碲化鎘薄膜電池組件在高寒高海拔地區(qū)適應性研究

引言碲化鎘太陽能電池具有吸收系數(shù)高、弱光效應好、熱斑效應小、透光均勻等優(yōu)勢，非常適合在光伏建筑一體化（BIPV）上應用。在建筑上應用的碲化鎘薄膜電池組件相對地面光伏組件的要求更加嚴格，特別是在高寒高海拔地區(qū)，由于晝夜溫差大、白天日照強等環(huán)境因素導致玻璃的自爆率提高，熱脹冷縮導致的材料不匹配等現(xiàn)象，曾有調查全美有30%的光伏組件因外界環(huán)境應力而發(fā)生失效。再加上國內(nèi)的主流市場為晶硅市場，對碲化鎘薄膜電池組件的研究相對較少。因此，研究碲化鎘薄膜電池組件在高寒高海拔地區(qū)適應性具有重要的意義。本文主要對3種導電膠帶分別制備成的碲化鎘薄膜電池組件進行熱循環(huán)、濕熱等測試，研究碲化鎘薄膜電池組件中導電膠帶失效的原因，為降低碲化鎘薄膜電池組件在高寒高海拔地區(qū)失效的風險提供參考依據(jù)。試驗（1）試樣設計本實驗所設計的試樣分為2種，第1種是測試導電膠帶與碲化鎘電池背電極之間的接觸電阻試樣，1#、2#、3#導電膠帶各制備成為1片，共3片；第2種是測試1#、2#、3#導電膠帶制備成的碲化鎘薄膜電池組件在高溫高濕、高低溫下的功率衰減測試及電致發(fā)光測試，共計12片。第1種與第2種試樣的結構相同（圖1），但碲化鎘電池的布線方式不同。圖1試樣結構示意（2）測試方案為了測試導電膠帶與碲化鎘電池背電極的接觸電阻受溫度的影響程度，對3種導電膠帶利用同樣的高壓釜封裝工藝（135℃，1.2MPa，保溫40min）制備成第1種試樣后放置在85℃的退火爐中保持1000h，出爐后冷卻到室溫。測試封裝前、放入退火爐前、出退火爐后的3種導電膠帶接觸電阻的變化。按照TLM法，測試各段電阻隨距離變化的各點的R1-2、R1-3、R1-4.....R1-8電阻，擬合出直線，計算出接觸電阻。為了測試碲化鎘薄膜電池組件承受長期濕氣滲透的能力，根據(jù)IEC61215－2016標準，選取3種導電膠帶采用高壓釜工藝（135℃，1.2MPa，保溫40min）制備成第2種碲化鎘薄膜電池組件試樣各2片，經(jīng)過入箱前的最大功率等測試，再放入實驗箱進行濕熱測試，即放入溫度為85℃、濕度為85%

的濕熱（Dampheat簡稱DH）試驗箱中，保持時間1048h，然后比較入箱前后3種導電膠帶制備的發(fā)電玻璃的電性能等變化。為了測試發(fā)電玻璃承受溫度重復變化而引起的熱失配、疲勞和其它應力的能力，根據(jù)IEC61215－2016，選取3種導電膠帶采用高壓釜工藝（135℃，1.2MPa，保溫40min）制備成第2種碲化鎘薄膜電池組件試樣各2片，經(jīng)過入箱前的最大功率等測試，再放入實驗箱進行熱循環(huán)（TC）測試。將其放入低溫為-40℃、高溫為+85℃的熱循環(huán)試驗箱中，進行200次循環(huán)測試。并在-40、+80～+85、+85、+85～+25℃溫度段通入電流為小于1%Imax，在-40～+80℃溫度段通入電流為100%Imax，然后比較入箱前后3種導電膠帶制備的發(fā)電玻璃的電性能等變化。為了測試碲化鎘薄膜電池組件試驗后的缺陷，把經(jīng)過熱循環(huán)和濕熱測試后的發(fā)電玻璃進行EL測試，EL測試時在碲化鎘薄膜電池組件的正負極加入正向偏置電壓，采用DCPOWERSUPPLYLW-2005KD直流源，電壓范圍為1.0～1.2Voc，電流范圍為1.0～1.2Isc，采用Nikon紅外相機觀察發(fā)電玻璃的缺陷情況。試驗結果與分析（1）干熱條件下導電膠帶的接觸電阻測試結果與分析經(jīng)測試后3種導電膠帶在封裝前、封裝后、封裝后在退火爐中85℃保溫1000h或73h后各個階段的導電膠帶間的電阻與導電膠帶間距的對應值如表1所示。從表1中可以看出，2#導電膠帶、1#導電膠帶在溫度85℃保持1000h后出現(xiàn)部分導電膠帶與背電極之間接觸電阻達到了MΩ級，而3#導電膠帶在溫度85℃保持73h后部分出現(xiàn)了類似的情況，這說明導電膠帶與背電極已經(jīng)脫離。從圖2、圖3、圖4擬合出函數(shù)R與自變量S的直線中得到R軸的截距，計算后各導電膠帶的接觸電阻見表2。表1在不同階段導電膠帶間的電阻值圖21#導電膠帶各段之間的電阻及擬合直線

