金属粉尘对组件可靠性的影响

大多数人觉得金属粉尘的环境对光伏组件的影响微乎其微，因为金属粉尘不会和聚合物背板发生反应，也不会透过背板进入组件内部，玻璃主要成分是二氧化硅，相对比较稳定，因此大家往往会忽略金属粉尘对光伏组件的影响。

然而在实际运行中，很多安装在金属加工厂屋顶的分布式电站在运行一段时间后，业主会发现电站的收益远低于预期，测试组件功率后会发现组件功率大幅度下降，因此业主方投诉组件厂商其光伏组件质量存在问题。而组件厂商在检查其组件的EL后发现这些组件EL完好，组件用的各类材料也是符合出厂质量管控标准。那么是什么原因导致安装在金属加工厂屋顶的组件功率大幅度下降？本文通过实际案例和模拟实验来解释这一现象。

1.实际案例

该钢铁加工厂屋顶电站现场的组件外观表面呈浅黄色。

从表1的电性能衰减来看，钢铁加工厂屋顶的组件功率衰减明显要高于其他厂房屋顶，功率衰减主要来自：

——Isc的下降。Isc的下降可能来自玻璃透光率的变化，或是金属部件的腐蚀引起的电流损坏。

——Voc没有明显的下降，意味着该电站并不存在PID现象。

表1 屋顶电站组件的电性能衰减

分别取钢铁加工厂屋顶组件1片和远离钢铁加工厂屋顶组件1片进行分析。两个屋顶组件擦拭后如图3所示。钢铁加工厂屋顶的组件表面浅黄色无法擦拭，EL图显示电池没有明显腐蚀现象，因此可以排除是由于金属部件的腐蚀导致的Isc下降。而远离钢铁加工厂屋顶的组件表面灰尘擦拭后，外观无明显的不良，EL除由于多次拆装导致的隐裂外，无明显不良。

表2是两个不同屋顶组件的玻璃扫描电镜（SEM）图。结果显示，在钢铁加工厂屋顶的组件，其玻璃的表面形貌发生明显的变化，镀膜玻璃的表面严重破坏。横截面的SEM显示，膜层中的孔隙已经完全破坏，腐蚀严重。而远离钢铁加工厂屋顶的组件，其玻璃的表面形貌轻微发生变化，横截面的SEM显示镀膜的膜层孔隙减少，这是玻璃中的Na、Ca离子在户外湿度情况下向表面迁移导致的镀膜层孔隙被堵，这是镀膜玻璃正常的变化。

元素分析（EDS）显示钢铁加工厂屋顶的组件表面有Fe元素，而远离钢铁加工厂屋顶的组件表面除了Cl和S元素可能是户外环境中沉积到玻璃表面的，其余成分与玻璃的初始成分一致，并未检测到Fe元素（图4所示）。

由此可见，钢铁加工厂屋顶组件功率大幅度的衰减与Fe元素有极大的关系，而钢铁加工时空气中会存在大量的铁粉，因此我们推断是空气中的铁粉沉积在组件表面，导致镀膜层破坏，进而影响功率。为了证实这一推断，我们做了一系列模拟实验。

