光伏（PV）組件制造商、安裝商和系統業主在 PV 組件的長期可靠性等方面有著共同的利益。在評估 PV 系統的可靠性時，不能僅注重 PV 組件的性能，更重要的是把控整體 系統性能。只有當從 PV 系統中的電池片到并網到電網中的其所有部件均能發揮預期性 能，并且整套 PV 系統得到可靠維護時，所安裝的 PV 系統才能達到預期水平。

環境狀況、設備溫度、污染程度等 PV 系統安裝場所的具體特點等都會對既定裝置的性 能和預期使用壽命產生直接影響，并且會加速特定場地下的不同老化速率。此外，PV 行業的持續整合可能會導致一些制造商倒閉，從而使制造商的質保承諾得不到保證。 為避免這些問題，PV 制造商應采用全面的質控方案，以解決樣品抽樣合格率、可靠性 測試計劃和測試等效時間等主要問題。

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

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上。這些前提與實 驗室測量數據相結合，在某些情況下，與 通過現場實踐獲得的信息以及現場退回的 產品相關聯。然而，光伏行業是一個相對 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、新設計等）的行 業。相比之下，PV 的預期壽命可達到 20 至 30 年。這些因素嚴重限制了目前可用 于預測 PV 預期使用壽命的數據的可獲性 和價值性。

為解答與 PV 組件使用壽命有關的重大問 題，通常采用加速老化測試方案。通過 這些測試，可采用阿列紐斯法測定活化能 （Ea）。通常情況下，針對溫度、濕度和 紫外線（UV）的 Ea 測量值在確定后，將 用于首次使用壽命預測計算。*1，*2，*3，*4 與當 地天氣數據相結合的 Ea 可為預期使用壽命 的計算提供依據。

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制的觸發。而實際 上，伴隨著幾乎無法預測的隨機且地域性 很強的相關天氣事件（風、狂風、暴風 雨、積雪、結冰和冰雹），會產生不同的 并發退化機制。

圖 1 展示了針對某一類 PV 組件所觀察到 的不同功率損耗曲線（虛線），以及可 能發生的階段保修曲線（藍色和橙色線 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果。本圖所揭示 的主要問題是兩個階段保修曲線中的哪 一條（橙色或藍色）更緊密地關系到實 際壽命性能。

為改善 PV 使用壽命的理論估算方法，有 必要了解各種環境條件之間的相互作用， 以及所觀察到的這些具體條件對 PV 組件 所產生的影響。因此，必須從不同場所采 集性能數據，并開展數據分析，以確定可 能導致故障發生的根本原因。表 1 中列出 了各種環境參數，并展示了所觀察到的導 致 PV 組件故障的一些影響。

圖 1：任意時間范圍內不同退化速率與保修承諾的對比

表 1：環境因素以及所觀察到的 PV 組件現象列表

實現可靠性

PV 組件的耐用性取決于其設計。另一方面，PV 組件的可靠性取決于組件制造工藝的品質和完整性。即使材料質量或制造工藝方面的 細小變化都會影響部件的可靠性。

按照既定標準要求對 PV 組件進行的測試及認證，通常重在關注驗證是否已達到基本的設計要求。現擬采用一種驗證針對不同電池的 長期應力測試和壽終時間測定的組件耐用性方案。*5,*6,*7 通常假設此類長期測試亦可評估 PV 組件 的可靠性，但可靠性測試的目的是驗證 某種產品是否始終在原始設計參數的范 圍內生產。可靠性測試提高了人們對生 產品質的信心，并且其所耗用的時間和 成本均少于耐用性測試。

為保證測試效果，可靠性測試必須檢測多 個樣品。ISO 2859-1，等行業標準能為如 何選取和評估生產樣品提供指導，而且 該標準可用于確定某批次測試產品是否合 格。根據樣品驗收及判定樣品不合格方面 的實際情況，可采用更嚴格或更寬松的抽 樣方案。

然而，考慮到其在 PV 系統可靠運行方面的 重要性，當涉及 PV 組件時，有必要開展更 復雜的質檢。表 2 展示了 ISO 2859-1 測試的 范圍，包括：

• 不同檢測等級（S1-S4 和 G1-G3）所需的 樣品數量及電站規模

• 允收質量等級（AQL）

• 所允許的失效樣品百分比

即將評估的樣品數量將實施統計學層面的 產品差異分配。AQL 確定了在驗收或判定 某既定批次樣品不合格方面的可信度。對 于安全性等一些關鍵測試，較低的 AQL（ 如：0.1）即視為無法容忍的故障（零故 障容忍度）。而在旨在評估失配電池等表 觀缺陷的其它測試中，亦可接受較高的 AQL。行業標準通常規定了判定產品合格 與否的基準。

