太阳电池组件老化机理与实验研究

本科生毕业论文题目：太阳电池组件老化机理与实验研究系（院）：物理与电子科学学院专业：新能源科学与工程学号：学生姓名：指导教师：论文字数：完成日期：物电学院毕业论文原创性声明本人郑重声明：呈交的毕业论文“太阳电池组件老化机理与实验研究”，是本人在指导教师何永泰教授的指导下进行研究工作所取得的成果。除文中已经引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究所做出帮助的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文作者签名：学位论文（设计）版权使用授权书本学位论文（设计）作者完全了解学校有关保留、使用学位论文（设计）的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权楚雄师范学院将本学位论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文（设计）。本学位论文（设计）属于保密¨，在__年解密后适用本授权书。不保密¨。学位论文（设计）作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日目录TOC\o"1-3"\h\u9647摘要 太阳电池组件老化机理与实验研究引言传统能源的消耗在不断增加，但是资源的储备却不断减少，传统能源已经不能满足人类发展的需要，现今，生态环境在进一步的恶化，开发清洁无污染的可再生能源已经成为了整个社会的共识。随着“双碳”战略的提出，发展能源绿色低碳变得十分重要，人类对绿色环保的新能源的需求在不断的扩大，截至2022年我国光伏新增装机87.41GW，实现了新的突破，同时，太阳电池组件的寿命的延长在一定程度上可以弥补电池效率的不足，从而催化有机太阳能电池的产业化。然而，在太阳能光伏快速发展的同时，一些太阳电池组件在使用的几年时间内就出现了表面及内部受到氧化和腐蚀、电池的性能逐步下降、电池片的栅线消失、EVA变黄等老化失效的情况。太阳电池组件的可靠性存在着较大的隐患，主要表现为两种形式，一种是非太阳能电池片部分的老化，如封装材料、互连材料、玻璃盖板等材料的老化或者损坏现象；另一种则是太阳能电池片部分的老化，如p-n结内的漏电现象、表面与界面处的缺陷增多等。其中，在太阳能发电领域，科研学者们始终面临着太阳电池组件的光电转换效率一直不能够令人满意，而且太阳电池组件使用的有机材料受到着光、热、氧、水的影响从而导致着器件老化使得太阳电池组件性能受到影响。近年来，国内外很多学者针对太阳能电池片老化，进行了大量的研究。例如：张增明等人对光伏组件封装EVA胶膜的湿热老化进行了研究，采用FT—IR法对湿热老化中的EVA进行测试和分析，实验结果表明，在湿热老化过程中，EVA发生了水解反应，产生乙酸，提高温度和相对湿度均会加快水解；EVA吸水率越高，越容易发生水解REF_Ref19700\r\h[1]。韩新月等人进行的加速老化试验对有机硅胶封装材料光学性质的影响REF_Ref19788\r\h[2]。JiangZhu等人研究了湿热暴露过程中太阳电池参数的变化REF_Ref19863\r\h[3]。DanWu等人研究湿热暴露对光伏微型组件界面粘结强度的影响，结果表明，在一定的湿热降解期内，光伏组件在湿热降解过程中所经历的累积应力与粘着强度的关系可以用指数函数通过湿度剂量的定义来模拟REF_Ref19909\r\h[4]。付明等人探究了晶体硅太阳能电池片老化的特性,实验表明单晶电池老化特性略优于多晶，且冷-热循环约40周后电池效率衰减基本稳定，湿热老化450-500h后电池效率衰减基本稳定REF_Ref19951\r\h[5]。本文就以太阳电池组件的老化机理进行了实验分析和探讨，针对光伏系统25年的寿命周期内不同阶段的研究进展，把太阳电池组件放入高低温交变湿热试验箱中，观察组件老化前后的电气特性，其性能退化的原因，以此有利于提升组件的使用寿命、材料性能和设备安全耐久性，太阳电池组件寿命的延长可以很好的弥补光电转换效率的不足，对于推动太阳光伏产业化具有重要的意义REF_Ref19997\r\h[6]，再通过观察自然老化，分析得出太阳电池组件的老化性能，对人类社会的经济发展作出重要的贡献。1.太阳电池组件老化及失效原理1.1太阳能电池组件老化原因太阳能电池组件结构如图1-1，太阳能电池常用的原材料和组件包括：太阳能电池、密封和包装材料、背板的材料、玻璃板、框架、接线盒等材料部件REF_Ref20046\r\h[7]。