文摘

62 sn36pb2ag焊料连接的腐蚀造成严重困难outdoor-exposed光伏(PV)模块,作为连接退化导致串联电阻的增加( )的光伏模块。在这项研究中,我们研究了缓蚀方法基于腐蚀机理。添加了祭祀的影响金属光伏模块的可靠性评估使用氧化还原(氧化还原)湿热(DH)条件下的反应。实验结果在暴露于DH表明下降的主要原因是模块的填充因子的下降。这种下降归因于的增加 。光伏模块的输出功率的下降没有添加金属牺牲大于样品的金属与牺牲。致发光和电流电压映射分析还表明,光伏模块与祭祀金属降解经验低于样品没有牺牲。

1。介绍

光伏能源的可再生能源市场中占有重要地位。收集的太阳能光伏模块用于工业、公共和个人的需要。在过去的十年中,光伏市场经历了前所未有的增长。在过去的一年里,太阳能已经达到全球累计装机容量约130千瓦(1]。随时间稳定发电的增长是至关重要的光伏产业。随着时间的推移,低功率下降或退化率( ),所有stakeholders-utility公司来说是至关重要的,集成商,投资者和研究者。在财务上,限制光伏模块或系统的退化也同样重要,因为更高 可直接转换为电力生产,从而减少未来的现金流(2]。为了减少 光伏模块的,重要的是要理解模块内的降解机制,因为其中的任何一个可能最终导致失败的整个模块。信息可用的光伏模块已经退化自1970年代初以来[3]。降解机制分为两组:早期退化和长期退化。在最近的研究中,退化问题field-aged PV模块(4,5)已发现植物操作时间短(6)由于光伏模块的设计变化,随着光伏行业工作为太阳能电池和电池板降低生产成本。早期退化包括变色和分层封装材料(7,8),泡沫形成后板(7),细胞裂缝(9),烧细胞引起的热点(7抗反射涂层[],缺陷7]。这些退化还发现在长期field-aged PV模块。此外,焊点的腐蚀10,11焊点[]和裂缝12]发生在长期操作光伏模块。这些降解模式,腐蚀的发生频率最高的国家之一在outdoor-exposed PV模块(10,11,13- - - - - -17]。腐蚀的各种光伏组件被发现增加串联电阻( )的光伏模块18]。重大损失在光伏模块性能是由于细胞的腐蚀,也就是说,SiNx增透膜的降解,或金属材料的腐蚀,如焊接裂缝形成的债券和Ag的手指(16,17]。腐蚀是指金属的破坏性的化学或电化学反应的环境。水分从环境中可能导致电化学反应导致腐蚀,金属的大气水ion-conducting使反应在光伏模块19]。

传统上,个人在晶体硅太阳能电池光伏模块连接在系列使用扁平的铜(铜)电线,蘸熔融焊料材料。铜导线焊接到银(Ag)电极表面上的细胞。62年sn36pb2ag焊料被广泛使用与Ag)由于其良好的可焊性,低熔点温度,满意的机械性能。然而,锡(Sn)和铅(Pb)溶解在大气水的存在,因为电化学腐蚀(20.]。为了理解原电池腐蚀的影响,光伏模块的退化,我们必须理解原电池腐蚀机制。因此,在这项研究中,62年的腐蚀sn36pb2ag焊料互连中检查25-year-aged PV模块。基于观察到的电化学腐蚀机理,开发的一种缓解方法。这缓解方法长期的影响光伏模块的可靠性是湿热(DH)条件下进行评估。

2。焊接互连的腐蚀机理

横断面分析进行25-year-aged晶体硅光伏模块。信息关于这个光伏模块是在先前的研究报告(21]。结果分析显示,锡和铅都可以接受严重腐蚀在光伏模块中随着时间的推移,如图1。扫描电子显微镜照相术意味着Sn和Pb的焊锡材料溶解在水分由于电化学腐蚀(11,22]。在典型的光伏模块的制造,镀铜钢丝是62 sn36pb2ag焊料,生成6电情侣:Ag-Pb, Ag-Sn, Cu-Pb, Cu-Sn Ag-Cu, Sn-Pb。的氧化电位Ag / Ag)(我),铜/铜(II)、Pb / Pb (II),和Sn / Sn (II) + 0.799, + 0.337−0.126,分别和−0.136 V。潜在价值较低的金属,称为牺牲金属,通常会腐蚀在金属更高的利率比潜在的价值。因此,锡和铅材料成为阳极和腐蚀的速度越来越快,而Ag)和铜材料作为所谓的腐蚀电池的阴极。阳极和阴极反应所示(1)和(2),分别为: 氧化和还原发生在阳极和阴极,分别。图2说明了腐蚀机理之间的接口SnPb镀锡的丝带和Ag)。

