.8627.868.577.8671.2218.86
8.4
0.6
160.4标称值38.831.59.158.676.3 270
衰降率%7.6 11.6 6.3 8.7 6.7 18.9
式中：Voc（stc）—开路电压 Vmax—最大工作电压 Isc（stc）—短路电流 FF—填充因子 Pmax-—最大功率 Rs—串联电阻 Rsh—并联电阻
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刷质量，随着电池的金属电极印刷技术不断改善和EL在线检测技术的出现，此类缺陷明显降低。
电池片出现少量的断栅，不足以明显影响电池的性能。但当电池片出现大面积的金属电极断开，就会使电池的收集电流能力变弱。若组件中出现多片大面积断栅电池片，就会导致其组件转化效率下降。如图1中（d）图所示的即为大面积电池片断栅，对该组件进行I-V特性测试，修正给出组件填充因子下
降3.9%，该组件的衰降率超出允许衰降限值2.4%。功率的下降主要表现为Isc和Imax下降明显，分别为4.5%和5.7%。
（2）黑斑电池片
黑斑，即电池表面出现脏污状黑斑块，如图1（e）所示为黑斑及网纹印电池片。一般是由于电池制作过程中电池表面不清洁、扩散不均匀等电池工艺中引起的缺陷。黑斑部分可形成复合中心，降低载流子的寿命，导致电池的质量变差。对组件进行I-V 特性测试，组件填充因子未下降，但衰降率超出允许衰降限值1.5%。
从图1（e）中还可看到电池片表面有网纹印或履带印，这种情况也叫烧结缺陷。此缺陷基本出现在2013年前并网的电站中。主要原因也是电池片制作技术水平较低，电池片的烧结工艺参数不佳或烧结设备缺陷导致[11]。
（3）电池片的混档组合
即将与组件大部分电池不同档次的若干电池片组装在一起。图1（f）EL图显示出低档电池片较暗。因组件中的电池片是串联连接，当低效片混入正常电池片的组件中，就会造成高档次的电池片在组件工作过程中不能充分发挥其发电能力，甚至引起组件发热。研究发现电池片的效率相差大于0.8%在EL图
像中就可以分辨出明暗情况[12]。组件的I-V测试给出填充因子未下降，未超出允许衰降限值，表明组件中少量高低效片组合，对组件发电的功率影响较小。
3.2.3 技术操作不当造成的缺陷
此类缺陷，主要表现为电池片隐裂、碎片和背板划伤等，是最常见的组件问题。因常规电池的原始硅片厚度约在180微米左右，在外力或热应力作用下易产生裂纹，特别是在运输、搬运安装和调节角度时，操作不当极易造成背板划伤及碎片。废渣4
（1）背板划伤
图1（g）是电池片划伤的EL图。即EL测试时，可观察到电池片表面出现明显的黑不规则粗划痕印。组件划伤形貌有多种，如团状、条状、线状等，缺陷产生原因较多[13]。
参照表3，对相应的组件进行IV特性测试计算出组件的填充因子未下降，衰降率仅超出允许衰降限值0.31%。说明如果出现少量此类缺陷，在一定时间范围内不会对组件的性能产生较大的影响，但随着年代的增加，环境影响会逐渐增加划痕的程度，增加对组件质量的影响。
（2）隐裂
即组件内电池片出现无法用肉眼看到的隐性裂痕，隐裂是光伏组件最常见的问题。本研究在检测过程中发现无论是早期或近期建的光伏电站，都出现程度不同的电池片隐裂。电池片出现隐裂的可能因素较多，可出现于组件生产、安装、运输及使用各个环节中。
因为晶硅组件都是用（100）晶向的晶体硅，EL
表2 电池工艺制作导致缺陷I-V测试修正数据
图号缺陷
类型
数值
Voc（stc）
（V）
Vmax（stc）
（V）
Isc（stc）
（A）
Imax（stc）
（A）
FF（stc）
（%）
Pmax（stc）
（W）
衰降
Rs（Ω）
Rsh（Ω）
d断栅
平均值36.7629.168.647.9172.6230.6
7.2
0.6
209.7标称值37.4030.509.058.3875.5255.0
衰降率% 1.7 4.4 4.5 5.7 3.99.6
e 网纹
印片
平均值43.3134.51 5.27 5.0977.0175.7
8.4/
定型布标称值45.5036.70 5.63 5.3176.1195.0
衰降率% 4.8 6.0 6.5 4.1-1.29.9
f 高低
效片
平均值37.6931.199.258.7278.1272.1
7.7
0.6
642.2标称值38.8031.709.719.1577.0290.0
衰降率% 2.9 1.6 4.8 4.7-1.4 6.2
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