表 2：適用于可靠性測試的選定測試

注：上表顯示了擬采用的檢測等級、每項測試所需的樣品數量，以及根據 ISO 2859-1 標準所允許的組件失效次數等。其中，“a)”指 的是發電容量為 1MW 的一所電廠，“b)”指的是發電容量為 10MW 的一所電廠，“c)”指的是采用 240W 組件的發電容量為 50MW 的一所電廠）。*15


表 3：關于 UL 為滿足質量和耐用性要求而提供的測試服務

概覽 以上標準也可以根據客戶的要求，采用更嚴格或寬松的條件。然而，在項目及其測試開始前，需要明確用于判定合格與否的具體標準。 UL 自己的測試項目包括上述短期質量測試，以及各項測試的持續性測試，從而評估長期耐用性或失效性測試的范圍。表 3 總體簡要介紹了 各項測試以及各項測試所適用的 PV 工藝技術。

選定測試的詳情

下述章節探討了 PV 組件的選定可靠性測試，并展示了其在評定 PV 組件可靠性時的潛在價值。請務必注意，盡管這些測試并不耗時或成本 高昂，但必須對最少數量的必要樣品加以評估，從而獲得具有統計意義的測試結果，這一點很重要。

電性能測試

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

最后一個不確定性通常是恒定的，但前兩 個可能會對絕對測量值產生重大影響，尤 其是對于薄膜技術而言。

除了這些限制外，電性能測試還可用于考 察與組件可靠性相關的下述幾個方面：

• 確定由于預處理所導致的初始功率損耗

• 生產電性能列表的驗證

• 銘牌額定值驗證

這三個因素對于任何有效估產而言均至關 重要。為在估產方面達到更高的可信度， 最好利用來自于將用于安裝的實際 PV 組 件所獲得的測量數據。該目的可通過在現 場挑選測試樣品的方法予以實現。

根據既定 PV 組件中所采用的減振器技術， 太陽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 5%。圖 2a 展示了實際初始 功率損耗值的電勢分布。然而，在安裝上 千塊組件時，這種分布平均出現在所有組 件上。

生產電性能列表的驗證對選擇 PV 組件制造 商而言是很重要的第一步。生產電性能列 表的驗證用于與通過按標簽數值生產所測 得的功率損耗參數，以及通過第三方測量 值所獲得的數據進行對比。這項驗證工作 驗證了 PV 組件制造商的校正鏈。通常對至 少 20 個單獨組件開展電性能列表驗證，以 確保缺陷的正常分布并減少不確定性。一 般而言，如果所測試的組件較少，則應考 慮更高的測量不確定性。

通常根據 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，即準確的銘牌信息對于實現既定 安裝的能量輸出而言是一個關鍵因素。按 照 EN 50380 和 UL 4730，*9，*10 等標準的要 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 組件在測量 之前必須先穩定下來，并且應對比測量值 與銘牌上的額定值。

圖 2：電性能測試驗證示例。

a）預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示例。在此情況下，實際測得的功率與規定的銘牌額定值相比，約小 2.2%。這種不一致很有可能導 致預期與實際功率輸出之間出現差異。

電致發光：失效檢測與映射

第二種評估方法即電致發光（EL）成像法，主要用于晶體硅 PV 組件，因為若采用這種方法，普遍認為會出現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。根據常規方法評估 EL 圖像可提供與 PV 組件可靠性有 關的有用信息。

圖 3 顯示了兩種組件，每種都存在不同數量、嚴重程度各不相同的裂縫。與組件編號 1 中所述情況相類似的組件通常尚可接受，并能 以可靠的方式發電。與組件編號 2 中所述情況相類似的組件通常會在較短時間后顯示出失效區域，該區域會導致嚴

重的功率損耗。

圖 3：兩個組件的 EL 圖像；組件編號 1 顯示了一些不太嚴重的裂縫，而組件編號 2 則顯示了一些非常嚴

重的缺陷。 通過評估單個批次中的多個圖像，通過缺 陷數量與分布情況確定大致的質量水平 成為可能。圖 4 顯示了此類評估的一個示 例。每個批次都包括相同數量的組件。在 第 1 批中，僅發現了少量隨機分布的缺陷， 這表明測試通過。然而，在第 2 批中，缺 陷組件的數量顯著增加，并且缺陷和電池 裂縫主要集中在 I4 和 J5 區域。

總之，這些觀察結果均說明制造過程或組 件成品運輸過程、或兩個過程都存在重要 問題。無論如何，第 2 批的測試結果無法 接受，并且通過進一步的調查將能找出根 本原因。更多措施可以包括在安裝前對所 有組件開展 EL 檢測或更頻繁的檢測，并對 在用的 PV 系統開展測試。