2.模拟实验

2.1实验方案

选取6片同BOM，同期生产的组件，进行表3的模拟测试。

2.2实验结果

2.2.1实验后外观变化

组件玻璃表面喷洒铁水的1#和2#样品以及表面均匀喷洒铁粉的3#样品，在192小时测试后玻璃表面存在不可擦拭的黄色印记。

组件玻璃表面均匀喷洒水的4#样品，在192小时测试后玻璃表面存在一些水印，其它无异常。

组件玻璃表面未做处理的5#样品，192小时测试后无任何外观变化。

在室外存放的6#控制件，192小时后也无任何外观变化。

2.2.2电性能参数

实验前后的电性能参数变化如表4所示。可以看出，相对于玻璃表面喷洒水的4#样品和没有做过处理的5#样品，玻璃表面接触了铁粉的样品，其功率衰减偏大。组件玻璃表面喷洒铁水的1#和2#样品，在85℃，85%R.H.，+/-1000V，192小时测试后功率衰减分别为6.4%和18.9%。与户外实际案例一致，功率衰减主要是由于Isc的下降导致的。Voc基本没有下降，意味着功率衰减并非是PID导致的。组件玻璃表面均匀喷洒铁粉的3#样品，在85℃，85%R.H.环境下192小时后，功率衰减也达到了3.8%，同样衰减主要是由于Isc衰减导致的。

2.2.3 SEM分析

实验后玻璃表面的SEM结果如表5所示。与6#控制件相比，1#，2#样品的铁锈印处的玻璃表面形貌发生了明显的变化，表面凹凸不平，呈腐蚀状。3#样品的铁锈印处的玻璃表面形貌与控制件相比也发生了轻微的变化，表面呈轻微腐蚀状。4#样品的水印处的玻璃表面形貌与控制件相比轻微发生变化，因为玻璃表面的镀膜层在湿度环境下会发生缓慢腐蚀，这是镀膜玻璃的正常变化。

从横截面的SEM图形来看，与6#控制件相比，1#，2#样品的铁锈印处的玻璃横截面显示玻璃表面膜层已经完全破坏，无法测出玻璃膜层厚度。3#样品铁锈印处的横截面可以看出镀膜层的孔隙数量出现下降，但膜层厚度为100.5nm，与6#控制件基本一致。4#样品水印处的横截面也可以看出孔隙在轻微变少，膜层厚度与6#控制件基本一致。4#样品的变化是因为镀膜玻璃在湿度环境下，玻璃里面的Na、Ca离子向玻璃表面迁移导致的，属于镀膜玻璃的正常变化。

SEM结果显示，铁粉在有湿度不加电压的情况下，对玻璃表面膜层存在轻微的腐蚀，当铁粉在有湿度并有电压的情况可以加速腐蚀玻璃表面膜层，这也意味着当空气中的铁粉沉积在玻璃表面，在户外下雨或湿度的情况下铁粉会加剧腐蚀玻璃表面。


2.2.4 EDS

EDS显示玻璃表面接触铁粉的组件（1#，2#，3#），在组件表面铁锈印处均发现Fe元素。而4#，5#样品未接触铁粉，故元素分析结果与6#控制件一致。

图6 实验后玻璃表面EDS分析

模拟实验的结果与户外实际的案例基本一致，进一步证实了铁粉会导致玻璃表面膜层的破坏，会导致功率大幅度的下降。

铁粉对镀膜玻璃影响可能的机理如下：

——铁粉在空气中氧化生产三氧化二铁；

——正常情况下，三氧化二铁比较稳定，不会和玻璃（二氧化硅）发生反应，因此可以看到3#样品玻璃表面的腐蚀是轻微的，Isc电流的下降可能是由于这种轻微的腐蚀导致的玻璃折光指数的下降；

——但是在有电压的情况下，由于三氧化二铁是带正电荷的强电子物质，在-1000V情况下，电子向玻璃内迁移，引起膜层结构的变化，进而影响了折光指数，导致Isc的下降。而在+1000V下，在三氧化二铁存在的情况下加速了玻璃中的Na+向玻璃表面迁移，在有湿度的情况下向玻璃表面迁移的Na+会加速腐蚀膜层，进而影响了折光指数，导致Isc的下降。

3.结论

安装在钢铁加工厂屋顶的组件，空气中的铁粉会吸附在玻璃表面，在湿度环境及电压情况下，铁会加速玻璃表面膜层的腐蚀，进而导致组件功率大幅度下降。

因此，对于安装在金属加工厂房屋顶的分布式电站，建议加大清洗频率以避免铁粉沉积在玻璃表面造成不可逆的破坏，进而影响发电收益。