碲化镉薄膜电池组件在高寒高海拔地区适应性研究

引言碲化镉太阳能电池具有吸收系数高、弱光效应好、热斑效应小、透光均匀等优势，非常适合在光伏建筑一体化（BIPV）上应用。在建筑上应用的碲化镉薄膜电池组件相对地面光伏组件的要求更加严格，特别是在高寒高海拔地区，由于昼夜温差大、白天日照强等环境因素导致玻璃的自爆率提高，热胀冷缩导致的材料不匹配等现象，曾有调查全美有30%的光伏组件因外界环境应力而发生失效。再加上国内的主流市场为晶硅市场，对碲化镉薄膜电池组件的研究相对较少。因此，研究碲化镉薄膜电池组件在高寒高海拔地区适应性具有重要的意义。本文主要对3种导电胶带分别制备成的碲化镉薄膜电池组件进行热循环、湿热等测试，研究碲化镉薄膜电池组件中导电胶带失效的原因，为降低碲化镉薄膜电池组件在高寒高海拔地区失效的风险提供参考依据。试验（1）试样设计本实验所设计的试样分为2种，第1种是测试导电胶带与碲化镉电池背电极之间的接触电阻试样，1#、2#、3#导电胶带各制备成为1片，共3片；第2种是测试1#、2#、3#导电胶带制备成的碲化镉薄膜电池组件在高温高湿、高低温下的功率衰减测试及电致发光测试，共计12片。第1种与第2种试样的结构相同（图1），但碲化镉电池的布线方式不同。图1试样结构示意（2）测试方案为了测试导电胶带与碲化镉电池背电极的接触电阻受温度的影响程度，对3种导电胶带利用同样的高压釜封装工艺（135℃，1.2MPa，保温40min）制备成第1种试样后放置在85℃的退火炉中保持1000h，出炉后冷却到室温。测试封装前、放入退火炉前、出退火炉后的3种导电胶带接触电阻的变化。按照TLM法，测试各段电阻随距离变化的各点的R1-2、R1-3、R1-4.....R1-8电阻，拟合出直线，计算出接触电阻。为了测试碲化镉薄膜电池组件承受长期湿气渗透的能力，根据IEC61215－2016标准，选取3种导电胶带采用高压釜工艺（135℃，1.2MPa，保温40min）制备成第2种碲化镉薄膜电池组件试样各2片，经过入箱前的最大功率等测试，再放入实验箱进行湿热测试，即放入温度为85℃、湿度为85%

的湿热（Dampheat简称DH）试验箱中，保持时间1048h，然后比较入箱前后3种导电胶带制备的发电玻璃的电性能等变化。为了测试发电玻璃承受温度重复变化而引起的热失配、疲劳和其它应力的能力，根据IEC61215－2016，选取3种导电胶带采用高压釜工艺（135℃，1.2MPa，保温40min）制备成第2种碲化镉薄膜电池组件试样各2片，经过入箱前的最大功率等测试，再放入实验箱进行热循环（TC）测试。将其放入低温为-40℃、高温为+85℃的热循环试验箱中，进行200次循环测试。并在-40、+80～+85、+85、+85～+25℃温度段通入电流为小于1%Imax，在-40～+80℃温度段通入电流为100%Imax，然后比较入箱前后3种导电胶带制备的发电玻璃的电性能等变化。为了测试碲化镉薄膜电池组件试验后的缺陷，把经过热循环和湿热测试后的发电玻璃进行EL测试，EL测试时在碲化镉薄膜电池组件的正负极加入正向偏置电压，采用DCPOWERSUPPLYLW-2005KD直流源，电压范围为1.0～1.2Voc，电流范围为1.0～1.2Isc，采用Nikon红外相机观察发电玻璃的缺陷情况。试验结果与分析（1）干热条件下导电胶带的接触电阻测试结果与分析经测试后3种导电胶带在封装前、封装后、封装后在退火炉中85℃保温1000h或73h后各个阶段的导电胶带间的电阻与导电胶带间距的对应值如表1所示。从表1中可以看出，2#导电胶带、1#导电胶带在温度85℃保持1000h后出现部分导电胶带与背电极之间接触电阻达到了MΩ级，而3#导电胶带在温度85℃保持73h后部分出现了类似的情况，这说明导电胶带与背电极已经脱离。从图2、图3、图4拟合出函数R与自变量S的直线中得到R轴的截距，计算后各导电胶带的接触电阻见表2。表1在不同阶段导电胶带间的电阻值图21#导电胶带各段之间的电阻及拟合直线

