组件结构
组件是由一些互相联接的太阳电池组成，典 型的是 36 片串联， 这些太阳电池被封装成单 一的、长期耐久的、稳定的单元。 封装一组 相互联接的太阳电池的目的是在使用它们的 通常的苛刻环境中保护它们和它们的互联 线。例如，太阳电池是是很薄的，更易于受 到机械损伤，除非它们得到保护。另外，太 阳电池顶部表面的金属栅线和各个独立的太 阳电池之间的互联线可以被水和水蒸汽腐 蚀。封装的两个关键作用是防止太阳电池的 机械损伤和防止水或者水蒸汽对电极的腐 蚀。 有许多不同形式的 PV 组件，并且对于 不同的太阳电池或者不同的应用要求来讲组 件的结构是不同的。例如，无定型硅太阳电 池通常被封装成柔性的组件，而用于遥远地 区的晶体硅太阳电池则与玻璃形成钢性的封 装。 晶体硅 PV 组件的寿命和保质期通常大约 是 20 年，表明封装的 PV 组件是耐用的。
典型的太阳电池组件，在遥远地区的户 外使用。
组件材料
大多数晶体硅太阳电池组件是由透明的顶表面、 胶质密封材料、 背面层和外 部框架组成。如下图所示，在大多数组件中，顶表面是玻璃，胶质密封材料 是 EVA(ethyl vinyl acetate，乙烯基乙酸乙脂)，背面层是 Tedlar。
典型的晶体硅组件材料
前表面材料
PV 组件的前表面材料对于可以被 PV 组件中的太阳电池使用的波长必须有很 高的透明度。对于硅太阳电池，顶表面材料对于波长在 350nm 到 1200nm 范 围的波长必须有很高的透明度。另外，前表面的反射应该很低。 虽然理论 上在顶表面应用减反射膜可以减少反射， 但是实际上这些减反射膜都不足以 抵抗大多数 PV 组件的使用条件。另一个可以减少反射的技术是织构化表面 或者使表面粗糙。但是，在这种情况下灰尘和泥垢更可能黏附在顶表面，并 且很难被风和雨水驱除。 这些组件因此不是“自清洁”的， 并且减少反射的 优越性很快被顶表面的尘土招致的损失所超过。 除了反射和透明的特性之外， 顶表面材料应该是不渗透水的， 应该是耐冲击 的，应该在长期的紫外线照射下是稳定的，并且有很低的热阻系数。水或者 水蒸汽进入到 PV 组件中，将腐蚀金属电极和互联条，并且从而将显著地减 少 PV 组件的寿命。在大多数组件中，顶表面用于提供机械强度和硬度，因 此用于支撑太阳电池和联线的顶表面或者背表面必须是机械钢性的。 顶表面材料有几种选择， 包括丙烯酸聚合物和玻璃。 钢化的低铁玻璃是最普 通的应用，因为成本低、坚固、稳定、高透明度、防水和气体，并且有良好 的自清洁特性。
胶质密封材料
胶质密封材料被用于在组件的太阳电池、
顶表面和背表面之间提供黏结。 在 高温和强 UV 照射下，胶质密封材料应该是稳定的，应该也是光学透明的并 且有很低的热阻。 EVA (ethyl vinyl acetate，乙烯基乙酸乙脂)是最通常 使用的封装材料。采购的 EVA 是薄片的形状，插入到顶表面和太阳电池、太 阳电池和背表面之间。这个三明治然后被加热到 150℃以聚合 EVA 并且将组 件粘联在一起。
背表面
PV 组件背表面的关键特征是它必须具有很低的热阻，并且必须阻止水或者 水蒸汽的进入。在大多数组件中，一个很薄的聚合物层，通常是 Tedlar， 被用于做背表面。有些 PV 组件，如已知的双面组件，被设计成既可以从太 阳电池的正面也可以从太阳电池的背面接收光线。 在双面组件中前表面和背 表面必须都是透明的。
边框
最终的组件结构部件是框架。常规的 PV 组件的框架一般是铝材料制作的。 框架结构应该是没有突出部位的，避免水、灰尘或者其它物体的积存。
