高倍聚光多结太阳电池加速老化实验研究

    聚光光伏（CPV）技术的核心是III-V族聚光多结太阳电池，与其他种类的太阳电池相比，聚光多结太阳能电池具有光电转换效率高、温度特性好、能耗回收周期短等优点，可以最大限度的利用太阳能资源，降低建设电站对环境的破坏。聚光太阳电池是CPV系统最为核心的部件，它负责将高聚焦的太阳能转换为电能，几百倍甚至是上千倍太阳聚光条件下，太阳电池温度很高，工作电流密度大，因此对太阳电池的可靠性要求很高[1]。实际使用中，聚光太阳电池被封装到接收器中，接收器封装对太阳电池进行保护，同时起到散热的作用。为提高聚光太阳电池的可靠性，确保其应用于光伏系统中的安全、可靠和稳定的工作，本文研究了高倍聚光多结太阳电池的加速老化实验方法。

1  IEC62108标准关于聚光电池的可靠性要求
    IEC 62108（Concentrator photovoltaic (CPV) modules and assemblies - Design qualification and type approval）[2]是目前唯一聚光太阳能接收器和组件之评估标准的国际规范，规定与要求聚光型太阳能电池最低设计标准与品质，针对每个测试样品指定相关的试验与测试，如：气候试验、诊断试验、电气试验、照射试验、机械试验，使用模块与组件皆须适合在一般露天环境下长时间（20-25年）运转。
IEC 62108试验程序部分基于IEC 61215或IEEE1513中规定的地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型。然而，考虑到CPV接收器和组件的特点，特别是室外现场试验和实验室内试验的不同，以及CPV跟踪排列、高电流密度及快速温度变化的影响，该标准进行了一些变化，规定了新的试验步骤或技术要求。IEC62108标准中要求对接收器进行高温高湿和冷热循环实验以便判断其耐候性。

2 聚光太阳电池的热循环实验
    热循环测试的目的是测定接收器承受温度失配、老化以及其它因重复的温度变化引起的应力的能力。由于聚光太阳电池工作在大于500倍太阳聚光下，其工作电流密度大于5A/cm2，工作温度大于60℃，且昼夜温差较大，因此聚光太阳电池的热循环实验对研究聚光太阳电池的可靠性至关重要。
为模拟实际工作条件，IEC62108要求聚光太阳电池在环测箱中进行冷热循环实验，且实验过程中，芯片需通有电流，如表2所示为IEC62108关于聚光太阳电池热循环测试条件选项，图1所示为IEC62108关于聚光太阳电池热循环测试的温度和电流示意图（非等比例）。
    需要特别指出的是，冷热循环实验需要对芯片的温度和通电时间进行精确的控制，然而事实上芯片的温度很难监控得到，特别是在通大电流的情况下，如图2所示，芯片封装到陶瓷-金属复合板上，陶瓷-金属复合板又安装在散热板上，通常只能检测到环测箱和散热板的温度。图3所示是太阳电池接收器（芯片尺寸10x10mm2）在通不同电流时，环测箱温度（oven）、散热器温度（heat sink）和电池芯片温度（cell）的差异，由图可见，在通有7A电流（约对应于500倍聚光下该电池产生的短路电流的1.25倍），太阳电池芯片实际温度高于环测箱温度约20℃.

表1 聚光太阳电池热循环测试条件选项
   

图1 热循环测试的温度和电流示意图（非等比例）

图2 太阳电池接收器的冷热循环实验示意图

图3 太阳电池接收器（芯片尺寸10x10mm2）在通不同电流时，环测箱温度（oven）、散热器温度（heat sink）和电池芯片温度（cell）的差

聚光太阳电池的可靠性和失效模式与大功率LED芯片的可靠性和失效模式也很多的共同点[3]，三结电池的顶电池是GaInP材料，其带隙约为1.85eV，在通电情况下，发光波长约为680nm，是可见光，对太阳电池接收器通电压（称为亮灯测试），即可以简单判断太阳电池芯片有无异常。在太阳电池的外延、后续芯片工艺制程和接收器封装制程中，通常不可避免的会引入对芯片的损伤，通过亮灯测试，可以观察芯片的损伤类型，经我们的实验观察，异常芯片类型在亮灯测试条件下体现为亮点、暗点、暗斑和暗条纹，亮点和暗点可能源于芯片缺陷或是沾污，暗斑可能源于芯片漏电，电流在芯片上分布不均，而暗条纹可能源于栅线电极脱落或人为的芯片划伤。图4(a)~(d)分别给出亮点、暗条纹（栅线电极脱落）、暗斑和划伤的太阳电池接收器亮灯测试图片。

