金屬粉塵對(duì)組件可靠性的影響

:大多數(shù)人覺(jué)得金屬粉塵的環(huán)境對(duì)光伏組件的影響微乎其微，因?yàn)榻饘俜蹓m不會(huì)和聚合物背板發(fā)生反應(yīng)，也不會(huì)透過(guò)背板進(jìn)入組件內(nèi)部，玻璃主要成分是二氧化硅，相對(duì)比較穩(wěn)定，因此大家往往會(huì)忽略金屬粉塵對(duì)光伏組件的影響。

（來(lái)源：微信公眾號(hào)“摩爾光伏”作者：龔海丹）

然而在實(shí)際運(yùn)行中，很多安裝在金屬加工廠屋頂?shù)姆植际诫娬驹谶\(yùn)行一段時(shí)間后，業(yè)主會(huì)發(fā)現(xiàn)電站的收益遠(yuǎn)低于預(yù)期，測(cè)試組件功率后會(huì)發(fā)現(xiàn)組件功率大幅度下降，因此業(yè)主方投訴組件廠商其光伏組件質(zhì)量存在問(wèn)題。而組件廠商在檢查其組件的EL后發(fā)現(xiàn)這些組件EL完好，組件用的各類材料也是符合出廠質(zhì)量管控標(biāo)準(zhǔn)。那么是什么原因?qū)е掳惭b在金屬加工廠屋頂?shù)慕M件功率大幅度下降？本文通過(guò)實(shí)際案例和模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)解釋這一現(xiàn)象。

1.實(shí)際案例

該鋼鐵加工廠屋頂電站現(xiàn)場(chǎng)的組件外觀表面呈淺黃色。

從表1的電性能衰減來(lái)看，鋼鐵加工廠屋頂?shù)慕M件功率衰減明顯要高于其他廠房屋頂，功率衰減主要來(lái)自：

——Isc的下降。Isc的下降可能來(lái)自玻璃透光率的變化，或是金屬部件的腐蝕引起的電流損壞。

——Voc沒(méi)有明顯的下降，意味著該電站并不存在PID現(xiàn)象。

表1 屋頂電站組件的電性能衰減

分別取鋼鐵加工廠屋頂組件1片和遠(yuǎn)離鋼鐵加工廠屋頂組件1片進(jìn)行分析。兩個(gè)屋頂組件擦拭后如圖3所示。鋼鐵加工廠屋頂?shù)慕M件表面淺黃色無(wú)法擦拭，EL圖顯示電池沒(méi)有明顯腐蝕現(xiàn)象，因此可以排除是由于金屬部件的腐蝕導(dǎo)致的Isc下降。而遠(yuǎn)離鋼鐵加工廠屋頂?shù)慕M件表面灰塵擦拭后，外觀無(wú)明顯的不良，EL除由于多次拆裝導(dǎo)致的隱裂外，無(wú)明顯不良。

表2是兩個(gè)不同屋頂組件的玻璃掃描電鏡（SEM）圖。結(jié)果顯示，在鋼鐵加工廠屋頂?shù)慕M件，其玻璃的表面形貌發(fā)生明顯的變化，鍍膜玻璃的表面嚴(yán)重破壞。橫截面的SEM顯示，膜層中的孔隙已經(jīng)完全破壞，腐蝕嚴(yán)重。而遠(yuǎn)離鋼鐵加工廠屋頂?shù)慕M件，其玻璃的表面形貌輕微發(fā)生變化，橫截面的SEM顯示鍍膜的膜層孔隙減少，這是玻璃中的Na、Ca離子在戶外濕度情況下向表面遷移導(dǎo)致的鍍膜層孔隙被堵，這是鍍膜玻璃正常的變化。

元素分析（EDS）顯示鋼鐵加工廠屋頂?shù)慕M件表面有Fe元素，而遠(yuǎn)離鋼鐵加工廠屋頂?shù)慕M件表面除了Cl和S元素可能是戶外環(huán)境中沉積到玻璃表面的，其余成分與玻璃的初始成分一致，并未檢測(cè)到Fe元素（圖4所示）。

由此可見(jiàn)，鋼鐵加工廠屋頂組件功率大幅度的衰減與Fe元素有極大的關(guān)系，而鋼鐵加工時(shí)空氣中會(huì)存在大量的鐵粉，因此我們推斷是空氣中的鐵粉沉積在組件表面，導(dǎo)致鍍膜層破壞，進(jìn)而影響功率。為了證實(shí)這一推斷，我們做了一系列模擬實(shí)驗(yàn)。

2.模擬實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)方案

選取6片同BOM，同期生產(chǎn)的組件，進(jìn)行表3的模擬測(cè)試。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1實(shí)驗(yàn)后外觀變化

