上海地區各種光伏組件戶外發電性能比較和衰減原因分析

北極星太陽能光伏網訊:主要利用中國科學院上海微系統與信息技術研究所嘉定園區配置的光伏組件戶外測試系統，針對各種光伏組件( 類型包括：多晶矽、n 型單面和雙面、PERC 單晶矽和多晶矽、12 柵單晶矽、HIT 單面和雙面、CIGS 組件、CdTe 組件) 在上海地區的應用，於2016 年6 月1 日～2018 年7 月20 日開展了戶外實證監測。首先通過室內標定對比了各種光伏組件的衰減，然後利用戶外實證發電量對比了各種光伏組件的戶外發電性能，進而分析了各種光伏組件的衰減原因。

（來源：微信公眾號「太陽能雜誌」ID：tynzz1980）

01實驗條件

1.1 光伏組件信息

本次研究監測的光伏組件類型包括：多晶矽組件、n 型單面和雙面組件、PERC 單晶矽和多晶矽組件、12 柵單晶矽組件、HIT 單面和雙面組件、CIGS 組件、CdTe 組件，每種組件的數量不同。其中，對CIGS 組件、多晶矽組件1 和多晶矽組件2 ，持續監測26 個月；對n 型單面組件、n 型雙面組件1 和n 型雙面組件2，持續監測19 個月；對PERC 單晶矽組件1、PERC 單晶矽組件2、PERC 多晶矽組件、12 柵單晶矽組件、多晶矽組件4、HIT 單面組件、HIT 雙面組件和CdTe 組件，持續監測13 個月；對多晶矽組件3，持續監測10 個月( 註：同類組件中的1、2、3、4 是為區分不同生產商的產品)。

每種組件在進行戶外監測前，都在STC 條件( 測試溫度25 ℃，AM 1.5 模擬光源，光強1000 W/m2) 下進行了室內標定。

1.2 光伏組件戶外測試系統介紹

本次戶外實證監測使用的光伏組件戶外測試系統由中國科學院上海微系統與信息技術研究所——新能源技術中心配置，坐落於上海市嘉定區(31°23′N、121°14′E)。本光伏組件戶外測試系統作為測試太陽電池發電特性與可靠性的設備，主要用於長時間在戶外測試光伏組件的工作情況，記錄不同環境下組件相應的電學參數，對光伏組件的真實發電能力與衰減狀況進行測試。

光伏組件戶外測試系統是根據IEC 61924、IEC61829、IEC6 2446 等標準[11-12] 建立的，對光伏組件在戶外的性能進行標準測試和性能評估，其結構圖和實景圖分別如圖1、圖2 所示。本測試系統的測試對象為光伏陣列，共有24 個通道(channel)，每個通道容許的電壓範圍為100～400 V，每個通道的組件採用串聯或並聯的連接方式，每個通道監測一種光伏組串；每個光伏組串連接1個接線盒 (conversion box)；每6 個通道用1 個集線器 (Cable collection device) 收集直流端電流，I-V 數據採集器(I-V tracer) 收集的是直流端數據，所以本文後續發電量和PR 值的計算都是採用組件直流端數據；每6 個通道的直流端數據通過1臺多組串式逆變器 (invertor) 轉換為交流電，本系統中共有4 臺多組串式逆變器。

該光伏組件戶外測試系統的技術特點為：光伏陣列可通過陣列選擇器在多組串式逆變器與I-V 數據採集器間切換測試，整個測試系統既能工作在真實併網環境中，也可以準確測試組件實際發電性能；多組串式逆變器的使用可以解決不同陣列共同併網的問題，並縮短組件在切換過程中恢復正常工作狀態的時間；所用I-V 數據採集器為阻性，可測試大功率光伏陣列，1 臺I-V 數據採集器可拓展測試48 個光伏陣列。

1.3 光伏組件戶外實證發電性能評價指標的確立

由於光伏發電系統在戶外運行，測試環境不像實驗室中那樣穩定，對其進行性能評價需要採用行業公認的技術參數。本研究中採用等效發電時長和等效輻照時長這2 個參數。

1) 等效發電時長YF。由於不同類型光伏組件的功率不同，不同類型組件間的發電性能並無可比性。YF 表示光伏組串每天在其額定功率下的發電時長，可以用來對比每種光伏組串每kW的發電性能。在不考慮輻照度的影響時，等效發電時長就可以代表不同類型組件發電性能的差異。

