Fraunhofer ISE最新研究：TOPCon光伏组件湿热DH与紫外UV衰减机制

 

光伏电站寿命需超20年，可靠性测试和质量保障至关重要，特别是湿气侵入和抗紫外线（UV）辐射能力。国际电工委员会（IEC）标准（如IEC 61215）提供了室内加速老化测试指南，但挑战在于如何关联户外实际工况。TOPCon技术因银铝（Ag-Al）浆正面金属化易受湿气腐蚀，且SiNx钝化层在UV下易断裂Si-H键，导致缺陷密度增加。其中美能温湿度综合环境试验箱可以进行室内加速老化，满足IEC61215等标准。本研究通过室内湿热DH老化和紫外UV老化结合后续8个月户外暴露，探究TOPCon、HJT、PERC组件衰减机制。

实验方法
 

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样品与分组

选取市面上常见的三种双面光伏组件：HJT（H1、H2）、TOPCon（T1、T2、T3）及 PERC（P1）。所有样品初始参数均在实验室标准测试条件（STC）下测量，涵盖最大功率（PMPP）、开路电压（Voc）、短路电流（Isc）等关键指标。

实验室STC下测得的光伏组件参数（正面照射）及最大功率温度系数（TC PMPP）

实验设计

实验流程概览：（左）湿热老化实验设置；（右）紫外老化实验设置。绿色为标准测试条件（STC），蓝色为非STC测试，橙色为加速老化程序

进行湿热DH和紫外UV两组老化实验。每种光伏组件取四个样本：两个“新”样本（M01, M02）按IEC 61853-1标准进行STC与非STC室内特性测试；另两个样本（M03, M04）进行加速老化，并在老化前后进行STC测试。所有样本随后户外暴露约8个月（夏季开始），期间持续监测其在MPP运行的IV曲线。

室内加速老化

湿热老化组按 IEC 61215–2 标准，在 85℃、85% RH条件下测试2000小时；紫外老化组采用改良自 IEC 61730-2 的方案，进行 60 kWh/m² 紫外剂量暴露。

户外暴露

 

DH样品安装于德国Merdingen开放支架（30°倾角）；

UV样品置于弗莱堡屋顶（背面遮盖模拟单面组件）。

数据处理

通过 IV 曲线获取Isc、Voc、PMPP、FF及Rs等特征参数。数据过滤至775–825 W/m²辐照度区间，归一化至800 W/m²及42.5°C以降低测量不确定性。

湿热老化对组件性能的影响

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DH老化实验组件首周户外性能（NPMPP-0），虚线箱型图为实验室老化样品

室内湿热老化测试显示，不同类型组件的性能退化存在差异。HJT ( H1、H2 ) 和 TOPCon ( T1 ) 的 PMPP 降幅较大( 2.5%-3% ) ，主因 FF 下降和 Rs 增加；TOPCon ( T2 ) 和 PERC( P1 ) 的退化相对轻微（<2% ) 。

T2、H1、P1组件DH老化2000h后5个月户外外观检查（可见边缘变色与滴痕）

户外暴露进一步揭示了湿热老化的长期影响：TOPCon（T1）的老化样品8个月内 PMPP 持续退化达9.75%，FF 下降 9.4%，Rs 增加约 20%，EL图像显示其边缘明显暗区，印证了湿气侵入引发腐蚀退化；HJT （H2）也因湿气侵入导致封装变色、Rs 上升而性能衰退。值得注意的是，部分全新组件（如 H2、P1）户外暴露 8 个月后，退化程度超过室内测试结果，提示户外复杂环境可能激活新退化机制。

紫外老化对组件性能的影响

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TOPCon-T3组件首周户外性能（NPMPP-0），虚线箱型图为紫外老化样品

TOPCon（T3）紫外老化测试显示，60 kWh/m² 的紫外暴露后，组件 PMPP 下降 2.5% ，Voc 下降 1.5%，这与表面钝化层劣化相关。户外暴露初期（1 周内），老化与全新样品的 PMPP 差异为 2.4%，与室内结果一致；随着暴露延长，在自然昼夜循环下，老化样品的 Voc 趋于稳定趋势，印证了紫外退化在户外环境中的“稳定效应”。

所有TOPCon新样品Voc在户外暴露期间的演变（含背面遮挡差异）

此外，对比不同安装方式的 TOPCon 组件发现：开放式支架安装的 T1、T2 组件（无背部遮挡）Voc 降幅达 1%，而背部遮挡的 T3 组件 Voc 降幅小于 0.25%，提示背部紫外辐射可能是户外 Voc 退化因素之一，需进一步研究。

本研究提出一种结合室内外测量的方法，用于探究TOPCon组件的特定衰减机制，并与异质结（HJT）和钝化发射极背接触（PERC）技术进行对比。组件经历湿热DH或紫外UV加速老化后，与未老化样本共同户外暴露。该方法揭示了湿气侵入的严重性及其对串联电阻增加和填充因子降低的影响，并确定UV老化期间开路电压（Voc）下降是性能衰退的主因，同时验证了实验室中相当于昼夜循环的稳定化行为。

美能温湿度综合环境试验箱

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美能温湿度综合环境试验箱采用进口温度控制器，能够实现多段温度编程，具有高精确度和良好的可靠性，满足不同气候条件下的测试需求。

温度范围：20℃~+130℃

温湿度范围：10%RH~98%RH(at+20℃-+85℃）

满足试验标准：IEC61215、IEC61730、UL1703等检测标准

美能温湿度综合环境试验箱可以提供可靠的室内加速老化测试，符合IEC检测标准，为精确模拟湿热应力环境提供了保障。

原文参考：Combination of Indoor and Outdoor Measurements for the Identification of Degradation Trends in PV Modules

 

 

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