光伏（PV）組件制造商、安裝商和系統(tǒng)業(yè)主在 PV 組件的長(zhǎng)期可靠性等方面有著共同的利益。在評(píng)估 PV 系統(tǒng)的可靠性時(shí)，不能僅注重 PV 組件的性能，更重要的是把控整體系統(tǒng)性能。只有當(dāng)從 PV 系統(tǒng)中的電池片到并網(wǎng)到電網(wǎng)中的其所有部件均能發(fā)揮預(yù)期性能，并且整套PV系統(tǒng)得到可靠維護(hù)時(shí)，所安裝的 PV 系統(tǒng)才能達(dá)到預(yù)期水平。

　　環(huán)境狀況、設(shè)備溫度、污染程度等 PV 系統(tǒng)安裝場(chǎng)所的具體特點(diǎn)等都會(huì)對(duì)既定裝置的性 能和預(yù)期使用壽命產(chǎn)生直接影響，并且會(huì)加速特定場(chǎng)地下的不同老化速率。此外，PV 行業(yè)的持續(xù)整合可能會(huì)導(dǎo)致一些制造商倒閉，從而使制造商的質(zhì)保承諾得不到保證。 為避免這些問題，PV 制造商應(yīng)采用全面的質(zhì)控方案，以解決樣品抽樣合格率、可靠性 測(cè)試計(jì)劃和測(cè)試等效時(shí)間等主要問題。

　　UL 白皮書中探討了有助于制造商及客戶評(píng)估在真實(shí)條件下 PV 組件可靠性的各種測(cè)試方法。白皮書首先闡述了組件在 PV 系統(tǒng)性能中的耐用性和可靠性狀況，并探討了在評(píng)估組件可靠性時(shí)平均壽命理論模型的缺點(diǎn)。其次，白皮書還介紹了 PV 組件可靠性評(píng)估 的框架，并展示了三種不同的測(cè)試如何在持續(xù)質(zhì)檢程序環(huán)境下提供有意義的組件可靠性數(shù)據(jù)。

　　使用壽命的理論估算方法

　　PV 組件的使用壽命或壽命周期建模是建立在一系列前提的基礎(chǔ)上。這些前提與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合，在某些情況下，與通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐獲得的信息以及現(xiàn)場(chǎng)退回的 產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)。然而，光伏行業(yè)是一個(gè)相對(duì) 較新且快速變化并注重提高效率（即：更 高效的電池、新型材料、新設(shè)計(jì)等）的行 業(yè)。相比之下，PV 的預(yù)期壽命可達(dá)到 20 至 30 年。這些因素嚴(yán)重限制了目前可用 于預(yù)測(cè) PV 預(yù)期使用壽命的數(shù)據(jù)的可獲性 和價(jià)值性。

　　為解答與 PV 組件使用壽命有關(guān)的重大問 題，通常采用加速老化測(cè)試方案。通過 這些測(cè)試，可采用阿列紐斯法測(cè)定活化能 （Ea）。通常情況下，針對(duì)溫度、濕度和 紫外線（UV）的 Ea 測(cè)量值在確定后，將 用于首次使用壽命預(yù)測(cè)計(jì)算。*1，*2，*3，*4 與當(dāng) 地天氣數(shù)據(jù)相結(jié)合的 Ea 可為預(yù)期使用壽命 的計(jì)算提供依據(jù)。

　　然而，這種方法所存在的基本問題在于其 僅取決于單一失效機(jī)制的觸發(fā)。而實(shí)際 上，伴隨著幾乎無法預(yù)測(cè)的隨機(jī)且地域性 很強(qiáng)的相關(guān)天氣事件（風(fēng)、狂風(fēng)、暴風(fēng) 雨、積雪、結(jié)冰和冰雹），會(huì)產(chǎn)生不同的 并發(fā)退化機(jī)制。

　　圖 1 展示了針對(duì)某一類PV 組件所觀察到的不同功率損耗曲線（虛線），以及可能發(fā)生的階段保修曲線（藍(lán)色和橙色線 條）。綠色和紅色曲線顯示的是任意組 合的退化曲線，并且每條曲線都是三種 不同因素共同作用的結(jié)果。本圖所揭示 的主要問題是兩個(gè)階段保修曲線中的哪 一條（橙色或藍(lán)色）更緊密地關(guān)系到實(shí) 際壽命性能。