    选用TCA-1热循环条件，芯片温度最高-45℃~85℃，分别在最高温度及最低温度处停留10分钟，一个循环大约需要78分钟；每个温度周期内，在温度>25℃时，周期性施加1.25*Isc（7A）的电流10次。表2为部分接收器在经过超过1000个热循环后的老化前后电性对比，电性测试使用脉冲聚光太阳模拟器，由于实验时间跨度时间较长，考虑到不同时间测试仪器本身的误差，本实验选取标准片作为监控，测试仪测量误差±5%。试验表明，聚光太阳电池芯片在经过1000个循环后电性总体衰减不明显，但划伤半导体及芯片大面积暗区的样品，其电性衰减较大；实验过程中，接收器出现绝缘胶裂开、DBC从铝板脱落、导线表皮收缩等，都是由于温度高于材料其本身所以承受的最高温度导致。

表-2 部分接收器在经过超过1000个热循环后的老化前后电性对比
3 聚光太阳电池的湿-热测试
    湿-热测试的目的是确定太阳电池或接收器组件承受长期湿气浸扰影响的能力。对高倍聚光接收器而言，湿-热测试可能发生的失效机理应包括接收器密封、划伤半导体或减反射膜承受长期湿气浸扰受到破坏。表3给出湿-热测试条件选项。

表3 湿-热测试条件选项
    我们从接收器亮灯测试问题样品中挑出7个芯片封装到铝基板上进行高温高湿实验，其中有五个划伤芯片，两个是亮灯正常、采用脉冲聚光太阳能模拟器进行I-V 特性测试也是正常的，这两个正常样品用来与有异常现像的芯片进行对比；环测机设定环境温度65℃、湿度85%。

    表4为7个接收器在经过1520个小时高温高湿实验后的老化前后电性对比，电性测试使用脉冲聚光太阳模拟器，由于实验时间跨度时间较长，考虑到不同时间测试仪器本身的误差，本实验选取标准片作为监控，测试仪测量误差±5%。试验表明，聚光太阳电池芯片在经过1520个小时高温高湿实验后，良品在长时间的高温高湿环境下，电性总体衰减不明显，但部分划伤半导体电性衰减较大。分析7个样品经过高温高湿实验前后功率变化和填充因子变化，划伤半导体电性衰减较大的原因主要在于填充因子的降低，其失效模式在于湿气侵入半导体，半导体的损伤加大，从而导致明显的漏电。

表4  接收器在经过1520个小时高温高湿实验后的老化前后电性对比
4  小结
    本文对高倍聚光多结太阳电池的失效模型和加速老化实验方法进行研究，根据IEC62108标准关于聚光电池的可靠性要求，完成接收器亮灯测试问题样品（暗斑、半导体划伤、栅线缺失及金线缺失）和正常样品的加速老化实验。实验表明：正常太阳电池芯片本身寿命完全可以满足25年使用寿命，然而，接收器物料的耐候性需要系统的评估和老化试验，封装工艺将导致接收器使用寿命降低，特别是封装过程中密封或绝缘不过关将导致接收器芯片老化加速，另外，芯片工艺和封装工艺引入对太阳电池的人为损害也是接收器老化测试通不过的原因之一。
参考文献：
[1] José Ramón Gonzáleza, Manuel Vázqueza, Neftalí Nú?eza, Carlos Algoraa, Ignacio Rey-Stollea and Beatriz Galianaa. Reliability analysis of temperature step-stress tests on III–V high concentrator solar cells[J]. Microelectronics Reliability, 2009, 49(6), Pages 673-680.
[2] Concentrator photovoltaic (CPV) modules and assemblies – Design qualification and type approval. IEC, 2007.
[3] Manuel Vázquez, Carlos Algora , Ignacio Rey-Stolle , José Ramón González. III-V concentrator solar cell reliability prediction based on quantitative LED reliability data[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2007, 15 (6). Pages 477 – 491.

三安光电太阳能事业中心 林桂江  博士