PV新技術的可靠度問題- 接線盒焊接不良

自從半切cell模組推出之後，IR熱影像空拍發現的問題變多了，模組燒毀的狀況更多了

研究顯示，IR熱影像只能看到1/3的缺陷模組，實際數量是看到的三倍！

本文說明為何半切模組更容易有問題，又要怎麼檢測出這些看不到的問題？

本系列文章摘要自國際能源總署PVPS Task 13的技術報告，介紹PV新技術帶來的可靠度問題，這也是傑博作為子任務主持人所出版的第一份報告。我們彙整了目前可取得的技術文獻，以及全球各大研究機構的研究成果，期盼能幫助業界了解這些新技術的潛在風險。

本文介紹的IEA PVPS Task13報告可在以下官網連結下載

Degradation and Failure Modes in New Photovoltaic Cell and Module Technologies

半切模組接線盒有什麼不一樣？

為了避免模組被樹葉、鳥糞遮蔽而造成大幅功率損失及嚴重熱斑，標準模組都會使用三個旁路二極體(bypass diode)與電池電路併聯。傳統全片電池模組的三個二極體都集中在一個接線盒裡面(圖1)，新的半切電池模組因為設計與製程考量，必須把三個二極體分開放到三個小接線盒裡(圖2)。

圖1 傳統模組的大接線盒，三個黑色方塊就是旁路二極體

圖2 半切電池模組的小接線盒，黑色方塊就是旁路二極體

關鍵差異- 匯流條長度

大小接線盒造成的關鍵差異是匯流條長度。匯流條是把模組內的電路接到接線盒的導電銅帶，外面鍍錫讓它可以輕易的焊接在接線盒的焊接平台。匯流條從模組背面穿透背板(或玻璃)伸出來，經過層壓製程之後，出口的位置都會有封裝材(EVA)溢流，黏著覆蓋在匯流條上。傳統模組匯流條很長(圖3)，EVA溢流位置距離與焊接的位置很遠，完全不會影響到焊接的品質。新型半切模組的匯流條很短，EVA溢流較多的話，會覆蓋整條匯流條，進而影響與接線盒的焊接。偏偏EVA溢流是很難避免的，這就是造成新型半切模組缺陷率較高的原因。

圖3 傳統模組的大接線盒匯流條很長

圖4 半切模組的小接線盒匯流條很短

焊接不良會怎樣？

旁路二極體只有在模組被遮蔽的時候會使用到，因此即使焊接不良造成二極體開路，在正常情況下也是沒有異狀的。但是一旦模組被遮蔽，就會有嚴重的後果(圖5)。

圖5 二極體開路模組被遮蔽的後果

為什麼會這麼嚴重？因為電池片被遮蔽的時候，電流無法改走旁路二極體，電流強制通過被遮蔽的電池，會使電池運行在負向偏壓，電壓大約在-15~25V的範圍，串聯之後電壓會一直疊加上去。圖6顯示一串電池片被遮蔽的時候，電壓疊加的狀況。假設一片電池-20V，第二片的電位就變成-40V，第三片-60V…疊加到第20片電池的電位就是-400V。這時候第1片跟隔壁的第20片的電位差為380V，而他們之間的距離只有1~3mm，就有機會引發電弧或短路而燒壞整個模組。

圖6 二極體開路時被遮蔽的電池負偏壓示意圖

焊接不良可以檢測出來嗎？

先講結論，有的可以檢測出來，有的不行或者較困難。我們用圖7來說明焊接不良的三種可能失效模式。圖中紅色線是模組在陽光下發電運行時，電流所走的路徑。

正常模組：電流全部經過電池片(圖中的substring把電池串簡化為一個方塊)，然後從右端流出。

失效模式A：電流全部經過電池片，然後從右端流出。走的路徑跟正常模組完全一樣，所以用IR熱影像完全看不出差異，屬於IR無法檢出的失效模式。但是如果電池被遮陰，電流無法改走旁路二極體，就會發生上述的模組燒毀現象。

失效模式B：電流無法流入電池片，只能從旁路二極體經過，再進入下一串電池片，然後從右端流出。此時沒有電流經過的電池片呈現開路狀態，溫度會略高於正常電池片，因此IR熱影像可以看出問題(圖8)。此種失效模式的模組會損失1/3的功率，但不至於燒掉。

失效模式C：電流無法流入電池片，也無法從旁路二極體經過，整串模組都被沒有電流通過，變成整串模組開路。開路模組溫度會略高於正常模組，因此IR熱影像可以看出問題(圖9)。此種失效模式的模組會損失整串二十幾片模組的功率，但不至於燒掉。

圖7　焊接不良的失效模式

圖8 有電池串開路的模組熱影像

圖9 模組串開路的熱影像

檢測不到的缺陷怎麼辦？

失效模式A無法用熱影像檢出，但是可以透過夜間通電的方式檢測出來。此方法較專業，成本高風險也高，需要找專業檢測團隊執行，在此不多贅述，想多了解的朋友可以找傑博聊聊。

雖然用一般IR空拍無法發現失效模式A，但是可以用發現的失效模式B數量來推估失效模式A的數量。因為匯流條焊接在每個接線盒都是相同作法，因此可以假設每個焊接點不良的比率是相同的。圖10畫出6個焊接不良位置(藍色虛線圈)，以及其對應的失效模式。

由圖10可以看出六個不良位置造成的失效有兩個是模式B，有四個是模式A。也就是說有2/6的失效用IR看得到，有4/6看不到。模式A發生的機率是模式B的兩倍，因此可以推估失效模式A的數量是失效模式B的兩倍。舉例來說，如果案場IR檢測完發現有10片模組有電池串開路(如圖8)，可以推估另外還有20片模組是失效模式A。因此總缺陷模組數量為A+B=30片，也就是說總缺陷數量是可檢測到數量的三倍。