式中，∫PMAX 為光伏組串每天的總發電量；Pnominal 為對應光伏組串的額定功率。

2) 等效輻照時長YR。同樣，YR 表示在標準輻照度 (1 kW/m2) 下，某一地點或位置每天的日照小時數，也就是峰值日照小時數，單位為h。式中，∫G 為某地點或位置每天的總輻照度；G nominal 為STC 條件下的輻照度，取值為1000W/m2。

1.4 本測試系統監測使用的主要設備

1.4.1 數據採集系統

本戶外測試系統採用的數據採集系統為日本EKO 生產的I-V 數據採集系統MP165。其中，輻照度由1 臺輻照度測試儀MI530 監測，熱電偶採集到的背板溫度由2 臺溫度測試儀MI540 監測 ( 每臺MI540 可監測12 個通道的熱電偶情況，本測試系統共有24 個測試通道，所以需要2 臺MI540)。

組件端I-V 測試結果先輸入4 臺通道開關選擇器MP-303S ( 每臺連接6 個通道)，MP-303S 的輸出埠一部分直接連接逆變器，將直流電轉成交流電併網；另一部分連接MP165，進行每個組串I-V曲線的掃描。24 個組串經過4 臺MP-303S 併入MP165，間隔2 mins 進行下一次的循環掃描。由1 臺MI530、2 臺MI540 和4 臺MP-303S 採集到的數據匯總傳遞給MP165。通過MP165 的軟體控制界面，光伏組件的I-V 曲線被實時監控；同時，光伏組件的溫度、輻照量和發電量等信息也可以從MP165 中獲得。

1.4.2 氣象設備

本戶外測試系統中的氣象監測設備從日本EKO 採購，包括傾斜輻照計 (Pyranometerfor Tilt: MS-802) 、水平輻照計 (Pyranometer forHorizontal plane: MS-802) 、風速監控儀(WindMonitor: A-110/MI-360)、溫溼度監控儀(Temp.Huity: MT-063A)、雨量監測儀 (Rain Gauge:MW-010)、氣壓計(Barometer: MY-021)，別對整個戶外測試系統的輻照量、風速風向、溫溼度、雨量和氣壓進行實時監控，並將具體信息體現在氣象監測軟體HIOKI 中。

1.4.3 多組串式逆變器

本戶外測試系統採用的逆變設備是上海追日電氣生產的多組串式逆變器。該逆變器適用於小批量的薄膜、晶體矽太陽電池及組件測試，在光伏組件數量少、串聯電壓低 ( 小於100 V) 的情況下，仍能達到最多6 路輸入運行。將光伏組件串聯成組串後，經直流升壓器做MPPT 最大功率跟蹤，並通過交流逆變器回饋電網。

1.4.4 光譜儀

本戶外測試系統同時配置了實時採集太陽光譜的光譜儀，型號分別為MS-711 和MS-712，並利用軟體WSDac 監測戶外太陽光譜情況。

1.4.5 監測時間和技術方案

戶外實證的監測時間為2016 年6 月1 日～2018年7 月20 日。各種光伏組件的安裝高度均為30cm，安裝角度均為30°。本戶外實證實驗將不同類型的光伏組件分為若干個獨立的組串，每個測試通道監測1 種類型光伏組件的戶外發電性能。每種組件所在通道平均年累積輻照度為1293.37kWh/m2，即4656.13 MJ/m2。

02結果與討論

2.1 通過室內標定對比各種光伏組件的衰減

本研究中最早的光伏組件安裝於2016 年6月1 日，後續為增加研究內容，相繼在不同時間增添了各種類型的光伏組件，所有組件於2018年1 月22 日在室內進行了重新標定。截止到2018 年1 月22 日，每種組件的室內標定結果與此前未經過曝曬時的標定結果對比的變化值如表1 所示。需要說明的是，由於目前國際上還沒有CIGS 組件和CdTe 組件的室內標準測試方法，因此即使進行了室內測試，其結果也並不準確，所以表1 中未體現這2 種組件的室內測試數據和衰減數據。

從表1 中可以看出：

1) 監測20 個月的多晶矽組件1 和多晶矽組件2 的功率衰減率分別為3.26% 和3.09%，與文獻中報導的「光伏組件首年衰減2.5%，以後每年衰減0.7%」比較符合。基本可以認為這2種多晶矽組件首年功率衰減了2.5%，後7 個月分別衰減了0.76% 和0.59%。

