[联合研究]开发提高晶体硅太阳能电池组件发电量的技术

摘要

产业技术综合研究所可再生能源研究中心太阳能电池组件组（以下简称本团队）与京瓷株式会社共同开展的“结晶硅太阳能电池发电改善技术研究”（以下简称本联合研究）中，开发了预测结晶硅太阳能电池组件（通称电池板）寿命的技术系统。这使得可以预测太阳能电池模块的寿命发电量。

　该技术系统由两种方法组成：通过加速测试来确认太阳能电池组件在上市前的寿命（阿伦尼乌斯模型法），以及通过对市场回收产品进行额外加速测试来预测寿命（市场安装电池板附加测试法 = FMAT 法）。它由两项独立的寿命预测技术组成，其特点是能够通过考虑各种安装环境的环境压力来预测太阳能电池组件的寿命，例如住宅屋顶安装和地面安装的巨型太阳能电池板，以及水、机场、工厂屋顶和建筑墙壁。基于这种寿命预测技术，现在可以高效、有效地开发具有长寿命设计的太阳能电池模块。

　根据使用目的和类型，太阳能电池组件要求具有较长的使用寿命，并且在许多安装环境中，需要长期使用。延长太阳能电池的使用寿命可以实现长期使用，有助于延长发电寿命并减少未来组件的浪费。

联合研究目的地	京瓷公司
研究主题	提高晶硅太阳能电池发电技术研究
实施期	2020 财年-2023 财年
实现结构	产业技术综合研究所可再生能源研究中心太阳能电池组件组

研究目标

晶体硅太阳能电池组件（面板）寿命预测技术开发

研究内容

　从2020年开始的四年里，我们的团队一直致力于通过与京瓷公司的联合研究，提高晶体硅太阳能电池的发电寿命，扩大太阳能电池的引进。在这项联合研究中，我们对高效晶体硅太阳能电池进行了研究，阐明了太阳能电池的劣化行为并延长了其寿命，并研究和开发了寿命预测技术。通过将我们团队的组件测试和分析技术与京瓷公司的长期可靠性设计技术相结合，我们创建了预测太阳能电池组件寿命的技术系统。

　通过这项联合研究开发的技术系统由两种独立的方法组成，旨在预测市场上安装的太阳能电池模块的使用寿命。一种是阿伦尼乌斯模型方法，通过进行加速测试来确认在来自环境的压力的多个应力水平下的寿命来估计寿命；另一种是市场安装模块（面板）的附加测试方法，通过对市场上已安装的模块（面板）进行额外的加速测试来估计（预测）剩余寿命。通过这项联合研究构建的技术系统可以根据这两种独立方法的预测值的一致性，实现高度可靠的寿命和寿命发电量预测。从现在开始，我们将后一种方法称为 FMAT 方法（现场模块附加测试方法）。

　晶体硅太阳能电池按照初始劣化和老化劣化的顺序劣化，最终输出迅速下降（以弯曲方式）并达到寿命终点。太阳能电池组件作为社会基础设施，其寿命发电量非常重要，因此太阳能电池的研发需要对寿命进行定量讨论。太阳能电池的产品寿命一般据说约为20至30年，而评估市场上安装的产品的寿命需要很长时间。因此，我们别无选择，只能依靠加速压力测试和寿命预测来进行寿命评估。然而，太阳能电池组件的测试标准，例如国际标准IEC61215和日本工业标准JIS61215，并不包括有关太阳能电池组件寿命的标准。

　作为旨在提高寿命发电量的研发主题之一，我们的团队和京瓷公司一直致力于开发寿命预测技术和寿命评估测试方法。

　当温度和湿度等典型环境应力施加到太阳能电池组件上时，当累积应力达到一定程度时，太阳能电池的特性将迅速恶化（图1）。这种由热和湿度应力引起的寿命劣化模式是一种非常重要的劣化模式，它为太阳能电池模块的寿命提供了上限。