(一)
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(c)
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图1
横截面扫描电镜显微图:(a) 25-year-aged PV模块,(b)在焊接互连的横断面图像,和(c)能量色散x射线(EDX)映射图像。

图2
腐蚀机理之间的接口SnPb焊料和Ag)粘贴。

显微镜观察结果表明,焊接互连的腐蚀导致了不同组件之间的金属氧化电位值。

因此,与潜在价值低于金属锡和铅,当添加到腐蚀电池系统时,将会作为阳极和腐蚀。锌的氧化电位值/锌(II)和Al / Al (III)−0.763 V和−1.662 V,分别。锌和铝腐蚀速率大于锡和铅,添加到光伏焊系统,如图3。

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(b)
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图3
SnPb焊料的减缓腐蚀的方法:(A)示例没有牺牲的腐蚀金属和(b)与牺牲阳极金属腐蚀的样本(锌或铝)。

3所示。实验

3.1。样品制造

在这项研究中,两种类型的光伏模块准备牺牲阳极的效果进行评估。首先,156毫米×156毫米multicrystalline硅(Si)太阳能电池和两个母线与62年被镀铜钢丝的使用和互联sn36pb2ag焊料。为了加速腐蚀过程,这些模块没有叠层,如图4。一组锌金属焊接的铜导线作为祭祀金属(图4 (b))。另一组没有添加锌金属(图4(一))。在每个条件15细胞准备测试。

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图4
光伏电池的原理:(a)正面样本没有锌和(b)的正面与锌的示例。

接下来,156毫米×156毫米单晶体硅太阳能电池有三个母线。模块四个细胞组成,层压与360毫米×360毫米低铁玻璃和伊娃表,与泰德拉/ PET /泰德拉(TPT)后板,如图5。一组第二组样本Al用作祭祀金属(图5 (b)),而另一个是左是建构。艾尔被用作祭祀的金属,因为它比锌具有较低的氧化电位。艾尔附加到每个样本的质量 g。

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图5
光伏模块的示意图:(a)正面的样本没有基地,(b)正面的样本,和(c)背后的两个样本。
3.2。压力剖面

样品被暴露于湿热(DH)的85°C和85%相对湿度条件,基于IEC 61215标准,3000 h。在测量之前,样品在室温下存储6 h。

3.3。描述

的电气性能,使用太阳能光伏模块测量每500 h仿真系统(K202-Lab200, Mac科学,首尔,韩国)。标准测试条件(一)辐照度:1000 W / m2,(b)电池温度:25°C,和(C)光谱辐照度分布:1.5 g (IEC 60904 - 3)。电流和电压(电流-电压)光伏模块的映射特性是衡量太阳能电池转换效率分布测量系统(MP150 Lasertec有限公司,日本横滨)。致发光(EL Zyla,和或科技有限公司贝尔法斯特,英国)是用于检测光伏模块的退化。

4所示。结果与讨论

4.1。锌金属电气参数的影响

图6表明,锌金属腐蚀增加测试时间。添加锌金属腐蚀后1000 h DH条件下(图6 (d))。这表明牺牲阳极腐蚀而不是锡和铅。探讨锌金属对输出功率的影响,电流-电压特征进行测量,如图7。五个归一化平均电参数的变化,最大的功率输出 ,开路电压 ,短路电流 、填充因数FF和串联电阻 绘制在图7(一)- - - - - -7 (e)分别和总结在表1。平均 每个条件随时间增大而减小。的好细胞, 初始值下降了86.3%,而在细胞锌牺牲阳极 下降了31.1%。图7 (b)表明,几乎没有变化 ,无论牺牲金属补充道。然而, 随着时间的推移和FF和样品减少更多的比与锌的样品。图7 (e)显示, 在修改的细胞和 细胞中含锌增加约1190倍和220年相比初始值,分别。的主要影响 是减少FF,如图7 (d)。的价值 出现在焊点电阻之和,发射器和基础区域,细胞金属化,cell-interconnecting母线(23];增加表明减少力量产生的细胞,最终贬值PV电池的性能。减少 因此可以归因于增加吗 随着时间的推移,这表明下降的主要原因 在细胞的生命周期减少FF。这些结果证实,光伏模块的可靠性可以提高通过牺牲锌光伏电池。