2) 監測13 個月的n 型單面組件、n 型雙面組件1 和n 型雙面組件2 的功率衰減率分別為0.86%、0.29% 和0.75%，與文獻報導的「光伏組件首年衰減2.5%，以後每年衰減0.7%」相差較遠。目前的監測結果表明，n 型光伏組件的衰減確實較小，這與p 型矽中含有B-O 複合對，而n 型矽的少子壽命長，使n 型光伏組件的衰減較低有關。

3) 通過分析監測時間為7 個月的光伏組件衰減數據可以看出，這些組件的功率衰減從大到小依次為：PERC 多晶矽組件 (2.69%)>12 柵單晶矽組件(1.82%)> 多晶矽組件4(1.54%)>HIT單面組件(1.24%)> PERC 單晶矽組件2 (1.11%)>PERC 單晶矽組件1 (0.94%)>HIT 雙面組件(0.59%)。

還可以看出，HIT 單面組件的功率衰減大於PERC 單晶矽組件1 和PERC 單晶矽組件2，衰減主要體現在電壓上，即HIT 單面組件的電壓衰減為0.65%，PERC 單晶矽組件2 和PERC 單晶矽組件1 的電壓衰減分別為0.23% 和0.06%。

從電池的製備工藝來看，可能是異質結界面沒有同質結界面穩定，長期的戶外曝曬會使導致HIT界面性能受到影響，從而導致組件電壓的下降。從表1 還可以看出，HIT 單面組件的功率衰減小於PERC 多晶矽組件、12 柵單晶矽組件和多晶矽組件4，但HIT 單面組件的電壓衰減(0.65%) 較12 柵單晶矽組件(0.16%) 和多晶矽組件4 (0.35% ) 而言還是較為明顯的，HIT 單面組件的優勢主要體現在電流衰減較小。

除此之外可以看到，除了HIT 單面組件和HIT 雙面組件外，其他晶體矽組件的衰減主要都是由電流引起的。而2 種HIT 組件的衰減主要都是由開路電壓導致的，即HIT 雙面組件的開路電壓衰減 (0.31%)> 電流衰減 (0.18%)，HIT 單面組件的開路電壓衰減 (0.65%)> 電流衰減 (0.32%)，再次證明了對於HIT 組件來說，開路電壓的衰減是影響其性能的主要因素。

2.2 通過戶外實證發電量對比各種光伏組件的戶外發電性能

因2017 年6 月29 日在本戶外測試系統中新增了大量組件，所以以下關於戶外實證研究的時間範圍為2017 年6 月29 日～2018 年7 月20 日。其中，12 柵單晶矽組件、PERC 單晶矽組件1、PERC 多晶矽組件、CdTe 組件的曝曬時間為12個月，數據採集時間為12 個月；CIGS 組件的曝曬時間為24 個月，數據採集為12 個月，所以本研究中CIGS 組件的等效發電時長是在已經衰減了1 年的基礎上採集的數據；HIT 單面組件因通道損壞，曝曬時間為12 個月，數據採集時間為8.5個月；多晶矽組件4 因組件更替，曝曬時間不足，故沒有進行戶外發電性能對比；4 塊PERC 單晶矽組件2 組成了1 個組串，但其中1 塊組件出現了明顯隱裂，因此也沒有進行戶外發電性能對比。

由於光伏組件的戶外實證實驗環境因素多變，實驗的不確定度很大，因此系統的維護和組件的交替更換時有發生。表2 和圖3 對比了2017 年6 月29 日～2018 年7 月20 日各種光伏組件每天平均等效發電時長和所在通道平均等效輻照時長。

從表2 和圖3 的監測各種光伏組件的戶外平均發電實證數據可以看出，各種光伏組件戶外平均等效發電時長的比較結果為：CIGS 組件>HIT單面組件> 12 柵單晶矽組件> PERC 單晶矽組件1> PERC 多晶矽組件>CdTe 組件；並且，每種組件所在通道的平均等效輻照時長比較接近。由數據可以看出，CIGS 組件的平均等效發電時長大於其平均等效輻照時長，造成這一現象是因為在晝夜交替的光照變化下，CIGS 組件的實際發電功率較額定功率可能上升，所以出現了平均等效發電時長大於平均等效輻照時長的情況。