集中典型的硅 PV 组件
封装密度
组件中太阳电池的封装密度关系到组件中太阳电池覆盖面积与空白区面积 的比。 封装密度影响了组件的输出功率和它的温度。 封装密度依赖于所使用 的太阳电池的形状。例如，单晶太阳电池是圆形或者是准方形的，而多晶太 阳电池是方形的。 因此， 如果准方形的单晶太阳电池组件的封装密度要低于 方形的多晶太阳电池的组件。下图解释了圆形和方形太阳电池的封装。
圆形和方形太阳电池的封装密度 组件中稀疏地封装太阳电池，空白的面积也可以因为“零深度聚光效应”而 增加组件的输出。 如下图所示， 某些照射到组件中空白区的光被反射和散射 到太阳电池的表面。
组件中的“零深度聚光效应”
组件电路的设计
晶体硅 PV 组件是由若干个独立的太阳电池联接组成的，几乎总是串联，为 了增加输出功率和电压。PV 组件的电压通常被选择适合于 12V 的蓄电池。 在 25℃，AM1.5 条件下，一个硅太阳电池单体的电压是 0.6V。考虑到在温 度升高时预期到 PV 组件电压的减少和蓄电池充电时要求达到 15V 或者更高 的充电电压， 大多数组件包含有 36 片串联的太阳电池。 在标准实验条件下， 这样的组件的开路电压大约 21V，并且在工作温度最大工作点的工作电压大 约是 16-17V。保留超额的电压，是考虑到由于其它 PV 系统元件引起的电压 衰降、工作点远离最大工作点和光强的减少。
常规组件，36 片电池串联联接，为了生成满足 12V 蓄电池充电的电压。
PV 组件的电压由组件中太阳电池的数量决定，组件的电流主要地依赖于太 阳电池的尺寸和它们的效率。 AM1.5 条件和最佳倾角， 在 商业太阳电池的电 2
2 流密度大约是在 30mA/cm 到 36 mA/cm 之间。单晶太阳电池的面积大约是 100cm2，组件的总电流大约就是 3.5A。多晶组件中电池的面积更大，从而这 些组件的短路电流大约是 4A。但是，单体太阳电池的尺寸在加大，因此组 件的电流也在增加。 与对电压的影响不同， 温度通常对组件的电流不产生影 响，但是组件的倾角对电流有明显的影响。 如果一个组件中的太阳电池都有相同的电特性， 并且它们全部全部经历着相 同的辐照强度和温度， 那么全部电池将在完全相同的电流和电压下工作。 在 这种情况下，PV 组件的 I-V 曲线与每一个单独的太阳电池的 I-V 曲线的形 状相同，只是电压和电流增加了。电流方程改变为：
这里： N 是串联电池的数量； M 是并联电池的数量； IT 是电路的总电流； VT 是电路的总电压； I0 是单一太阳电池的饱和电流； IL 是单一太阳电池的短路电流； n 是单一电池的理想因子； q，k 和 T 是给出在常数一节中的常数。 下图表示了理想联接的太阳电池组的完整的 I-V 曲线。
N 个电池串联后 M 个电池并联的 I-V 曲线
失配的影响
失配损失是由于电池或者组件的互联引起的， 这些电池或者组件没有相同的 特性或者经历了不同的条件。在 PV 组件和方阵中，在某种条件下失配问题 是一个严重的问题， 因为一个组件在最差情况的输出是由其中的具有最低输 出的太阳电池决定。 例如， 当一个太阳电池被遮挡而组件中的其它的太阳电 池并没有被遮挡时， 一个处于“良好”状态的太阳电池产生的功率可以被低 性能的太阳电池耗散， 而不是提供给负载。 这可以导致非常高的局部电力耗 散，并且由此而产生的局部加热可以引起组件不可恢复的损伤。
组件上局部区域的阴影是引起 PV 组件失配的主要原因 当组件中的一个太阳电池的电参数明显不同于组件中其它的太阳电池时， 就 发生了组件中的失配。由于失配所产生的影响和功率损失依赖于：