表1
规范化的光伏电池的电参数的变化和3000 h后没有锌。
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图6
金属腐蚀的牺牲、锌、DH曝光:(一)初始,(b) 200 h, (c) 500 h, (d) 1000 h。
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图7
改变平均归一化unlaminated PV电池的电气参数:(a)平均最高功率( ),(b)开路电压( ),(c)短路电流( ),(d)填充因数(FF)和(e)串联电阻( )。
4.2。铝对电气参数的影响

对平均归一化电参数变化在光伏模块和绘制在图8。2500 h后, 模块的使用和不下降了19.3%和28.8%,分别比初始值。几乎没有变化 和 ;然而,模块的FF和没有下降了16.1%和21.5%,分别。 模块有或没有阿尔比初始值增加了44.3%和64.7%,分别。这些结果总结表2。结果暗示的减少 可以归因于FF下降,由于增加了吗 。

表2
规范化的光伏模块的电气参数的变化和2500 h后没有艾尔。
(一)
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图8
改变平均归一化层压光伏模块的电气参数:(a)最大功率( ),(b)填充因数(FF)和(c)串联电阻( )。

EL光伏模块的图像有或没有Al后不同时期的DH曝光图所示9。EL分析检测细胞和其它地区的裂缝,无法到达细胞的电励磁。黑暗的EL图像表明,光伏模块有问题产生当前的位置。这些结果可能是由于太阳能电池退化,电极降解,腐蚀焊接互连的24]。图9表明,光伏模块没有Al显示比样品更剧烈的恶化。这意味着基地的存在影响了降解的光伏模块。也许认为Al扮演了一个角色作为牺牲阳极(SA),因此它是腐蚀而不是锡和铅金属的焊接。

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图9
EL光伏模块的图像:样品没有Al (a) 0 h后,(b) 1000 h, h (c) 2000, (d) 2500 h (DH曝光和样本后与Al (e) 0 h, h (f) 1000, (g) 2000 h, h (h) 2500 DH的曝光。

验证急剧退化的原因光伏模块的EL图片所示有或没有,电流-电压的映射模块执行如图10。图片描述了 光伏模块的映射和2500 h后没有艾尔。蓝色对应于高电阻,而绿色表示相对低电阻图10 ()。光伏模块的图像表明,退化发生在细胞的边缘。图10 ()表明样本与Al(表示“SA”)拥有相对较低 相比,该模块没有。电流-电压曲线区域1、2和3中,标记在图10 ()测量,如图10 (b)。每个区域的大小是4.85厘米2。图10 ()表明, 在区域1高于区域2。这个结果证实了电流-电压曲线如图10 (b)。图10 (b)也表明, 区域1、2和3是等价的;然而, 依赖于细胞区域的位置。从这些结果,预计光伏模块可以使用牺牲减轻腐蚀的金属,这就缓解退化细胞的边缘由于水蒸气的入口。

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图10
电流-电压光伏模块映射分析:(a) 映射图像没有和铝牺牲阳极(SA)和(b)电流-电压曲线中每个标记位置的细胞经过2500 h的DH曝光。

5。结论

本研究的目的是调查的影响牺牲金属DH条件下光伏模块的可靠性。光伏电池退化的主要原因被确定通过分析电化学腐蚀退化的光伏模块25岁。基于电化学腐蚀降解机制,缓解方法涉及使用金属牺牲了。锌和铝被发现在水中更容易腐蚀比锡和铅焊料。锌或铝在光伏电池的铜汇流排、镀62 sn36pb2ag焊料。电气特性测试结果DH曝光后显示的主要原因 降低光伏电池岁FF的下降。这种下降归因于的增加 。的 在光伏电池没有任何添加金属会增加更大的比 光伏电池的锌或者铝。增加补充道 与焊接有关腐蚀。EL图像同时显示,光伏模块与祭祀金属不如样本退化没有牺牲。最后,大多数退化发生在细胞的边缘,根据 映射的图像,使用金属牺牲可缓解。我们得出这样的结论:牺牲金属可以提高DH条件下光伏组件的长期可靠性。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作是由韩国的新能源和可再生能源研究所能源技术评估和规划(KETEP)拨款的贸易、工业和能源(MOTIE)(没有。2012 t100100605)。