　湿热应力引起的劣化通常是由电极腐蚀引起的，一旦劣化开始，就会迅速进展。图 1 中电致发光 (EL) 图像中的暗区对应于电极腐蚀区域。这是由于密封材料 EVA（乙烯醋酸乙烯酯）的水解反应产生的乙酸。在这项联合研究中，我们发现EVA水解反应中产生的乙酸本身成为水解反应的催化剂（图2：酸催化水解反应），EVA中的乙酸浓度呈指数增加。随着乙酸浓度呈指数增加，存在于电极和硅基板之间界面处的薄玻璃层发生腐蚀（图3），导致性能快速（弯曲）下降并达到产品寿命的终点。通过发现发生这种弯曲的应力大小，就可以讨论预期寿命。

　IEC61215和JIS61215中规定的测试不满足预测寿命所需的条件（稍后将对此进行描述），因此不可能使用这些测试来预测和估计寿命（图8中的X标记，图1中的上部箭头）。

　

技术系统关键要素比较

　通过此次联合研究构建的寿命预测技术系统由两种独立的方法组成：阿伦尼乌斯模型法（在模块安装到市场上之前对其进行应用）和测试法（FMAT法），该方法通过移除已经安装在市场上的模块（面板）并进行加速测试来估计（预测）剩余寿命。

　图4比较了这两种方法组成的技术系统的关键要素。

　虽然阿伦尼乌斯模型方法使用劣化反应的活化能，但主要区别在于 FMAT 方法不使用它。

阿伦尼乌斯模型方法

　使用阿伦尼乌斯模型法进行加速寿命确认试验需要满足以下三个条件。

①确认弯曲特性的变化

　为了确认寿命，进行测试直至特性出现弯曲变化（图5）。在图 5 中，蓝色是普通密封剂的结果，橙色是高度耐用密封剂的结果。可以看出，根据密封材料的类型，寿命差异很大。

② 通过测试2级或更高的应力来确定反应活化能

　当水分与密封材料之间的化学反应（水解反应）产生的酸与电极构成元素发生反应时，会发生电极腐蚀，从而导致寿命下降。该反应可以将寿命恶化建模为遵循热活化过程阿伦尼乌斯定律的现象，因此通过确定该反应的活化能（Ea），可以将模块的寿命从加速测试温度范围外推到实际市场中的模块温度范围。反应的活化能 (Ea) 可以使用阿累尼乌斯图（图 5，右）根据应力水平 2 或更高的加速寿命确认测试的结果（图 5，左）计算出来。

③实施组合压力测试

　市场上太阳能电池组件安装的实际环境中，会同时施加湿度、温度以及紫外线（UV光）等多种环境应力。湿热寿命也可能受到紫外线的影响。因此，我们进行了紫外线热湿加速测试，其中施加多次紫外线应力，以研究太阳能电池模块在其使用寿命内当其特性以弯曲方式恶化时的行为（图6）。结果，我们能够量化紫外线对湿热寿命的影响（紫外线校正系数=紫外线照射后的DH测试寿命÷DH单次测试寿命）。紫外线对湿热寿命的影响显着，证实了组合应力测试的重要性。

FMAT 方法（现场模块附加测试方法）

　FMAT方法是通过移除市场上安装的太阳能电池模块并进行加速压力测试来估计（预测）剩余寿命的方法。这种测试方法与上述阿伦尼乌斯模型方法有着不同的前提和逻辑，并且由于它可以独立于阿伦尼乌斯模型方法获得寿命信息，因此是验证阿伦尼乌斯模型方法获得的预期寿命值有效性的极其重要的技术。

　图7示意性地示出了对市场上尚未安装的初始产品（以下称为“未安装的初始产品”）和已安装在市场上但已被移除的产品（以下称为“已安装的产品”）进行加速湿热应力测试时的输出变化。每次弯曲变化表示未安装的初始产品的湿热寿命（图中的①）和安装的产品的剩余湿热寿命（图中的②），差值（① - ②）对应于安装到市场上时所进行的寿命消耗量（与产生的乙酸浓度成正比的量）。市场上的生活消耗量由湿热胁迫引起的量（图中③“湿热引起”）和紫外线胁迫引起的量（图中④“紫外线引起”）组成。