　　為改善 PV 使用壽命的理論估算方法，有必要了解各種環(huán)境條件之間的相互作用，以及所觀察到的這些具體條件對(duì) PV 組件所產(chǎn)生的影響。因此，必須從不同場(chǎng)所采集性能數(shù)據(jù)，并開展數(shù)據(jù)分析，以確定可能導(dǎo)致故障發(fā)生的根本原因。表 1 中列出了各種環(huán)境參數(shù)，并展示了所觀察到的導(dǎo)致 PV 組件故障的一些影響。

　圖 1：任意時(shí)間范圍內(nèi)不同退化速率與保修承諾的對(duì)比

　　　表 1：環(huán)境因素以及所觀察到的 PV 組件現(xiàn)象列表

　　實(shí)現(xiàn)可靠性

　　PV 組件的耐用性取決于其設(shè)計(jì)。另一方面，PV 組件的可靠性取決于組件制造工藝的品質(zhì)和完整性。即使材料質(zhì)量或制造工藝方面的 細(xì)小變化都會(huì)影響部件的可靠性。

　　按照既定標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì) PV 組件進(jìn)行的測(cè)試及認(rèn)證，通常重在關(guān)注驗(yàn)證是否已達(dá)到基本的設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)擬采用一種驗(yàn)證針對(duì)不同電池的 長(zhǎng)期應(yīng)力測(cè)試和壽終時(shí)間測(cè)定的組件耐用性方案。*5,*6,*7 通常假設(shè)此類長(zhǎng)期測(cè)試亦可評(píng)估 PV 組件 的可靠性，但可靠性測(cè)試的目的是驗(yàn)證 某種產(chǎn)品是否始終在原始設(shè)計(jì)參數(shù)的范 圍內(nèi)生產(chǎn)?？煽啃詼y(cè)試提高了人們對(duì)生 產(chǎn)品質(zhì)的信心，并且其所耗用的時(shí)間和 成本均少于耐用性測(cè)試。

　　為保證測(cè)試效果，可靠性測(cè)試必須檢測(cè)多個(gè)樣品。ISO 2859-1，等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)能為如何選取和評(píng)估生產(chǎn)樣品提供指導(dǎo)，而且該標(biāo)準(zhǔn)可用于確定某批次測(cè)試產(chǎn)品是否合格。根據(jù)樣品驗(yàn)收及判定樣品不合格方面 的實(shí)際情況，可采用更嚴(yán)格或更寬松的抽 樣方案。

　　然而，考慮到其在 PV 系統(tǒng)可靠運(yùn)行方面的 重要性，當(dāng)涉及 PV 組件時(shí)，有必要開展更 復(fù)雜的質(zhì)檢。表 2 展示了 ISO 2859-1 測(cè)試的 范圍，包括：

　　· 不同檢測(cè)等級(jí)（S1-S4 和 G1-G3）所需的 樣品數(shù)量及電站規(guī)模

　　· 允收質(zhì)量等級(jí)（AQL）

　　· 所允許的失效樣品百分比

　　即將評(píng)估的樣品數(shù)量將實(shí)施統(tǒng)計(jì)學(xué)層面的 產(chǎn)品差異分配。AQL 確定了在驗(yàn)收或判定 某既定批次樣品不合格方面的可信度。對(duì) 于安全性等一些關(guān)鍵測(cè)試，較低的 AQL（ 如：0.1）即視為無法容忍的故障（零故 障容忍度）。而在旨在評(píng)估失配電池等表 觀缺陷的其它測(cè)試中，亦可接受較高的 AQL。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定了判定產(chǎn)品合格 與否的基準(zhǔn)。

　　表 2：適用于可靠性測(cè)試的選定測(cè)試

　　注：上表顯示了擬采用的檢測(cè)等級(jí)、每項(xiàng)測(cè)試所需的樣品數(shù)量，以及根據(jù) ISO 2859-1 標(biāo)準(zhǔn)所允許的組件失效次數(shù)等。其中，“a)”指 的是發(fā)電容量為 1MW 的一所電廠，“b)”指的是發(fā)電容量為 10MW 的一所電廠，“c)”指的是采用 240W 組件的發(fā)電容量為 50MW 的一所電廠）。*15