多数组件材料长时间的显露在大自然的环境之中，受到着太阳光、温度、水分和其他因素的影响，组件表面大多数就会表现出褪色、粗糙和太阳能电池组件的功能和性能的逐渐弱化，效率降低，直到最终失去了其使用的价值。图1-1太阳能电池组件结构1.1.1组件老化光伏组件的退化严重影响着其发电的能力，从而长期影响组件的可靠性和性能。“光伏退化”指的是随着时间的推移或者由于太阳能电池中的一些故障，导致光伏输出功率逐渐降低的机制，导致光伏退化的因素主要受当地环境条件、质量、安装类型等的影响，然而，主要的促成因素来自全球各地不同地区的当地环境条件REF_Ref22475\r\h[8]。光物理学是包含了对太阳电池组件的自然老化和实验室加速老化试验过程中的极大部分的电磁辐射的范围，其中涵盖了可见光的辐射、红外光的辐射和紫外光的辐射等，紫外线照射是降低太阳能组件性能的主要原因。太阳电池组件材料中的EVA在紫外线照射、高温和氧气的作用下，产生降解而发生老化，EVA在光热降解下受紫外线及热的影响最为显著，同时也会伴有聚合物的颜色的变化，从无色透明变为黄色或者褐色，从而导致太阳电池组件的功率会加速衰减，如图1-2，同时，EVA在光氧降解下会使得粘接性能变坏，EVA层可能出现脱层现象，导致空气或湿气从封装好的组件边缘渗入到组件的内部，使组件性能下降，进而组件使用寿命也逐步下降REF_Ref23445\r\h[9]。随着温度越高、紫外线辐照的时间越长，组件就会加速老化，老化随着时间的推移也会出现脱层，甚至组件失效。图1-2太阳电池片老化现象1.1.2组件封装老化太阳电池组件的腐蚀主要发生在组件内部、接线盒、铝边框上，光伏组件可以被定义为集成到封装中的单个太阳能电池的集合，该封装可以保护太阳电池片避免组件长时间受环境的影响，腐蚀是组件老化的一个主要方面，常常是物理，化学反应引起，如电池片、减反射涂层、焊条的腐蚀，EVA材料中的醋酸是老化实验中水解所产生副产品，醋酸的积累将会导致电极的化学腐蚀。并且组件要长时间生存在复杂环境之下，必须保护太阳能电池不受应力和效应引起的退化，比如材料的腐蚀（尤其金属腐蚀），风力、冰雹和安装造成的物理伤害，外部原件的损坏。太阳电池组件在使用过程中还会发生一些现象，如电池片炸裂、玻璃碎裂、热斑效应、汇流条发黄、电池片栅线消失等等。1.2太阳电池组件加速老化的重要性目前，太阳电池组件老化的常用的试验方法有两种，分别是自然老化和加速老化试验。自然老化试验是把组件暴露在严酷的环境之中，让自然环境中的阳光、水分、湿度等对组件直接作用以此来获取试验的结果，这样在实际环境的作用下就可以真实的反映出组件暴露在自然条件下的情况，因此，这样的直接曝晒的自然老化试验得出的试验结果与太阳电池组件在实际使用过程中产生的结果相比，它们之间的一致性和相关性较好。而加速老化试验是通过利用环境试验箱模拟自然条件下的光、水、温度对组件所产生的作用而得到的结果，在试验过程中试验条件是可以控制的，通过加强某一因素或几种因素来加快试验进程，就可以获取想要得到的效果，因此老化试验的重复性得到了保证。但是，如果我们直接将太阳能电池组件曝晒在世界上的所有气候之中是不现实的，所以在进行太阳电池老化实验研究的过程中必定要掌握好影响材料老化的主要因素，即光能、温度和湿度REF_Ref20176\r\h[10]。在太阳电池组件25年的寿命里它的功率会衰减多少，目前没有数据可以明确表示，建立太阳电池加速老化试验是符合当前太阳光伏市场的需要，同时也有利于国内太阳电池组件原材料和系统集成的技术的发展进步，以此促进市场健康有序发展。试验方法2.1标准太阳能电池组件的数据测量组件制作过程太阳能电池组件的制作过程主要是把单个的电池片通过串、并焊连接起来后，以便进行组件的封装，这样就可以避免电池片的表面和电极等被腐蚀，也可以避免电池片破碎裂开。太阳电池组件制作流程如图2-1，制作过程如图2-2。图2-1太阳电池组件制作流程图图2-2太阳电池组件制作过程图片太阳能电池的电气特性在环境温度为33℃、环境湿度为24.2％和总辐射为1055W/m2的测试条件下，利用太阳模拟发射器和太阳能电池板测试仪测量标准太阳能电池组件的电气特性，如开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子等，如表2-3，然后模拟出太阳能电池组件电流-电压的特性曲线，如图2-4。图2-5太阳模拟发射器和太阳能电池板测试仪。