　紫外线诱导乙酸的生产速度比湿热诱导乙酸快一个数量级，并且产量通常在太阳能组件安装到市场后几年内达到饱和。据此，可以根据未安装的初始产品的湿热应力寿命和UV校正因子来估算市场寿命消耗（①-②）的UV诱导寿命消耗（相当于UV诱导寿命消耗的湿热应力加速测试的时间④=1-UV校正系数

　如果可以获得市场上由于紫外线引起的寿命消耗量（相当于加速湿热压力测试的时间④），则还可以获得市场上由于湿度和热量引起的寿命消耗量（相当于加速湿热压力测试的时间③）。求得的市场湿热寿命消耗量对应于市场安装年数X，因此通过计算剩余湿热寿命②对应于市场湿热寿命消耗量③的多少倍，就可以计算出湿热剩余寿命②对应于市场多少年（剩余湿热寿命Y）（Y=②×（X/③））。

　由上式可知，已安装产品的湿热寿命可以通过已安装在市场上的年数+剩余湿热寿命得到。

寿命预测系统构建

　图8绘制了基于阿伦尼乌斯模型法和FMAT法的预期寿命值（估计值），以及市场上安装的电池板的实际测量寿命值。蓝色和橙色圆圈表示图 5 所示的寿命确认测试中 FF 特性变化（标准化为初始值的值）达到 09 的时间。如图 5 所示，蓝色是一般密封剂的结果，橙色是高耐用密封剂的结果。蓝色和橙色线是基于阿伦尼乌斯模型方法的寿命预测曲线。蓝色和橙色方块是基于 FMAT 方法的寿命估计。蓝色三角形是市场上已达到使用寿命的面板的实际测量值。

　尽管阿伦尼乌斯模型方法和FMAT方法对寿命预测（估计）的假设和逻辑不同，但经证实，国产模块温度范围内基于阿伦尼乌斯模型方法的寿命预测曲线的寿命预测值与利用FMAT方法的寿命预测（估计）值表现出良好的一致性（图8）。这两种独立方法的预测（估计）值的一致性证实了由两个系统组成的寿命预测技术系统的有效性。因此，现在可以在存在温度、湿度和紫外线的实际安装环境中高度可靠地预测太阳能电池模块的寿命（预测寿命上限）。

　除了温度、湿度和紫外线之外，还有其他环境压力，例如温度循环和市场环境的潜在差异。这些对寿命的影响也可以使用包括这些压力和 FMAT 方法的组合测试来估计。

此外，太阳能电池组件的寿命根据组件的材料（盖板玻璃的紫外线透过特性、电池电极成分、封装材料的类型、背板材料等）和组件的结构（单面玻璃结构、双面玻璃结构）而有很大差异，但本次联合研究中构建的寿命预测技术系统是一种可以应对这些组件规格变化的技术。

　此次联合研究开发的晶硅太阳能电池组件寿命预测技术系统是一项可广泛应用于根据实际安装环境和各种组件规格来预测太阳能电池组件寿命和寿命发电量的技术。

　随着寿命预测技术系统的建立，现在可以考虑安装区域和安装形式来设计太阳能电池组件的长寿命。太阳能电池组件寿命长，在其使用寿命内可产生大量电力，其普及将有助于使可再生能源成为碳中和社会的主要能源，并减少未来组件的浪费。

参考文献

1. 专利号 6811974、6818307、6837649
2. “晶体硅光伏组件寿命预测与评估技术”
   棚桥克人¹，白泽克彦¹，平藤俊介²，吉田敦²，伊藤纪一²，立花富久¹，高人秀隆¹、和新良浩一郎^{2
   1}日本科学技术协会，²京瓷株式会社
   2024 光伏可靠性研讨会 (PVRW)，（美国科罗拉多州戈尔登丹佛西喜来登酒店，2024/2/27-29）
3. “晶体硅太阳能电池组件的劣化和寿命预测技术”
   棚桥克人¹，白泽克彦¹，平藤俊介²，吉田敦²，伊藤纪和²，橘福久¹，高人秀久¹，新乐浩一郎^{2
   1}产业技术综合研究所可再生能源研究中心²京瓷公司
   AIST 太阳能研究结果报告 2023
   https://unitaistgojp/rpd-envene/PV/ja/results/2023/