2.3 光伏組件的衰減原因分析

根據近30 年的研究結果，光伏組件衰減原因主要包括以下5 個方面：

1) 封裝材料的衰減、封裝玻璃的破壞、旁路二極體的失效、封裝材料的變色、背板開裂及分層；

2) 組件各層材料粘結性的下降；

3) 電池和組件互聯部分的衰減，焊帶和焊接點的脫落；

4) 潮溼導致的組件衰減；

5) 作為半導體器件的太陽電池自身的衰減。已有不少學者分析了不同組件的衰減原因並給出了預防措施。

表3 對8 種光伏組件的衰減原因進行了總結。其中，封裝材料的衰減、組件各層材料粘結性的下降、電池和組件互聯部分的衰減、潮溼導致的組件衰減，可能在測試前已經存在於組件中，但由於戶外監測時間不足，並未體現出來。但表1中的n 型單面組件在經過了18 個月的戶外曝曬後，肉眼已經可以看到組件邊緣出現電池老化和褪色現象，猜測造成這一現象的原因是溼氣從組件邊緣進入，導致了組件邊緣發白。

在對以上8 種組件進行的戶外監測中，封裝玻璃的破壞、旁路二極體的失效、背板開裂和分層，以及焊帶或焊接點的脫落等衰減原因並未監測到；但CdTe 組件因安裝壓塊不牢固，在上海颱風期間，組件封裝玻璃發生了明顯破裂，認為這與組件的安裝壓塊選擇有關。除此之外，作為半導體器件的太陽電池自身的衰減是光伏組件衰減的主要原因，其中，HIT 單面組件中晶體矽和非晶矽界面的衰減是致使該組件衰減的主要原因，在前文已進行過詳細分析；其他組件的衰減均是由於光照導致的電池自身衰減，這可能是導致光伏組件衰減的重要原因。

03結論

本研究主要利用光伏組件戶外測試系統，對在上海地區應用的各種光伏組件的戶外實證發電量及衰減原因進行了分析，得到如下結果：

1) 在光伏組件衰減方面：多晶矽組件1 和2在戶外曝曬20 個月後的功率衰減約為3%，與文獻報導的「光伏組件首年衰減2.5%，以後每年衰減0.7%」比較符合。n 型單面組件和2 種n 型雙面組件在戶外曝曬13 個月後的功率分別衰減了0.86%、0.29% 和0.75%，目前的監測結果表明n 型組件的衰減確實較小。通過7 個月的戶外曝曬，幾種光伏組件的功率衰減從大到小的順序為：PERC 多晶矽組件(2.69%) > 12 柵單晶組件(1.82%) > 多晶矽組件4 (1.54%) >HIT 單面組件(1.24%) > PERC 單晶矽組件2 (1.11%) > PERC 單晶矽組件1 (0.94%) >HIT 雙面組件 (0.59%)。其中，開路電壓的降低是導致HIT 組件衰減的主要因素。

2) 在光伏組件戶外發電性能方面：CIGS 組件>HIT 單面組件>12 柵單晶矽組件> PERC 單晶矽組件1> PERC 多晶矽組件>CdTe 組件。其中，由於在晝夜交替的光照變化下，CIGS 組件的實際發電功率較額定功率可能會上升，因此CIGS組件出現了平均等效發電時長大於平均等效輻照時長的情況。

3) 在光伏組件衰減原因方面：首先，封裝材料的衰減、組件各層材料粘結性的下降、電池和組件互聯部分的衰減、潮溼導致的組件衰減，可能在測試前已存在於組件中，但由於戶外監測時間不足，並未來體現出來；其次，封裝玻璃的破壞、旁路二極體的失效、背板的開裂和分層，以及焊帶或焊接點的脫落等衰減原因，目前並未監測到；第三，由於光照導致的電池自身的衰減，也許是導致光伏組件衰減的重要原因。

因為光伏組件的戶外實證監測實驗條件多變，實驗的不確定性很大，因此系統的維護和組件的交替更換時有發生，在長年的工作中並不是每一種光伏組件的監測時間和條件都完全一致。後續需要延長監測時間，使數據積累充足並具有統計性，持續監測各種光伏組件的戶外發電性能。

中國科學院上海微系統與信息技術研究所

高兵 邵亞輝 餘友林 劉正新

蘇州中來民生能源有限公司 相海濤

來源：《太陽能》雜誌2019 年第12 期( 總第308 期) P5-11

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