表2-3标准太阳能电池的电气特性参数标准组件Uoc（开路电压）1.29(V)Isc（短路电流）0.981(A)Pmax（最大输出功率）0.8124(W)FF（填充因子）0.641Umax（最大电压）1.026(V)Imax（最大电流）0.7919(A)图2-4太阳能电池组件电流-电压特性曲线图2-5太阳模拟发射器和太阳能电池板测试仪2.2湿热试验湿热试验是在GDJS-100B高低温交变湿热试验箱中的进行,将太阳电池组件样品放置于75℃,85%RH的恒温恒湿试验箱中,每湿热100h取出测试其电气特性。湿热试验可以用来评估太阳电池组件在高温、高湿环境下抗老化性能的有效方法，在组件的表面上施加大量水蒸汽，并将其驱动到了模块中去，使组件的背板发生分层和脆化，以及焊带、汇流条等内部的电气连接部分发生腐蚀，还可以观察到组件性能的退化，看其下降损失。 2.3太阳电池组件加速老化试验和分析2.3.1试验过程步骤1：把太阳能电池标准组件样品放入GDJS-100B高低温交变湿热试验箱中，并提前把电源打开及补充干净的水源在水箱之中，设置测试条件为温度75℃，湿度为85%。如图2-6高低温交变湿热试验箱。图2-6高低温交变湿热试验箱步骤2：每湿热100h后从高低温交变湿热箱中取出标准组件，然后观察组件老化前后的外观缺陷。步骤3：把每湿热老化了100h后的标准组件的正面与背面贴上温度探头，分别连接到24V供电的温度变送器上，再连接到16路北京阿尔泰数据采集器上，通过太阳模拟发射器，在一定的辐照度下，每1秒开始计时，分别测试其开始时温度、60℃和70℃下的组件正、背面的温度分布曲线，最后在电脑上输出相对应的数值和利用公式换算转换为温度值，画出其不同老化时间的正背面温差图，观察其导热性能的变化，同时利用太阳能电池板测试仪分别在这三个温度下测试每湿热老化100h后的标准组件的电气特性，观察组件的下降损失。步骤4：整理数据，并通过数据分析其特性规律和画出相关的图形，最后计算出组件的老化率。2.3.2数据分析每湿热100h后的标准组件从高低温交变湿热箱中取出，通过湿热老化前后对比，可以明显观察到湿热老化后组件背板出现变黄的现象和受到了腐蚀，污渍增多，焊条发黄且容易断裂，如图2-7分别是标准组件、湿热老化100h、200h、300h的组件情况。·标准组件·湿热老化100h·湿热老化200h·湿热老化300h图2-7标准组件、湿热老化100h、200h、300h的组件正、背面情况测量出不同湿热老化条件下的组件的电气特性，如表2-8、表2-9、表2-10，并根据每组湿热100h后组件的电气特性可以看出随着组件正背面温度的升高，太阳电池组件的开路电压逐渐降低，短路电流逐渐增大，最大输出功率逐渐降低。同时，与标准组件的初始值相比，湿热老化后填充因子FF有所损失，根据国外文献多晶硅太阳电池湿热性能的研究可以知道，导致填充因子的损失由于Si与Ag之间的接触电阻，而串联电阻增加的原因是由于高的热应力和湿应力导致栅线被部分氧化REF_Ref20245\r\h[11]。表2-8湿热老化100h组件的电气特性辐照度W/m²温度/℃Uoc/VIsc/APmax/WFFUmax/VImax/A组件湿热老化100h873开始1.290.850.56540.5160.8670.652601.2330.8510.530.5120.8390.641701.1870.8660.5070.4930.7910.641表2-9湿热老化200h组件的电气特性辐照度W/m²温度/℃Uoc/VIsc/APmax/WFFUmax/VImax/A组件湿热老化200h883开始1.2880.7120.47040.5130.8920.5274601.2320.74280.45010.4910.8190.5496701.1820.74920.43140.4870.8150.5294表2-10湿热老化300h组件的电气特性辐照度W/m²温度/℃Uoc/VIsc/APmax/WFFUmax/VImax/A组件湿热老化300h890开始1.2850.55570.36270.5070.8160.4445601.2050.56190.35960.5310.8350.4307701.150.56230.34560.5340.7950.4348选取组件开始温度的电气特性，可以分析得出：1、湿热老化200h与湿热老化100h进行对比，组件老化200h的开路电压减少了0.002V，短路电流减少了0.138A，最大输出功率下降了0.095W；2、湿热老化300h与湿热老化200h进行对比，组件老化300h的开路电压减小了0.003V，短路电流减少了0.1563A，最大输出功率下降了0.1077W；3、湿热老化300h与湿热老化100h进行对比，组件老化300h的开路电压减小了0.005V，短路电流减少了0.2943A，最大输出功率下降了0.2027W；然后通过数据拟合出在不同温度下的湿热老化100h、200h、300h的电流-电压的特性曲线和功率-电压的特性曲线，如图2-11。