　　表 3：關(guān)于 UL 為滿足質(zhì)量和耐用性要求而提供的測(cè)試服務(wù)

　　概覽以上標(biāo)準(zhǔn)也可以根據(jù)客戶的要求，采用更嚴(yán)格或?qū)捤傻臈l件。然而，在項(xiàng)目及其測(cè)試開始前，需要明確用于判定合格與否的具體標(biāo)準(zhǔn)。 UL 自己的測(cè)試項(xiàng)目包括上述短期質(zhì)量測(cè)試，以及各項(xiàng)測(cè)試的持續(xù)性測(cè)試，從而評(píng)估長(zhǎng)期耐用性或失效性測(cè)試的范圍。表 3 總體簡(jiǎn)要介紹了 各項(xiàng)測(cè)試以及各項(xiàng)測(cè)試所適用的 PV 工藝技術(shù)。

　　選定測(cè)試的詳情

　　下述章節(jié)探討了 PV 組件的選定可靠性測(cè)試，并展示了其在評(píng)定 PV 組件可靠性時(shí)的潛在價(jià)值。請(qǐng)務(wù)必注意，盡管這些測(cè)試并不耗時(shí)或成本 高昂，但必須對(duì)最少數(shù)量的必要樣品加以評(píng)估，從而獲得具有統(tǒng)計(jì)意義的測(cè)試結(jié)果，這一點(diǎn)很重要。

　　電性能測(cè)試

　　電性能測(cè)試是一種可在既定的不確定性范圍內(nèi)驗(yàn)證 PV 組件輸出功率的有效方法。這種不確定性主要來自某個(gè)既定 PV 組件的光譜靈敏 度、舊光源以及校正鏈上一般的測(cè)量不確定性等。

　　最后一個(gè)不確定性通常是恒定的，但前兩 個(gè)可能會(huì)對(duì)絕對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生重大影響，尤 其是對(duì)于薄膜技術(shù)而言。

　　除了這些限制外，電性能測(cè)試還可用于考 察與組件可靠性相關(guān)的下述幾個(gè)方面：

　　· 確定由于預(yù)處理所導(dǎo)致的初始功率損耗

　　· 生產(chǎn)電性能列表的驗(yàn)證

　　· 銘牌額定值驗(yàn)證

　　這三個(gè)因素對(duì)于任何有效估產(chǎn)而言均至關(guān) 重要。為在估產(chǎn)方面達(dá)到更高的可信度， 最好利用來自于將用于安裝的實(shí)際 PV 組 件所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)。該目的可通過在現(xiàn) 場(chǎng)挑選測(cè)試樣品的方法予以實(shí)現(xiàn)。

　　根據(jù)既定 PV 組件中所采用的減振器技術(shù)， 太陽(yáng)能電池存在初始功率損耗。多晶電池 的平均初始退化一般均低于 1%，而單晶電 池則可能高達(dá) 5%。圖 2a 展示了實(shí)際初始 功率損耗值的電勢(shì)分布。然而，在安裝上 千塊組件時(shí)，這種分布平均出現(xiàn)在所有組 件上。

　　生產(chǎn)電性能列表的驗(yàn)證對(duì)選擇 PV 組件制造 商而言是很重要的第一步。生產(chǎn)電性能列 表的驗(yàn)證用于與通過按標(biāo)簽數(shù)值生產(chǎn)所測(cè) 得的功率損耗參數(shù)，以及通過第三方測(cè)量 值所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。這項(xiàng)驗(yàn)證工作 驗(yàn)證了 PV 組件制造商的校正鏈。通常對(duì)至 少 20 個(gè)單獨(dú)組件開展電性能列表驗(yàn)證，以 確保缺陷的正常分布并減少不確定性。一 般而言，如果所測(cè)試的組件較少，則應(yīng)考 慮更高的測(cè)量不確定性。

