
光伏(PV)組件制造商、安裝商和系統(tǒng)業(yè)主在 PV 組件的長(zhǎng)期可靠性等方面有著共同的利益。在評(píng)估 PV 系統(tǒng)的可靠性時(shí),不能僅注重 PV 組件的性能,更重要的是把控整體 系統(tǒng)性能。只有當(dāng)從 PV 系統(tǒng)中的電池片到并網(wǎng)到電網(wǎng)中的其所有部件均能發(fā)揮預(yù)期性 能,并且整套 PV 系統(tǒng)得到可靠維護(hù)時(shí),所安裝的 PV 系統(tǒng)才能達(dá)到預(yù)期水平。
環(huán)境狀況、設(shè)備溫度、污染程度等 PV 系統(tǒng)安裝場(chǎng)所的具體特點(diǎn)等都會(huì)對(duì)既定裝置的性 能和預(yù)期使用壽命產(chǎn)生直接影響,并且會(huì)加速特定場(chǎng)地下的不同老化速率。此外,PV 行業(yè)的持續(xù)整合可能會(huì)導(dǎo)致一些制造商倒閉,從而使制造商的質(zhì)保承諾得不到保證。 為避免這些問(wèn)題,PV 制造商應(yīng)采用全面的質(zhì)控方案,以解決樣品抽樣合格率、可靠性 測(cè)試計(jì)劃和測(cè)試等效時(shí)間等主要問(wèn)題。
UL 白皮書(shū)中探討了有助于制造商及客戶評(píng)估在真實(shí)條件下 PV 組件可靠性的各種測(cè)試 方法。白皮書(shū)首先闡述了組件在 PV 系統(tǒng)性能中的耐用性和可靠性狀況,并探討了在評(píng) 估組件可靠性時(shí)平均壽命理論模型的缺點(diǎn)。其次,白皮書(shū)還介紹了 PV 組件可靠性評(píng)估 的框架,并展示了三種不同的測(cè)試如何在持續(xù)質(zhì)檢程序環(huán)境下提供有意義的組件可靠 性數(shù)據(jù)。
使用壽命的理論估算方法
PV 組件的使用壽命或壽命周期建模是建 立在一系列前提的基礎(chǔ)上。這些前提與實(shí) 驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合,在某些情況下,與 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐獲得的信息以及現(xiàn)場(chǎng)退回的 產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)。然而,光伏行業(yè)是一個(gè)相對(duì) 較新且快速變化并注重提高效率(即:更 高效的電池、新型材料、新設(shè)計(jì)等)的行 業(yè)。相比之下,PV 的預(yù)期壽命可達(dá)到 20 至 30 年。這些因素嚴(yán)重限制了目前可用 于預(yù)測(cè) PV 預(yù)期使用壽命的數(shù)據(jù)的可獲性 和價(jià)值性。
為解答與 PV 組件使用壽命有關(guān)的重大問(wèn) 題,通常采用加速老化測(cè)試方案。通過(guò) 這些測(cè)試,可采用阿列紐斯法測(cè)定活化能 (Ea)。通常情況下,針對(duì)溫度、濕度和 紫外線(UV)的 Ea 測(cè)量值在確定后,將 用于首次使用壽命預(yù)測(cè)計(jì)算。*1,*2,*3,*4 與當(dāng) 地天氣數(shù)據(jù)相結(jié)合的 Ea 可為預(yù)期使用壽命 的計(jì)算提供依據(jù)。
然而,這種方法所存在的基本問(wèn)題在于其 僅取決于單一失效機(jī)制的觸發(fā)。而實(shí)際 上,伴隨著幾乎無(wú)法預(yù)測(cè)的隨機(jī)且地域性 很強(qiáng)的相關(guān)天氣事件(風(fēng)、狂風(fēng)、暴風(fēng) 雨、積雪、結(jié)冰和冰雹),會(huì)產(chǎn)生不同的 并發(fā)退化機(jī)制。
圖 1 展示了針對(duì)某一類(lèi) PV 組件所觀察到 的不同功率損耗曲線(虛線),以及可 能發(fā)生的階段保修曲線(藍(lán)色和橙色線 條)。綠色和紅色曲線顯示的是任意組 合的退化曲線,并且每條曲線都是三種 不同因素共同作用的結(jié)果。本圖所揭示 的主要問(wèn)題是兩個(gè)階段保修曲線中的哪 一條(橙色或藍(lán)色)更緊密地關(guān)系到實(shí) 際壽命性能。