電勢誘導退化

目前，電勢誘導退化（PID）主要與晶硅 組件相關。盡管一些 c-Si 組件制造商目前 可提供據稱具有避免 PID 抗性的 PV 組件， 但 PID 仍是一個尚待解決的問題。由于采 用了不同的測試程序和可比性指標，但缺 乏關于 PID 和恢復效應之間關聯性方面的 數據，因此為解決 PID 問題所做的工作變 得更為復雜。

遺憾的是，薄膜 PV 組件并不始終能抵御 對地電勢。早期薄膜組件表現出了一些與 透明導電氧化層（TCO）腐蝕（亦稱為“ 條形圖腐蝕”）有關的問題，這是一種非 常明顯的缺陷。但今天的薄膜組件也會表 現出嚴重的 PID，這是一種無法在早期通 過標準測試方案檢測出來的問題。*13

PID 測試重點可能各有不同，具體取決于 對其的期望結果。然而，一些選項包括：

• 針對 PID 磁化率的映射PV組件

• 針對 PID 磁化率的逐批次驗證

• 組件材料（電池和封裝劑）的篩選

• 標準測試條件（STC）及 PID 測試后 的低輻照度性能測試

本列表上的第一項看似很明顯，但額外選 項可為組件的長期可靠性提供更多依據， 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 篩選測試結果。隨著時間的推 移，第 1 種組件表現出了具有不同磁化率 的近似線性的退化。

圖 5：對不同組件的 PID 磁化率的調查（具有三種不同的退化率類型）

所顯示的第 2 種組件實際上是第1種組件的 一種極端案例，因為它可快速達到 100% 的退化，并且不會再隨著時間的推移而進 一步退化。第 3 種組件在 PID 測試的第一 個階段通常比較穩定，但一旦當其達到了 電勢應用的一定閾值后，就會迅速開始退 化。*14必須查明連續實驗室電壓應力測試 下的一般行為（第 1 種或第 3 種），并調 查組件的恢復情況以及可能與系統有關的 選項，這一點至關重要。*16

由于 PV 組件可產生此類天差地別的結果， 因此必須設置合理的測試參數，這一點很 重要。可能有必要根據前期對組件類型的 了解或測試的實際范圍來選擇參數，例如 質量檢查或耐用性調查等。UL 自身的默認 測試方案是通過導電箔產生電勢，從而使 組件在兩周時間內經受系統電壓測試，從 而對整個組件及其所有的太陽能電池實施 均勻篩選。可根據既定項目的具體要求調 整并定制這種默認的參數集。

總結與結論

在競爭日益激烈的市場環境中，制造商們必須為客戶提供符合所承諾的性能規格的 PV 組件。組件的一致可靠性取決于制造流程的質量和完整性，即使微小的變化也會對部件 的可靠性產生不良影響并危及 PV 系統的性能。一種有效且具有統計相關性的可靠性測 試方案有助于確定不符合設計規范的組件，從而使客戶更確信一定能達到預期的 PV 系 統性能。

通過整合多年來的 PV 行業研究成果，UL 制定了可靠的科學測試程序，可從可靠性、性 能和安全性等方面篩選 PV 組件。UL 針對 PV 組件所提供的性能與可靠性服務可提供行 業標準測試方面的第三方證據，以評估包括 PV 組件工廠工序技術檢驗在內的制造流程 中的一致性。可開展附加測試，以證明長期應力對于 PV 組件性能及安全性的影響。 欲了解關于 UL 針對 PV 組件及系統的性能服務方面的更多詳情，敬請與 Bengt Jaeckel （Bengt.Jaeckel@ul.com）或 Christopher Flueckiger（Christopher.Flueckiger@ul.com） 聯系。

參考文獻：

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3.《系統電壓電勢——測試用 PV 組件和方法的誘導退化機制》，P. Hacke 等人，第 37 屆電氣與電子工程師協會 （IEEE）光伏專業學術會議（2011 年）。網址 http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=61860 79&sortTy pe%3Dasc_p_Sequence%26filter%3DAND%28p_IS_Number%3A6185829%29%26pageNumber%3D6 %26rowsPerPage%3D50。

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6.《封閉回路：通過生產測試和磁場失效分析建造可靠的太陽能電池板》，D. DeGraaff，《國際光伏》期刊，2011 年 第 11 期。網址 http://www.solarmediastore.com/closing-the-loop-using-production-testing-and-field-failureanalysis- to-build-reliable-solar-panels.html。

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11. M. Koentges 等人，《光伏組件電致發光》，Photovoltaik aktuell，2008 年

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15.“Lose ziehen,”B. Jaeckel 等人，光伏雜志，2013 年 1 月。

16.《高電勢下晶體硅組件退化與恢復效應調查》，B. Jaeckel 等人，第 40 屆 IEEE 光伏專業學術會議（2014 年） （待提交）