　　通常根據(jù) PV 組件銘牌額定值出售 PV 組 件。PV 組件銘牌上的額定功率用于模擬能 量輸出，即準(zhǔn)確的銘牌信息對(duì)于實(shí)現(xiàn)既定 安裝的能量輸出而言是一個(gè)關(guān)鍵因素。按 照 EN 50380 和 UL 4730，*9，*10 等標(biāo)準(zhǔn)的要 求，銘牌上的額定值必須考慮所有初始退 化或光輻照的影響。因此，PV 組件在測(cè)量 之前必須先穩(wěn)定下來，并且應(yīng)對(duì)比測(cè)量值 與銘牌上的額定值。

　　圖 2：電性能測(cè)試驗(yàn)證示例。

　　a）預(yù)處理后的組件功率損耗。

　　b）功率偏差與銘牌上的額定功率。

　　圖 2b 中顯示了銘牌額定值的一個(gè)示例。在此情況下，實(shí)際測(cè)得的功率與規(guī)定的銘牌額定值相比，約小 2.2%。這種不一致很有可能導(dǎo) 致預(yù)期與實(shí)際功率輸出之間出現(xiàn)差異。

　　電致發(fā)光：失效檢測(cè)與映射

　　第二種評(píng)估方法即電致發(fā)光（EL）成像法，主要用于晶體硅 PV 組件，因?yàn)槿舨捎眠@種方法，普遍認(rèn)為會(huì)出現(xiàn)明顯的各種組件缺陷。*11，*12 通過 EL 成像，能確定各種不同類型的缺陷，每種都有其根本原因和性能影響。根據(jù)常規(guī)方法評(píng)估 EL 圖像可提供與 PV 組件可靠性有 關(guān)的有用信息。

　　圖 3 顯示了兩種組件，每種都存在不同數(shù)量、嚴(yán)重程度各不相同的裂縫。與組件編號(hào) 1 中所述情況相類似的組件通常尚可接受，并能 以可靠的方式發(fā)電。與組件編號(hào) 2 中所述情況相類似的組件通常會(huì)在較短時(shí)間后顯示出失效區(qū)域，該區(qū)域會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的功率損耗。

　　圖 3：兩個(gè)組件的 EL 圖像；組件編號(hào) 1 顯示了一些不太嚴(yán)重的裂縫，而組件編號(hào) 2 則顯示了一些非常嚴(yán)重的缺陷。

　　 通過評(píng)估單個(gè)批次中的多個(gè)圖像，通過缺 陷數(shù)量與分布情況確定大致的質(zhì)量水平 成為可能。圖 4 顯示了此類評(píng)估的一個(gè)示 例。每個(gè)批次都包括相同數(shù)量的組件。在 第 1 批中，僅發(fā)現(xiàn)了少量隨機(jī)分布的缺陷， 這表明測(cè)試通過。然而，在第 2 批中，缺 陷組件的數(shù)量顯著增加，并且缺陷和電池 裂縫主要集中在 I4 和 J5 區(qū)域。

　　總之，這些觀察結(jié)果均說明制造過程或組 件成品運(yùn)輸過程、或兩個(gè)過程都存在重要 問題。無論如何，第 2 批的測(cè)試結(jié)果無法 接受，并且通過進(jìn)一步的調(diào)查將能找出根 本原因。更多措施可以包括在安裝前對(duì)所 有組件開展 EL 檢測(cè)或更頻繁的檢測(cè)，并對(duì) 在用的 PV 系統(tǒng)開展測(cè)試。

　　電勢(shì)誘導(dǎo)退化

　　目前，電勢(shì)誘導(dǎo)退化（PID）主要與晶硅 組件相關(guān)。盡管一些 c-Si 組件制造商目前 可提供據(jù)稱具有避免 PID 抗性的 PV 組件， 但 PID 仍是一個(gè)尚待解決的問題。由于采 用了不同的測(cè)試程序和可比性指標(biāo)，但缺 乏關(guān)于 PID 和恢復(fù)效應(yīng)之間關(guān)聯(lián)性方面的 數(shù)據(jù)，因此為解決 PID 問題所做的工作變 得更為復(fù)雜。

　　遺憾的是，薄膜 PV 組件并不始終能抵御 對(duì)地電勢(shì)。早期薄膜組件表現(xiàn)出了一些與 透明導(dǎo)電氧化層（TCO）腐蝕（亦稱為“ 條形圖腐蝕”）有關(guān)的問題，這是一種非 常明顯的缺陷。但今天的薄膜組件也會(huì)表 現(xiàn)出嚴(yán)重的 PID，這是一種無法在早期通 過標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方案檢測(cè)出來的問題。*13