為改善 PV 使用壽命的理論估算方法,有 必要了解各種環(huán)境條件之間的相互作用, 以及所觀察到的這些具體條件對(duì) PV 組件 所產(chǎn)生的影響。因此,必須從不同場(chǎng)所采 集性能數(shù)據(jù),并開(kāi)展數(shù)據(jù)分析,以確定可 能導(dǎo)致故障發(fā)生的根本原因。表 1 中列出 了各種環(huán)境參數(shù),并展示了所觀察到的導(dǎo) 致 PV 組件故障的一些影響。

圖 1:任意時(shí)間范圍內(nèi)不同退化速率與保修承諾的對(duì)比

表 1:環(huán)境因素以及所觀察到的 PV 組件現(xiàn)象列表
實(shí)現(xiàn)可靠性
PV 組件的耐用性取決于其設(shè)計(jì)。另一方面,PV 組件的可靠性取決于組件制造工藝的品質(zhì)和完整性。即使材料質(zhì)量或制造工藝方面的 細(xì)小變化都會(huì)影響部件的可靠性。
按照既定標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì) PV 組件進(jìn)行的測(cè)試及認(rèn)證,通常重在關(guān)注驗(yàn)證是否已達(dá)到基本的設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)擬采用一種驗(yàn)證針對(duì)不同電池的 長(zhǎng)期應(yīng)力測(cè)試和壽終時(shí)間測(cè)定的組件耐用性方案。*5,*6,*7 通常假設(shè)此類(lèi)長(zhǎng)期測(cè)試亦可評(píng)估 PV 組件 的可靠性,但可靠性測(cè)試的目的是驗(yàn)證 某種產(chǎn)品是否始終在原始設(shè)計(jì)參數(shù)的范 圍內(nèi)生產(chǎn)??煽啃詼y(cè)試提高了人們對(duì)生 產(chǎn)品質(zhì)的信心,并且其所耗用的時(shí)間和 成本均少于耐用性測(cè)試。
為保證測(cè)試效果,可靠性測(cè)試必須檢測(cè)多 個(gè)樣品。ISO 2859-1,等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)能為如 何選取和評(píng)估生產(chǎn)樣品提供指導(dǎo),而且 該標(biāo)準(zhǔn)可用于確定某批次測(cè)試產(chǎn)品是否合 格。根據(jù)樣品驗(yàn)收及判定樣品不合格方面 的實(shí)際情況,可采用更嚴(yán)格或更寬松的抽 樣方案。
然而,考慮到其在 PV 系統(tǒng)可靠運(yùn)行方面的 重要性,當(dāng)涉及 PV 組件時(shí),有必要開(kāi)展更 復(fù)雜的質(zhì)檢。表 2 展示了 ISO 2859-1 測(cè)試的 范圍,包括:
• 不同檢測(cè)等級(jí)(S1-S4 和 G1-G3)所需的 樣品數(shù)量及電站規(guī)模
• 允收質(zhì)量等級(jí)(AQL)
• 所允許的失效樣品百分比
即將評(píng)估的樣品數(shù)量將實(shí)施統(tǒng)計(jì)學(xué)層面的 產(chǎn)品差異分配。AQL 確定了在驗(yàn)收或判定 某既定批次樣品不合格方面的可信度。對(duì) 于安全性等一些關(guān)鍵測(cè)試,較低的 AQL( 如:0.1)即視為無(wú)法容忍的故障(零故 障容忍度)。而在旨在評(píng)估失配電池等表 觀缺陷的其它測(cè)試中,亦可接受較高的 AQL。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定了判定產(chǎn)品合格 與否的基準(zhǔn)。

表 2:適用于可靠性測(cè)試的選定測(cè)試
注:上表顯示了擬采用的檢測(cè)等級(jí)、每項(xiàng)測(cè)試所需的樣品數(shù)量,以及根據(jù) ISO 2859-1 標(biāo)準(zhǔn)所允許的組件失效次數(shù)等。其中,“a)”指 的是發(fā)電容量為 1MW 的一所電廠,“b)”指的是發(fā)電容量為 10MW 的一所電廠,“c)”指的是采用 240W 組件的發(fā)電容量為 50MW 的一所電廠)。*15

表 3:關(guān)于 UL 為滿足質(zhì)量和耐用性要求而提供的測(cè)試服務(wù)
概覽 以上標(biāo)準(zhǔn)也可以根據(jù)客戶的要求,采用更嚴(yán)格或?qū)捤傻臈l件。然而,在項(xiàng)目及其測(cè)試開(kāi)始前,需要明確用于判定合格與否的具體標(biāo)準(zhǔn)。 UL 自己的測(cè)試項(xiàng)目包括上述短期質(zhì)量測(cè)試,以及各項(xiàng)測(cè)試的持續(xù)性測(cè)試,從而評(píng)估長(zhǎng)期耐用性或失效性測(cè)試的范圍。表 3 總體簡(jiǎn)要介紹了 各項(xiàng)測(cè)試以及各項(xiàng)測(cè)試所適用的 PV 工藝技術(shù)。
