黄子健  郑晨焱  龚海丹  邢万荣  武耀忠  彭宇

 

【编者按】PERC、黑硅、IBC背接触、HIT，这些词语对于光伏人已经越来越耳熟能详。为了实现平价上网，降低度电成本，一代又一代的光伏人都在致力于电池效率的提升。但随着高效电池逐渐商用，由于电池输出电流的提高而带来的负面影响也逐渐显现。其中比较显著的就是组件发生热斑时，热斑电池温度的大幅提升。不但已经接近甚至超过了硅基材料的PN结温，加速了高分子封装材料的降解和失效，甚至远远超过了各家组件厂提供的85度工作温度范围。为光伏系统25年的安全可靠使用带来了潜在的不确定性。

 

       本站特邀光伏组件技术专家黄子健先生主笔，编写了《无热斑组件》系列技术专题。本篇《150摄氏度，高效光伏组件的门槛》，从组件发电原理、材料特性、环境等诸多方面，全面阐述高效组件对传统组件结构和材料设计的挑战，以此警示业界追求高效率创新的同时，应综合考虑、提前预判各种可能的失效因素，尽最大可能消除创新产品的应用障碍。

 

       本文主要针对电池效率提升之后，热斑高温对光伏组件及其材料的影响进行探讨。

 

 

       TUV 南德中华区光伏产品部总监许海亮指出：“随着电池效率的不断提升，组件的输出功率越来越高，对高效组件热斑保护也越来越受到关注。组件安装后很多情况下热斑是不可控的，对于高效组件来说热斑导致的组件温度会更高，更高的工作温度将挑战传统的组件材料、结构设计、测试序列，因此对于高效组件的热斑保护就格外重要。那么光伏组件到底能够挑战多高的工作温度？在《无热斑专题(1)：组件差异化亮点 - 无热斑组件和传统组件热斑温度对比》一文中，专家从各种试验结果中分析认为，150摄氏度，是高效光伏组件的门槛和挑战。

 

       从《无热斑专题(1)：组件差异化亮点 - 无热斑组件和传统组件热斑温度对比》中得出的结论是150C，该温度被认为是高效光伏组件的桎梏，那为什么是150度，而不是更高或更低呢？当然我们这里讨论的主要是针对市场占有率超过90%以上份额的晶硅光伏组件。本篇首先从光伏电池的材料、工艺、工作原理等方面来分析。

 

       让我们先来回想一下光伏电池的物理知识：

 

       众所周知，PN结是由p型半导体和n型半导体构成的。一般情况下，随着温度的升高，热效应会自然产生电子空穴对，导致硅基的本征载流子浓度不断升高，从而造成对于PN结工作最重要的掺杂载流子浓度就会受到制约，PN结的性能将不断下降。当温度升高到一定程度时，PN结几乎全部转变为本征半导体，硅片几乎处于完全导电体的状态，PN结的功能已经不存在。这一效应常常被称为半导体的温度载流子效应。

 

       因此，一般情况下，PN结有一个最高的工作温度，即最高结温 - PN结势垒失去功能时的温度，或开始转变为本征导体时的温度，这也是PN结正常工作时可承受温度的极限。如果温度升高到使得器件的某个区域转变成了本征半导体的话，那么该器件也就失去了工作的物理基础，所以这个转变也就限制了半导体器件的最高工作温度。

 

       因此，对于任何依靠PN结发电的组件，最高结温是我们最关心的数字。从下图我们可以理解150度是从何而来。

 

       由于硅基材料的禁带宽度（Eg=1.12eV）决定了其最高工作温度。从图中可以看到，一般情况下硅基材料的最高结温Tjm 在150摄氏度左右。也就是说当PN结工作超过150摄氏度时，由于硅材料电流会大大增加，导致器件局部温度快速上升，对材料产生了不可逆的破坏作用，功能受到破坏。因此，在正常工作的情况下，超过这个最高结温。将意味着器件的损坏风险大大增加。