組件玻璃表面噴灑鐵水的1#和2#樣品以及表面均勻噴灑鐵粉的3#樣品，在192小時(shí)測(cè)試后玻璃表面存在不可擦拭的黃色印記。

組件玻璃表面均勻噴灑水的4#樣品，在192小時(shí)測(cè)試后玻璃表面存在一些水印，其它無(wú)異常。

組件玻璃表面未做處理的5#樣品，192小時(shí)測(cè)試后無(wú)任何外觀變化。

在室外存放的6#控制件，192小時(shí)后也無(wú)任何外觀變化。

2.2.2電性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)前后的電性能參數(shù)變化如表4所示?？梢钥闯?，相對(duì)于玻璃表面噴灑水的4#樣品和沒(méi)有做過(guò)處理的5#樣品，玻璃表面接觸了鐵粉的樣品，其功率衰減偏大。組件玻璃表面噴灑鐵水的1#和2#樣品，在85℃，85%R.H.，+/-1000V，192小時(shí)測(cè)試后功率衰減分別為6.4%和18.9%。與戶外實(shí)際案例一致，功率衰減主要是由于Isc的下降導(dǎo)致的。Voc基本沒(méi)有下降，意味著功率衰減并非是PID導(dǎo)致的。組件玻璃表面均勻噴灑鐵粉的3#樣品，在85℃，85%R.H.環(huán)境下192小時(shí)后，功率衰減也達(dá)到了3.8%，同樣衰減主要是由于Isc衰減導(dǎo)致的。

2.2.3 SEM分析

實(shí)驗(yàn)后玻璃表面的SEM結(jié)果如表5所示。與6#控制件相比，1#，2#樣品的鐵銹印處的玻璃表面形貌發(fā)生了明顯的變化，表面凹凸不平，呈腐蝕狀。3#樣品的鐵銹印處的玻璃表面形貌與控制件相比也發(fā)生了輕微的變化，表面呈輕微腐蝕狀。4#樣品的水印處的玻璃表面形貌與控制件相比輕微發(fā)生變化，因?yàn)椴ＡП砻娴腻兡釉跐穸拳h(huán)境下會(huì)發(fā)生緩慢腐蝕，這是鍍膜玻璃的正常變化。

從橫截面的SEM圖形來(lái)看，與6#控制件相比，1#，2#樣品的鐵銹印處的玻璃橫截面顯示玻璃表面膜層已經(jīng)完全破壞，無(wú)法測(cè)出玻璃膜層厚度。3#樣品鐵銹印處的橫截面可以看出鍍膜層的孔隙數(shù)量出現(xiàn)下降，但膜層厚度為100.5nm，與6#控制件基本一致。4#樣品水印處的橫截面也可以看出孔隙在輕微變少，膜層厚度與6#控制件基本一致。4#樣品的變化是因?yàn)殄兡げＡг跐穸拳h(huán)境下，玻璃里面的Na、Ca離子向玻璃表面遷移導(dǎo)致的，屬于鍍膜玻璃的正常變化。

SEM結(jié)果顯示，鐵粉在有濕度不加電壓的情況下，對(duì)玻璃表面膜層存在輕微的腐蝕，當(dāng)鐵粉在有濕度并有電壓的情況可以加速腐蝕玻璃表面膜層，這也意味著當(dāng)空氣中的鐵粉沉積在玻璃表面，在戶外下雨或濕度的情況下鐵粉會(huì)加劇腐蝕玻璃表面。

2.2.4 EDS

EDS顯示玻璃表面接觸鐵粉的組件（1#，2#，3#），在組件表面鐵銹印處均發(fā)現(xiàn)Fe元素。而4#，5#樣品未接觸鐵粉，故元素分析結(jié)果與6#控制件一致。

圖6 實(shí)驗(yàn)后玻璃表面EDS分析

模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與戶外實(shí)際的案例基本一致，進(jìn)一步證實(shí)了鐵粉會(huì)導(dǎo)致玻璃表面膜層的破壞，會(huì)導(dǎo)致功率大幅度的下降。

鐵粉對(duì)鍍膜玻璃影響可能的機(jī)理如下：

——鐵粉在空氣中氧化生產(chǎn)三氧化二鐵；

——正常情況下，三氧化二鐵比較穩(wěn)定，不會(huì)和玻璃（二氧化硅）發(fā)生反應(yīng)，因此可以看到3#樣品玻璃表面的腐蝕是輕微的，Isc電流的下降可能是由于這種輕微的腐蝕導(dǎo)致的玻璃折光指數(shù)的下降；

——但是在有電壓的情況下，由于三氧化二鐵是帶正電荷的強(qiáng)電子物質(zhì)，在-1000V情況下，電子向玻璃內(nèi)遷移，引起膜層結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而影響了折光指數(shù)，導(dǎo)致Isc的下降。而在+1000V下，在三氧化二鐵存在的情況下加速了玻璃中的Na+向玻璃表面遷移，在有濕度的情況下向玻璃表面遷移的Na+會(huì)加速腐蝕膜層，進(jìn)而影響了折光指數(shù)，導(dǎo)致Isc的下降。

3.結(jié)論

安裝在鋼鐵加工廠屋頂?shù)慕M件，空氣中的鐵粉會(huì)吸附在玻璃表面，在濕度環(huán)境及電壓情況下，鐵會(huì)加速玻璃表面膜層的腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致組件功率大幅度下降。

因此，對(duì)于安裝在金屬加工廠房屋頂?shù)姆植际诫娬荆ㄗh加大清洗頻率以避免鐵粉沉積在玻璃表面造成不可逆的破壞，進(jìn)而影響發(fā)電收益。