選定測(cè)試的詳情
下述章節(jié)探討了 PV 組件的選定可靠性測(cè)試,并展示了其在評(píng)定 PV 組件可靠性時(shí)的潛在價(jià)值。請(qǐng)務(wù)必注意,盡管這些測(cè)試并不耗時(shí)或成本 高昂,但必須對(duì)最少數(shù)量的必要樣品加以評(píng)估,從而獲得具有統(tǒng)計(jì)意義的測(cè)試結(jié)果,這一點(diǎn)很重要。
電性能測(cè)試
電性能測(cè)試是一種可在既定的不確定性范圍內(nèi)驗(yàn)證 PV 組件輸出功率的有效方法。這種不確定性主要來(lái)自某個(gè)既定 PV 組件的光譜靈敏 度、舊光源以及校正鏈上一般的測(cè)量不確定性等。
最后一個(gè)不確定性通常是恒定的,但前兩 個(gè)可能會(huì)對(duì)絕對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生重大影響,尤 其是對(duì)于薄膜技術(shù)而言。
除了這些限制外,電性能測(cè)試還可用于考 察與組件可靠性相關(guān)的下述幾個(gè)方面:
• 確定由于預(yù)處理所導(dǎo)致的初始功率損耗
• 生產(chǎn)電性能列表的驗(yàn)證
• 銘牌額定值驗(yàn)證
這三個(gè)因素對(duì)于任何有效估產(chǎn)而言均至關(guān) 重要。為在估產(chǎn)方面達(dá)到更高的可信度, 最好利用來(lái)自于將用于安裝的實(shí)際 PV 組 件所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)。該目的可通過(guò)在現(xiàn) 場(chǎng)挑選測(cè)試樣品的方法予以實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)既定 PV 組件中所采用的減振器技術(shù), 太陽(yáng)能電池存在初始功率損耗。多晶電池 的平均初始退化一般均低于 1%,而單晶電 池則可能高達(dá) 5%。圖 2a 展示了實(shí)際初始 功率損耗值的電勢(shì)分布。然而,在安裝上 千塊組件時(shí),這種分布平均出現(xiàn)在所有組 件上。
生產(chǎn)電性能列表的驗(yàn)證對(duì)選擇 PV 組件制造 商而言是很重要的第一步。生產(chǎn)電性能列 表的驗(yàn)證用于與通過(guò)按標(biāo)簽數(shù)值生產(chǎn)所測(cè) 得的功率損耗參數(shù),以及通過(guò)第三方測(cè)量 值所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。這項(xiàng)驗(yàn)證工作 驗(yàn)證了 PV 組件制造商的校正鏈。通常對(duì)至 少 20 個(gè)單獨(dú)組件開(kāi)展電性能列表驗(yàn)證,以 確保缺陷的正常分布并減少不確定性。一 般而言,如果所測(cè)試的組件較少,則應(yīng)考 慮更高的測(cè)量不確定性。
通常根據(jù) PV 組件銘牌額定值出售 PV 組 件。PV 組件銘牌上的額定功率用于模擬能 量輸出,即準(zhǔn)確的銘牌信息對(duì)于實(shí)現(xiàn)既定 安裝的能量輸出而言是一個(gè)關(guān)鍵因素。按 照 EN 50380 和 UL 4730,*9,*10 等標(biāo)準(zhǔn)的要 求,銘牌上的額定值必須考慮所有初始退 化或光輻照的影響。因此,PV 組件在測(cè)量 之前必須先穩(wěn)定下來(lái),并且應(yīng)對(duì)比測(cè)量值 與銘牌上的額定值。

圖 2:電性能測(cè)試驗(yàn)證示例。
a)預(yù)處理后的組件功率損耗。
b)功率偏差與銘牌上的額定功率。
圖 2b 中顯示了銘牌額定值的一個(gè)示例。在此情況下,實(shí)際測(cè)得的功率與規(guī)定的銘牌額定值相比,約小 2.2%。這種不一致很有可能導(dǎo) 致預(yù)期與實(shí)際功率輸出之間出現(xiàn)差異。
電致發(fā)光:失效檢測(cè)與映射