图2-11电流-电压特性曲线和功率-电压特性曲线从电流-电压特性曲线图中可以看出电流随电压的变化分为两个阶段：1、当电压小于最大电压时，电流缓慢减小；2、当电压大于最大电压时，电流迅速降低。当电压相同时，标准组件的电流最大，其次是湿热老化100h、200h，组件湿热老化300h的电流最小，由此可以看出与组件初始值相比，老化过后太阳电池组件的性能在不断降低，同时，随着湿热老化时间的增加，组件的性能逐渐减弱。从功率-电压特性曲线图中可以看出随着电压的升高，功率先增加到最大输出功率，然后在快速降低。当电压相同时，标准组件的功率最大，湿热老化100h、200h、300h的功率依次减弱，湿热老化的时间越长，功率降低越快。再依据步骤3中所测量出的每组老化100h后得出的组件的正、背面的温度数据，画出组件的温差图，如图2-12。由图中可以看出在相同的条件下，组件湿热老化的时间越长，温差越小，组件的导热率就越小，表明湿热老化对组件的导热率有明显的影响。图2-12组件老化的正、背面板的温差图选取开始温度下的组件的电气特性数据，由公式（2-1），计算组件的老化率，湿热老化100h的老化率为0.00131（0.131%），湿热老化200h的老化率为0.00135（0.135%），湿热老化300h的老化率为0.00142（0.142%），通过这些老化率可以看出，湿热老化的时间与老化率成正比的关系，湿热老化的时间越长，太阳电池组件的老化率越高，同时也可以说明随着湿热老化的进行，太阳电池组件的性能在不断降低。 （2-1）2.4自然老化的数据测量与分析本测量的样品为在自然气候环境条件之下暴露了已有11年的太阳能电池板，初始的电气特性如表2-13，通过观察，可以直接看出经过11年的太阳光辐射和风吹雨打的电池片表面出现了褪色，变得粗糙老化，并且出现了电池片炸裂的情况，表面还受到了氧化，灰尘积多等的现象，如图2-14。表2-13初始电气特性参数太阳能电池组件Uoc（开路电压）22.1(V)Isc（短路电流）4.50(A)Pmax（最大输出功率）75(W)FF（填充因子）0.754Umax（最大电压）18(V)Imax（最大电流）4.17(A)那么从中选取两块太阳能电池板作为研究对象，并命名为样品1、样品2，如图2-14，然后依次测量样品1、2有灰尘与无灰尘时的电气特性，并通过所测量出的数据模拟出I-U曲线，然后分析其特性规律。如表2-15样品1、2有灰尘与无灰尘时的电气特性。如图2-16电流-电压特性曲线和功率-电压特性曲线。（样品1）（样品2）图2-14自然老化11年的太阳能电池板表2-15样品1、样品2有灰尘与无灰尘时的电气特性辐照度（W/㎡）Uoc/VIsc/APmax/WFFUmax/VImax/A有灰尘的样品170719.103.19446.900.76815.293.066无灰尘地样品172419.403.63752.850.74815.343.443辐照度（W/㎡）Uoc/VIsc/APmax/WFFUmax/VImax/A有灰尘的样品272720.183.31549.930.74616.143.094无灰尘的样品273220.514.6456.50.59316.33.464图2-16样品1、2的电流-电压特性曲线和功率-电压特性曲线由自然老化11年的太阳能电池板的电气特性数据及曲线图表明，组件在自然条件下曝晒11年之后，其最大输出功率、开路电压与初始值相比在减小，其中在电压相同的条件下，无灰尘的太阳能电池板的电流比有灰尘时的高，同时，无灰尘的太阳能电池板的功率也比无灰尘时高，所以，灰尘对光伏组件的功率有明显的影响。对样品2通过太阳能组件测试仪，在辐照度为1003.1W/㎡下进行测试，所得数据如表2-17和如图2-18伏安特性曲线。由公式（2-2），计算组件的老化率为0.0143（1.43%）。 （2-2）表2-17样品2的组件测试仪数据参数样品2Uoc（开路电压）21.8119(V)Isc（短路电流）4.3423(A)Pmax（最大输出功率）70.0169(W)FF（填充因子）0.7392Umax（最大电压）17.186(V)Imax（最大电流）4.0741(A)图2-18样品2的伏安特性曲线总结通过分析太阳电池组件老化试验数据进行以下总结：太阳电池组件在使用过程中会受到阳光、温度、湿度的影响，从而导致组件的功率下降，同时，随着老化时间的延长，组件的性能在不断减弱。