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150摄氏度 | 高效光伏组件的门槛之光伏电池致命温度
本站特邀光伏组件技术专家黄子健先生主笔，编写了《无热斑组件》系列技术专题。本篇《150摄氏度，高效光伏组件的门槛》，从组件发电原理、材料特性、环境等诸多方面，全面阐述高效组件对传统组件结构和材料设计的挑战，以此警示业界追求高效率创新的同时，应综合考虑、提前预判各种可能的失效因素，尽最大可能消除创新产品的应用障碍。
本文主要针对电池效率提升之后，热斑高温对光伏组件及其材料的影响进行探讨。
150摄氏度，高效光伏组件的门槛系列（1）：光伏电池的致命温度
TUV 南德中华区光伏产品部总监许海亮指出：“随着电池效率的不断提升，组件的输出功率越来越高，对高效组件热斑保护也越来越受到关注。组件安装后很多情况下热斑是不可控的，对于高效组件来说热斑导致的组件温度会更高，更高的工作温度将挑战传统的组件材料、结构设计、测试序列，因此对于高效组件的热斑保护就格外重要。那么光伏组件到底能够挑战多高的工作温度？在《无热斑专题(1)：组件差异化亮点 - 无热斑组件和传统组件热斑温度对比》一文中，专家从各种试验结果中分析认为，150摄氏度，是高效光伏组件的门槛和挑战。
为什么是150度？
从《无热斑专题(1)：组件差异化亮点 - 无热斑组件和传统组件热斑温度对比》中得出的结论是150C，该温度被认为是高效光伏组件的桎梏，那为什么是150度，而不是更高或更低呢？当然我们这里讨论的主要是针对市场占有率超过90%以上份额的晶硅光伏组件。本篇首先从光伏电池的材料、工艺、工作原理等方面来分析。 让我们先来回想一下光伏电池的物理知识：
众所周知，PN结是由p型半导体和n型半导体构成的。一般情况下，随着温度的升高，热效应会自然产生电子空穴对，导致硅基的本征载流子浓度不断升高，从而造成对于PN结工作最重要的掺杂载流子浓度就会受到制约，PN结的性能将不断下降。当温度升高到一定程度时，PN结几乎全部转变为本征半导体，硅片几乎处于完全导电体的状态，PN结的功能已经不存在。这一效应常常被称为半导体的温度载流子效应。
因此，对于任何依靠PN结发电的组件，最高结温是我们最关心的数字。从下图我们可以理解150度是从何而来。
由于硅基材料的禁带宽度（Eg=1.12eV）决定了其最高工作温度。从图中可以看到，一般情况下硅基材料的最高结温Tjm 在150摄氏度左右。也就是说当PN结工作超过150摄氏度时，由于硅材料电流会大大增加，导致器件局部温度快速上升，对材料产生了不可逆的破坏作用，功能受到破坏。因此，在正常工作的情况下，超过这个最高结温。将意味着器件的损坏风险大大增加。
那么，PN结损坏失效的风险有多大？
目前晶硅组件中最关键的器件 - 光伏电池就是一种硅基器件，直接承担着光伏发电的功能。需要指出的是，目前光伏电池基本都是采用平面PN 结结构，器件工作时，其电场主要集中在硅片表面。当温度超过PN结最高结温后，非常可能导致表面材料烧毁，PN结也同时损坏，使光伏电池失去发电能力。
因此，实际工作时，现行通用的光伏电池需要遵循硅基材料最高结温不能超过150摄氏度这一硅基材料的基本特性，才能保证长期安全可靠地使用。
为什么150摄氏度对于使用了高效电池的组件来说更是致命的门槛？
毫无疑问，热斑是光伏系统中非常常见的现象，否则，也不会一块组件配置一个接线盒来减小热斑的影响。
近年来，光伏电池面积从125*125的单晶，演变到今天的156.75*156.75多晶和单晶，从5 寸电池时一个10A二极管负责18个电池片（54 片电池片的125 组件），扩大到一个13A~20A二极管并联24个6寸电池片（72片电池组件）。最重要的是电池片的短路电流从125*125 时代的Isc=5.5A提升到当今PERC高效单晶的 Isc=9.5A，升高了将近80%（增加了4A）。由此带来的最直接的后果就是发生热斑时，光伏电池片的温度也跟着大幅度提高。
统计发现，高效单晶组件在发生热斑时的电池片温度已经非常接近或已经超过了硅基材料的结温温度。
随着高效单晶电池成本的大幅降低，采用高效电池组件的度电成本越来越有竞争力，今后可能采用如“PERC+黑硅”等方案提高电池输出电流的技术来进一步降低成本。但另一方面，如何保证组件电池在发生热斑时，其温度不会超越电池硅基材料本身的物理特性，防止光伏电池本身材料被烧坏而引起电池效率下降和可能的安全及可靠性问题，将是高效组件必须要解决的问题。
（未完，关于150℃对高效组件的其它影响分析 - 待续）本文作者：黄子健,郑晨焱,龚海丹,邢万荣,武耀忠,彭宇
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