第二種評(píng)估方法即電致發(fā)光(EL)成像法,主要用于晶體硅 PV 組件,因?yàn)槿舨捎眠@種方法,普遍認(rèn)為會(huì)出現(xiàn)明顯的各種組件缺陷。*11,*12 通過(guò) EL 成像,能確定各種不同類(lèi)型的缺陷,每種都有其根本原因和性能影響。根據(jù)常規(guī)方法評(píng)估 EL 圖像可提供與 PV 組件可靠性有 關(guān)的有用信息。
圖 3 顯示了兩種組件,每種都存在不同數(shù)量、嚴(yán)重程度各不相同的裂縫。與組件編號(hào) 1 中所述情況相類(lèi)似的組件通常尚可接受,并能 以可靠的方式發(fā)電。與組件編號(hào) 2 中所述情況相類(lèi)似的組件通常會(huì)在較短時(shí)間后顯示出失效區(qū)域,該區(qū)域會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)
重的功率損耗。

圖 3:兩個(gè)組件的 EL 圖像;組件編號(hào) 1 顯示了一些不太嚴(yán)重的裂縫,而組件編號(hào) 2 則顯示了一些非常嚴(yán)

重的缺陷。 通過(guò)評(píng)估單個(gè)批次中的多個(gè)圖像,通過(guò)缺 陷數(shù)量與分布情況確定大致的質(zhì)量水平 成為可能。圖 4 顯示了此類(lèi)評(píng)估的一個(gè)示 例。每個(gè)批次都包括相同數(shù)量的組件。在 第 1 批中,僅發(fā)現(xiàn)了少量隨機(jī)分布的缺陷, 這表明測(cè)試通過(guò)。然而,在第 2 批中,缺 陷組件的數(shù)量顯著增加,并且缺陷和電池 裂縫主要集中在 I4 和 J5 區(qū)域。
總之,這些觀察結(jié)果均說(shuō)明制造過(guò)程或組 件成品運(yùn)輸過(guò)程、或兩個(gè)過(guò)程都存在重要 問(wèn)題。無(wú)論如何,第 2 批的測(cè)試結(jié)果無(wú)法 接受,并且通過(guò)進(jìn)一步的調(diào)查將能找出根 本原因。更多措施可以包括在安裝前對(duì)所 有組件開(kāi)展 EL 檢測(cè)或更頻繁的檢測(cè),并對(duì) 在用的 PV 系統(tǒng)開(kāi)展測(cè)試。
電勢(shì)誘導(dǎo)退化
目前,電勢(shì)誘導(dǎo)退化(PID)主要與晶硅 組件相關(guān)。盡管一些 c-Si 組件制造商目前 可提供據(jù)稱(chēng)具有避免 PID 抗性的 PV 組件, 但 PID 仍是一個(gè)尚待解決的問(wèn)題。由于采 用了不同的測(cè)試程序和可比性指標(biāo),但缺 乏關(guān)于 PID 和恢復(fù)效應(yīng)之間關(guān)聯(lián)性方面的 數(shù)據(jù),因此為解決 PID 問(wèn)題所做的工作變 得更為復(fù)雜。
遺憾的是,薄膜 PV 組件并不始終能抵御 對(duì)地電勢(shì)。早期薄膜組件表現(xiàn)出了一些與 透明導(dǎo)電氧化層(TCO)腐蝕(亦稱(chēng)為“ 條形圖腐蝕”)有關(guān)的問(wèn)題,這是一種非 常明顯的缺陷。但今天的薄膜組件也會(huì)表 現(xiàn)出嚴(yán)重的 PID,這是一種無(wú)法在早期通 過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方案檢測(cè)出來(lái)的問(wèn)題。*13
PID 測(cè)試重點(diǎn)可能各有不同,具體取決于 對(duì)其的期望結(jié)果。然而,一些選項(xiàng)包括:
• 針對(duì) PID 磁化率的映射PV組件
• 針對(duì) PID 磁化率的逐批次驗(yàn)證
• 組件材料(電池和封裝劑)的篩選
• 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)及 PID 測(cè)試后 的低輻照度性能測(cè)試
本列表上的第一項(xiàng)看似很明顯,但額外選 項(xiàng)可為組件的長(zhǎng)期可靠性提供更多依據(jù), 從而能通過(guò)更迅速的措施確定并解決 PID 問(wèn)題。
圖 5 顯示了來(lái)自三家不同制造商的三種組 件的 PID 篩選測(cè)試結(jié)果。隨著時(shí)間的推 移,第 1 種組件表現(xiàn)出了具有不同磁化率 的近似線性的退化。

圖 5:對(duì)不同組件的 PID 磁化率的調(diào)查(具有三種不同的退化率類(lèi)型)