　　PID 測(cè)試重點(diǎn)可能各有不同，具體取決于 對(duì)其的期望結(jié)果。然而，一些選項(xiàng)包括：

　　· 針對(duì) PID 磁化率的映射PV組件

　　· 針對(duì) PID 磁化率的逐批次驗(yàn)證

　　· 組件材料（電池和封裝劑）的篩選

　　· 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）及 PID 測(cè)試后 的低輻照度性能測(cè)試

　　本列表上的第一項(xiàng)看似很明顯，但額外選 項(xiàng)可為組件的長(zhǎng)期可靠性提供更多依據(jù)， 從而能通過更迅速的措施確定并解決 PID 問題。

　　圖 5 顯示了來自三家不同制造商的三種組 件的 PID 篩選測(cè)試結(jié)果。隨著時(shí)間的推 移，第 1 種組件表現(xiàn)出了具有不同磁化率 的近似線性的退化。

　　圖 5：對(duì)不同組件的 PID 磁化率的調(diào)查（具有三種不同的退化率類型）

　　所顯示的第 2 種組件實(shí)際上是第1種組件的 一種極端案例，因?yàn)樗煽焖龠_(dá)到 100% 的退化，并且不會(huì)再隨著時(shí)間的推移而進(jìn) 一步退化。第 3 種組件在 PID 測(cè)試的第一 個(gè)階段通常比較穩(wěn)定，但一旦當(dāng)其達(dá)到了 電勢(shì)應(yīng)用的一定閾值后，就會(huì)迅速開始退 化。*14必須查明連續(xù)實(shí)驗(yàn)室電壓應(yīng)力測(cè)試 下的一般行為（第 1 種或第 3 種），并調(diào) 查組件的恢復(fù)情況以及可能與系統(tǒng)有關(guān)的 選項(xiàng)，這一點(diǎn)至關(guān)重要。*16

　　由于 PV 組件可產(chǎn)生此類天差地別的結(jié)果， 因此必須設(shè)置合理的測(cè)試參數(shù)，這一點(diǎn)很 重要?？赡苡斜匾鶕?jù)前期對(duì)組件類型的 了解或測(cè)試的實(shí)際范圍來選擇參數(shù)，例如 質(zhì)量檢查或耐用性調(diào)查等。UL 自身的默認(rèn) 測(cè)試方案是通過導(dǎo)電箔產(chǎn)生電勢(shì)，從而使 組件在兩周時(shí)間內(nèi)經(jīng)受系統(tǒng)電壓測(cè)試，從 而對(duì)整個(gè)組件及其所有的太陽(yáng)能電池實(shí)施 均勻篩選?？筛鶕?jù)既定項(xiàng)目的具體要求調(diào) 整并定制這種默認(rèn)的參數(shù)集。

　　總結(jié)與結(jié)論

　　在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)環(huán)境中，制造商們必須為客戶提供符合所承諾的性能規(guī)格的 PV 組件。組件的一致可靠性取決于制造流程的質(zhì)量和完整性，即使微小的變化也會(huì)對(duì)部件 的可靠性產(chǎn)生不良影響并危及 PV 系統(tǒng)的性能。一種有效且具有統(tǒng)計(jì)相關(guān)性的可靠性測(cè) 試方案有助于確定不符合設(shè)計(jì)規(guī)范的組件，從而使客戶更確信一定能達(dá)到預(yù)期的 PV 系 統(tǒng)性能。

　　通過整合多年來的 PV 行業(yè)研究成果，UL 制定了可靠的科學(xué)測(cè)試程序，可從可靠性、性 能和安全性等方面篩選 PV 組件。UL 針對(duì) PV 組件所提供的性能與可靠性服務(wù)可提供行 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方面的第三方證據(jù)，以評(píng)估包括 PV 組件工廠工序技術(shù)檢驗(yàn)在內(nèi)的制造流程 中的一致性?？砷_展附加測(cè)試，以證明長(zhǎng)期應(yīng)力對(duì)于 PV 組件性能及安全性的影響。