太阳能电池标准组件放入到温度为75℃、湿度为85%的高低温交变湿热试验箱中，分别湿热老化100h、200h、300h后，组件背板会出现变黄的现象和受到了腐蚀，汇流条变黄，组件边缘逐渐产生气泡，这些现象都对组件的性能和功率产生着一定的影响，湿热老化的时间越长，组件的最大输出功率降低的越快，那么湿热老化对组件的导热率也有一定的影响，组件湿热老化的时间越长，正、背面板的温差就越小，组件的导热率也随之越小。并且在经过11年的太阳光、温度、水分和其他因素的影响下的太阳能电池组件表面会出现褪色、粗糙和组件的功能和性能的逐渐弱化，效率降低的情况，其中，灰尘对光伏组件的功率有明显的影响，无灰尘的太阳能电池板的功率比无灰尘时高。所以，随着温度越高、紫外线辐照的时间越长，组件就会加速老化，老化随着时间的推移也会出现脱层，甚至组件失效。参考文献：张增明,唐景,吕瑞瑞,林杰,彭丽霞,傅冬华.光伏组件封装EVA的湿热老化研究[J].合成材料老化应用,2011,40(03):24-26+31.DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2011.03.002.韩新月,王一平,朱丽.加速老化试验对有机硅胶封装材料光学性质的影响[J].化学通报,2013,76(04):359-363.DOI:10.14159/ki.0441-3776.2013.04.011.JiangZhu,MichaelKoehl,StephanHoffmann,KarlAntonBerger,ShokufehZamini,IanBennett,EricGerritsen,PhilippeMalbranche,PaolaPugliatti,AgneseDiStefano,FrancescoAleo,DarioBertani,FabrizioPaletta,FrancescoRoca,GiorgioGraditi,MichelePellegrino,OihanaZubillaga,F.J.CanoIranzo,AlbertoPozza,TonySample,RalphGottschalg.Changesofsolarcellparametersduringdamp‐heatexposure[J].ProgressinPhotovoltaics:ResearchandApplications,2016,24(10).DanWu,JiangZhu,ThomasR.Betts,RalphGottschalg.Degradationofinterfacialadhesionstrengthwithinphotovoltaicmini‐modulesduringdamp‐heatexposure[J].ProgressinPhotovoltaics:ResearchandApplications,2014,22(7).付明,周洪,华锴玮,汪小红,范琳.晶体硅太阳能电池片老化特性研究[J].电子元件与材料,2017,36(12):79-83.DOI:10.14106/ki.1001-2028.2017.12.014.佟志国,刘向晴,李新,宋德.改善有机太阳能电池寿命的研究进展[J].化工技术与开发,2015,44(09):28-32.何道清，何涛，丁宏林。《太阳能光伏发电系统原理与应用技术》HonnurvaliMohamedShaik,AdnanKabbani,AbdulMananSheikh,KengGoh,NarenGupta,TariqUmar.MeasurementandvalidationofpolysiliconphotovoltaicmoduledegradationratesoverfiveyearsoffieldexposureinOman[J].AIMSEnergy,2021,9(6):1192-1212.doi:10.3934/energy.2021055韩新月,王一平,朱丽.加速老化试验对有机硅胶封装材料光学性质的影响[J].化学通报,2013,76(04):359-363.DOI:10.14159/ki.0441-3776.2013.04.011.安晓君.光伏组件老化失效及加速老化测试的研究[J].应用能源技术,2018(12):45-47.WonwookOh,SeongtakKim,SoohyunBae,NochangPark,YoonmookKang,Hae-SeokLee,DonghwanKim.Thedegradationofmulti-crys