PV 组件的工作点； 电路的配置； 与其它太阳电池不同的哪个太阳电池的参数。
一个太阳电池与另一个太阳电池的 I-V 曲线上任何部位的差别都可以在某 些工作点上导致失配损失。 下图表示了太阳电池的一个非理想的 I-V 曲线和
工作区间。 虽然失配可以发生在任何在下面表示的电池参数中， 明显的失配 一般由短路电流或者开路电压的差别引起。 失配的影响依赖于电路的结构和 失配的形式。下面更多的细节给出了证明。
理想和非理想太阳电池的比较。 对于失配， 最大的差别是在太阳电池工作在 反向偏置条件
热斑
如下图所示， 当一串具有几个高电流太阳电池的串中有一个低电流的
太阳电 池时，产生热斑。
一串太阳电池中有一个被遮挡，减少了好电池的电流， 使得好电池要产生更高的电压。这个电压通常使坏电池 反偏。 如果总串联串上的工作电流接近于坏电池的短路电流， 总电流就是被坏电池 所限制的。 好到处产生的额外的电流使好电池正向偏置。 如果串联串被短路， 这个跨过这些好电池的正向偏压就使得被遮挡的电池反向偏置。 当许多串联 的电池在阴影遮挡的电池上引起很大的反向偏压时， 导致差电池上有很大的 热耗散，就发生了热斑。必然地，好电池上的全部的发电容量都耗散在差电 池上。 在相同面积上的大量的功率耗散导致局部发热或者热斑， 转而产生破 坏性的影响，例如电池或玻璃的破裂、焊料的熔化或者太阳电池的衰降。
由于组件碎裂引起的被遮挡电池上的热耗散
旁路二极管
使用旁路二极管可以回避热斑的破坏效果。 旁路二极管并联联接， 但是如下 图所示极性与太阳电池相反。 在通常的工作中， 每一个太阳电池将是正向偏
置，所以旁路二极管被反向偏置并且是有效地开路的。但是，如果一个太阳 电池由于几个串联的太阳电池短路电流失配而反向偏置，旁路二极管导通， 因此允许好电池的电流在外部电路中流动而不是正向偏置每一个好电池。 在 差电池上的最大反向偏置电压被减少到大约一个二极管的电压降， 从而限制 了电流并避免了热斑。下面的动画表旁路二极管的工作和对 I-V 曲线的影 响。
首先得到带有旁路二极管的单个太阳电池的 I-V 曲线， 然后与其它的太阳电 池的 I-V 特性曲线结合， 可以确定旁路二极管对 I-V 曲线的影响。 旁路二极 管仅仅对太阳电池的反向偏置有影响。 如果反向偏置电压高于二极管的导通 电压，二极管导通并传输电流。下图表示了带有旁路二极管的 I-V 曲线。
带有旁路二极管的太阳电池的 I-V 曲线
使用二极管防止热斑现象。为了更清楚，这里的举例总 共使用了十个太阳电池，其中 9 个没有遮挡 1 个被遮挡。 典型的组件有 36 个太阳电池，并且在没有旁路二极管时 电流失配的影响更严重，但是使用二极管后就减少了影 响。 但是， 实际上每个太阳电池配一个旁路二极管是太昂贵了， 替代的方法是通 常一组太阳电池配一个旁路二极管。 跨过被遮挡或者低电流的太阳电池的电 压， 等于共享同一个二极管的其它串联太阳电池的正向偏置电压加旁路二极 管的电压。 下图对此做了解释。 跨过无阴影太阳电池的电压依赖于低电流电 池被遮挡的程度。例如，如果这个电池被完全遮挡，则没有被遮挡的太阳电 池就被它们的短路电流正向偏置，偏置
电压大约 0.6V。如果这个太阳电池 仅仅是部分地被遮挡， 来自于没有被遮挡的太阳电池的部分电流可以通过迴