圖32#導電膠帶各段之間的電阻及擬合直線圖43#導電膠帶各段之間的電阻及擬合直線每種導電膠帶在封裝前、封裝后和在85℃退火一段時間后的接觸電阻依次先減小后增大。封裝后接觸電阻變小，是由于在溫度和壓力的作用下，導電膠帶的導電粒子受擠壓，充分與發(fā)電玻璃的背電極接觸形成良好的通路。封裝后放入85℃的退火爐中一定時間后，接觸電阻變大，這可能與導電膠帶在85℃與室溫下與背電極的粘結強度有關。（2）濕熱測試結果與分析由1#、2#、3#導電膠帶分別制備成碲化鎘薄膜電池組件，各取2片，分別放入溫度為85℃、濕度為85%的試驗箱中保持1048h（DH1048），測試結果如表3所示。表3濕熱測試前后3種導電膠帶制備的碲化鎘組件樣品電性能數(shù)據(jù)為了進一步了解造成樣品1#-1、1#-2在DH1048后功率衰減過大的原因，對1#-1、1#-2樣品進行了EL測試，測試結果見圖5、圖6。從圖5、圖6可以看出，DH0短邊的貼敷導電膠帶的EL圖比DH1048短邊的貼敷導電膠帶的EL圖更亮。圖5、圖6中的DH1048短邊邊緣出現(xiàn)的暗區(qū)較為嚴重，這與晶硅的虛焊十分相似。說明1#樣品中的導電膠帶與碲化鎘電池的背電極接觸不良而導致陰影暗區(qū)。由于PVB膠膜相對其它膠膜如SGP，EVA吸水率較高，樣品長期在濕熱試驗箱中，會導致PVB的粘結強度下降，在溫度及濕度的影響下導電膠帶吸收水汽后變形彎曲，導電膠帶與碲化鎘電池的背電極脫離，從而導致導電膠帶失效。圖5樣品1#-1的EL圖圖6樣品1#-2的EL圖對樣品2#-1、2#-2、3#-1、3#-2進行EL測試，短邊貼敷導電膠帶在DH0，DH1048均未出現(xiàn)暗區(qū)，說明導電膠帶與碲化鎘電池背電極接觸良好。（3）熱循環(huán)測試結果與分析為了確定發(fā)電玻璃承受由于溫度重復變化而引起的熱失配、疲勞和其他應力的能力，對由1#、2#、3#導電膠帶分別制備成的BIPV發(fā)電玻璃（結構如圖1）各取2片，分別放入TC試驗箱中進行200次循環(huán)的測試，測試結果如表4所示。表4在熱循環(huán)測試前后3種導電膠帶制備的碲化鎘組件樣品電性能數(shù)據(jù)從表4中可以看出，樣品1#-3、1#-4、3#-3、3#-4組件經(jīng)過TC200后，功率衰減超過了10%，超過了IEC61215—2016對光伏組件在TC200后功率衰減小于5%的標準。樣品2#-3、2#-4經(jīng)過TC200后，樣品功率衰減在5%以內(nèi)。通過對3種導電膠帶制備的組件樣品在TC200前后的EL測試可以看出，功率衰減超過10%的樣品1#-3、1#-4、3#-3、3#-4四個樣品在TC200前后出現(xiàn)了類似樣品2#-1、2#-2、3#-1、3#-2的問題，如樣品1#-3的TC0和TC200的EL圖，如圖7所示。而功率衰減小于5%的樣品2#-3、2#-4的在TC200前后的EL圖與2#-1、2#-2、3#-1、3#-2的DH1000的前后EL圖類似，如樣品2#-3的TC0和TC200的EL圖，如圖8所示。這說明導電膠帶樣品1#、3#在TC測試的過程由于高低溫的周期性變化，導致導電膠帶的彈性變差，其與背電極的接觸性變差。圖7樣品1#-3的EL圖圖8樣品2#-3的EL圖結論通過1#、2#、3#導電膠帶接觸電阻及高效碲化鎘薄膜電池組件經(jīng)過DH1048、TC200功率及EL測試，得出：（1）1#、2#、3#導電膠帶封裝前、封裝后、保溫85℃接觸電阻先減小后增大，這表明在一定熱壓的作用下，導電膠帶與碲化鎘電池背電極的接觸良好，但在溫度的作用下，導電膠帶與背電極的接觸變差。（2）1