所顯示的第 2 種組件實(shí)際上是第1種組件的 一種極端案例,因?yàn)樗煽焖龠_(dá)到 100% 的退化,并且不會(huì)再隨著時(shí)間的推移而進(jìn) 一步退化。第 3 種組件在 PID 測(cè)試的第一 個(gè)階段通常比較穩(wěn)定,但一旦當(dāng)其達(dá)到了 電勢(shì)應(yīng)用的一定閾值后,就會(huì)迅速開(kāi)始退 化。*14必須查明連續(xù)實(shí)驗(yàn)室電壓應(yīng)力測(cè)試 下的一般行為(第 1 種或第 3 種),并調(diào) 查組件的恢復(fù)情況以及可能與系統(tǒng)有關(guān)的 選項(xiàng),這一點(diǎn)至關(guān)重要。*16
由于 PV 組件可產(chǎn)生此類(lèi)天差地別的結(jié)果, 因此必須設(shè)置合理的測(cè)試參數(shù),這一點(diǎn)很 重要。可能有必要根據(jù)前期對(duì)組件類(lèi)型的 了解或測(cè)試的實(shí)際范圍來(lái)選擇參數(shù),例如 質(zhì)量檢查或耐用性調(diào)查等。UL 自身的默認(rèn) 測(cè)試方案是通過(guò)導(dǎo)電箔產(chǎn)生電勢(shì),從而使 組件在兩周時(shí)間內(nèi)經(jīng)受系統(tǒng)電壓測(cè)試,從 而對(duì)整個(gè)組件及其所有的太陽(yáng)能電池實(shí)施 均勻篩選??筛鶕?jù)既定項(xiàng)目的具體要求調(diào) 整并定制這種默認(rèn)的參數(shù)集。
總結(jié)與結(jié)論
在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)環(huán)境中,制造商們必須為客戶提供符合所承諾的性能規(guī)格的 PV 組件。組件的一致可靠性取決于制造流程的質(zhì)量和完整性,即使微小的變化也會(huì)對(duì)部件 的可靠性產(chǎn)生不良影響并危及 PV 系統(tǒng)的性能。一種有效且具有統(tǒng)計(jì)相關(guān)性的可靠性測(cè) 試方案有助于確定不符合設(shè)計(jì)規(guī)范的組件,從而使客戶更確信一定能達(dá)到預(yù)期的 PV 系 統(tǒng)性能。
通過(guò)整合多年來(lái)的 PV 行業(yè)研究成果,UL 制定了可靠的科學(xué)測(cè)試程序,可從可靠性、性 能和安全性等方面篩選 PV 組件。UL 針對(duì) PV 組件所提供的性能與可靠性服務(wù)可提供行 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方面的第三方證據(jù),以評(píng)估包括 PV 組件工廠工序技術(shù)檢驗(yàn)在內(nèi)的制造流程 中的一致性。可開(kāi)展附加測(cè)試,以證明長(zhǎng)期應(yīng)力對(duì)于 PV 組件性能及安全性的影響。 欲了解關(guān)于 UL 針對(duì) PV 組件及系統(tǒng)的性能服務(wù)方面的更多詳情,敬請(qǐng)與 Bengt Jaeckel (Bengt.Jaeckel@ul.com)或 Christopher Flueckiger(Christopher.Flueckiger@ul.com) 聯(lián)系。
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13.《通過(guò)組件漏電電流特性化描述估算 PID 失效時(shí)間》,P. Lechner 等人,第 27 屆歐洲光伏太陽(yáng)能展覽會(huì)(2012 年)。網(wǎng)址 http://www.eupvsec-proceedings.com/proceedings?paper=18294。
14.《高電勢(shì)下的 PV 組件退化——試驗(yàn)裝置對(duì)比研究》,B. Jaeckel 等人,第 28 屆歐洲光伏太陽(yáng)能展覽會(huì)(2013 年)。網(wǎng)址 http://www.eupvsec-proceedings.com/proceedings?paper=25443。
15.“Lose ziehen,”B. Jaeckel 等人,光伏雜志,2013 年 1 月。
16.《高電勢(shì)下晶體硅組件退化與恢復(fù)效應(yīng)調(diào)查》,B. Jaeckel 等人,第 40 屆 IEEE 光伏專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)會(huì)議(2014 年) (待提交)