路， 而剩余的电流正向偏置于每一个太阳电池， 在每一个太阳电池上产生了 一个较低的正向偏置电压。 被遮挡太阳电池的最大耗散功率大约等于这一 组中全部太阳电池的产生容量。 对于硅太阳电池， 在没有引起损伤的条件下， 每个旁路二极管配合的一组太阳电池的最多数量大约是 15 个。对于通常是 36 个太阳电池的组件，因此要使用 2 个旁路二极管，以保证组件不受热斑 的损害。
跨过太阳电池组的旁路二极管。无遮挡太阳电池上的电 压依赖于被遮挡太阳电池被遮挡的程度。上图中只是简 单地表示为 0.5V。
并联联接太阳电池的失配
在小组件中，太阳电池是串联联接的，所以没有并联失配的问题。在大的方 阵中通常有组件的并联， 所以通常是组件水平上而不是电池水平上发生并联 失配。
并联联接的太阳电池。相互并联的太阳电池上的电压总 是相同的，并且总电流是各个独立太阳电池电流的和。
失配对于 PV 方阵的影响
在一个大的 PV 方阵中，各个 PV 组件被串联和并联联接。串联联接的一组 太阳电池或者组件被称做一个“串”。串联联接和并联联接的结合可能在 PV 方阵中引起几个问题。一个可能的问题来自于一个串联串中的开路。包 含有这个串联串的并联串 （通常称做块） 产生的电流要少于其它相互串联的 并联块。 这与串联电池串中包含有一个被遮挡的太阳电池的情况相同， 并且 引起了串联串中全部太阳电池组件块的功率损失。下图表示了这个效应。
在大型 PV 方阵中潜在的失配效应。 虽然全部组件可以是 相同的并且方阵没有经历任何遮挡，失配和热斑效应仍 然可能发生。 并联联接的失配效应可能产生问题， 如果旁路二极管的额定能力不满足全部 并联方阵的电流。例如，在带有串联连接组件的并联串中，如下图所示，在 这个串中连接到组件上的串联二极管变成并联连接。 在串联连接组件间的失 配，将引起电流流过一个旁路二极管，因此加热了这个二极管。但是，加热 这个二极管就减少了它的等效电阻（非肖特基二极管），就像一个额外的组 件串被部分地遮挡了。现在电流可以流过连接到每一个组件上的旁路二极 管，但是也必须通过这个旁路二极管的串。这些二极管就变得更热，进一步 地减少了它们的电阻并且增加了流过的电流。 如果旁路二极管的额定能力不 满足全部并联连接方阵的电流，它们将烧毁并且导致 PV 组件损坏。
并联组件中的旁路二极管 在使用防止失配损失的旁路二极管之外， 可
以使用一个附加的被称作阻塞二 极管的二极管来减少失配损失。 表示在下图中的阻塞二极管， 一般被用于在 带有蓄电池的组件在夜间阻止电流从蓄电池流过 PV 方阵。 并联连接的组件， 每一个并联的串联串都有自己的阻塞二极管。 这不仅减少了对二极管通过电 流容量的要求， 也阻止电流从一个并联的串联串流向一个低电流的串， 并且 使来自于并联连接方阵的失配损失减少到最少。
在并联连接组件中阻塞二极管的作用
PV 组件的温度
太阳电池封装成 PV 组件的一个副作用， 是封装改变了 PV 组件热量的流出和 流入， 因此增加了 PV 组件的工作温度。 温度增加对 PV 组件的主要影响是减 少了组件的电压，因此降低了输出功率。另外，温度增加关联着 PV 组件的 几种失效或者衰降模式， 如抬高温度增加了热膨胀压力， 并且也增加了衰降 速率。衰降因子大约每 10℃是 2。
集成了旁路二极管的 16 个电池的组件，在反向偏置条件 下的热图象。每一个颜色的变化对应于 4℃的温度改变。 组件的工作温度是由 PV 组件产生的温度、环境温度和组件向环境散发的热 之间的平衡决定的。 组件产生的热依赖于组件的工作点、 组件和太阳电池的 光学特性和 PV 组件中太阳电池的封装密度。 向环境的热的散发包括热辐射、 热对流和热传导。这些散发机制依赖于组件材料的热阻、PV 组件的热发射 特性和组件安装的环境条件。下面的章节中讨论了这些因素。