图32#导电胶带各段之间的电阻及拟合直线图43#导电胶带各段之间的电阻及拟合直线每种导电胶带在封装前、封装后和在85℃退火一段时间后的接触电阻依次先减小后增大。封装后接触电阻变小，是由于在温度和压力的作用下，导电胶带的导电粒子受挤压，充分与发电玻璃的背电极接触形成良好的通路。封装后放入85℃的退火炉中一定时间后，接触电阻变大，这可能与导电胶带在85℃与室温下与背电极的粘结强度有关。（2）湿热测试结果与分析由1#、2#、3#导电胶带分别制备成碲化镉薄膜电池组件，各取2片，分别放入温度为85℃、湿度为85%的试验箱中保持1048h（DH1048），测试结果如表3所示。表3湿热测试前后3种导电胶带制备的碲化镉组件样品电性能数据为了进一步了解造成样品1#-1、1#-2在DH1048后功率衰减过大的原因，对1#-1、1#-2样品进行了EL测试，测试结果见图5、图6。从图5、图6可以看出，DH0短边的贴敷导电胶带的EL图比DH1048短边的贴敷导电胶带的EL图更亮。图5、图6中的DH1048短边边缘出现的暗区较为严重，这与晶硅的虚焊十分相似。说明1#样品中的导电胶带与碲化镉电池的背电极接触不良而导致阴影暗区。由于PVB胶膜相对其它胶膜如SGP，EVA吸水率较高，样品长期在湿热试验箱中，会导致PVB的粘结强度下降，在温度及湿度的影响下导电胶带吸收水汽后变形弯曲，导电胶带与碲化镉电池的背电极脱离，从而导致导电胶带失效。图5样品1#-1的EL图图6样品1#-2的EL图对样品2#-1、2#-2、3#-1、3#-2进行EL测试，短边贴敷导电胶带在DH0，DH1048均未出现暗区，说明导电胶带与碲化镉电池背电极接触良好。（3）热循环测试结果与分析为了确定发电玻璃承受由于温度重复变化而引起的热失配、疲劳和其他应力的能力，对由1#、2#、3#导电胶带分别制备成的BIPV发电玻璃（结构如图1）各取2片，分别放入TC试验箱中进行200次循环的测试，测试结果如表4所示。表4在热循环测试前后3种导电胶带制备的碲化镉组件样品电性能数据从表4中可以看出，样品1#-3、1#-4、3#-3、3#-4组件经过TC200后，功率衰减超过了10%，超过了IEC61215—2016对光伏组件在TC200后功率衰减小于5%的标准。样品2#-3、2#-4经过TC200后，样品功率衰减在5%以内。通过对3种导电胶带制备的组件样品在TC200前后的EL测试可以看出，功率衰减超过10%的样品1#-3、1#-4、3#-3、3#-4四个样品在TC200前后出现了类似样品2#-1、2#-2、3#-1、3#-2的问题，如样品1#-3的TC0和TC200的EL图，如图7所示。而功率衰减小于5%的样品2#-3、2#-4的在TC200前后的EL图与2#-1、2#-2、3#-1、3#-2的DH1000的前后EL图类似，如样品2#-3的TC0和TC200的EL图，如图8所示。这说明导电胶带样品1#、3#在TC测试的过程由于高低温的周期性变化，导致导电胶带的弹性变差，其与背电极的接触性变差。图7样品1#-3的EL图图8样品2#-3的EL图结论通过1#、2#、3#导电胶带接触电阻及高效碲化镉薄膜电池组件经过DH1048、TC200功率及EL测试，得出：（1）1#、2#、3#导电胶带封装前、封装后、保温85℃接触电阻先减小后增大，这表明在一定热压的作用下，导电胶带与碲化镉电池背电极的接触良好，但在温度的作用下，导电胶带与背电极的接触变差。（2）1