PV 组件中的热产生
一个暴晒于阳光下的组件也产生热。 典型的商业 PV 组件，当工作在最大 功率点时，仅仅有 10—15%的入射阳 光被转换为电力，更多的被转换为 热。影响组件发热的因素包括：
组件顶表面的反射； 组件的实际工作点； 组件空白区域吸收的光； 太阳电池或组件对低能光（红外）的 吸收； 太阳电池的封装密度。
前表面反射
从组件前表面发射的光不产生电功 率。这样的光被认为是需要最小化的 电损失机制。反射光也不产生热。对 于一般的组件，前表面是玻璃，反射 光大约是入射光的 4%。
组件的实际工作点和效率
太阳电池的工作点和效率决定了太 阳光入射到组件上，既产生电也产生热 阳电池吸收的光有多少被转换为电 力。如果太阳电池工作在短路电流或者开路电压，就不产生电力，并且因此 太阳电池吸收的全部能量被转换为热。
组件空白区域吸收的光
组件上非太阳电池部位吸收的光的总量也将对加热组件作出贡献。 有多少光 被吸收，又有多少光被反射，决定于组件背板层的材料和颜色。
红外光的吸收
低于太阳电池带隙能量的光不能贡献电力， 但是如果它们被太
阳电池合作组 件吸收，这些光将发热。太阳电池背面的铝倾向于吸收红外光。在没有全铝 覆盖背表面的太阳电池中，红外光可以通过太阳电池并且脱离组件。
太阳电池的封装密度
太阳电池被特别地设计吸收太阳辐射。 电池将产生显著的热量， 通常要高于 组件的封装层和背面层。因此，太阳电池的封装密度越高，单位面积产生的 热越高。
PV 组件的热损失
PV 组件的工作温度是 PV 组件产生的热与向周围环境散发的热之间的平衡。 热散发的三个主要的方式：传导、对流和辐射。
PV 组件的工作温度是 PV 组件产生的热与向周围环境散发的热之间的平衡。
热传导
传导热的散发是由于在 PV 组件与其它与 PV 组件接触的材料 （包括周围的空 气）之间的温度梯度。PV 组件传输热到周边的能力用热阻和用于封装太阳 电池材料的结构来表示。
传导热流类似与电路中传导电流。 在传导热流中， 温度差是具有确定热阻的 材料中传导热流的驱动力。同样，在具有给定电阻材料的电路中，电压差引 起电流的流动。 因此， 由一个方程给出的温度和热之间的关系类似于跨过电 阻的电压与电流的关系。假定材料是均匀的，并且是处于恒稳态，热传输和 温度之间关系的方程给出为：
这里： Pheat 是 PV 组件产生的热量（见 PV 组件的热产生）； F 是发射表面的热阻，单位是℃W-1； DT 是两种材料之间的温度差，单位是℃。 组件的热阻依赖于材料的厚度和它的热阻系数（或者热导系数）。热阻相似 于电阻，并且热阻方程是：
这里： A 是导热表面的面积； l 是热必须传导的材料的长度； k 是热导系数，单位是 Wm-1℃ 。
-1
要确定更复杂结构的热阻，将独立的可以并联或者串联的热阻累加在一起。 例如， 因为组件的前表面和背表面都从组件向周围传导热， 两个机制相互并 行并且前表面和背表面的热阻是并联的。 组件中密封剂的热阻和玻璃的热阻 应该是串联加入的。后面表示的一个简单的 PV 组件热阻的图表忽略了框架 和边缘的传导。
对流
对流热传输产生自当一个材料在另一个材料的表面上移动并通过该表面传 送热远离这个表面。在 PV 组件中，热对流传输是由于风刮过组件的表面。 由这个热传输过程给出的方程是：
这里： A 是两个材料接触的面积；
h 是对流传热系数，单位是 Wm ℃ ； DT 是两种材料之间的温度差，单位是℃。
-2 -1
不像热阻，直接计算 h 是困难的。对于实际的系统或者条件，通常是经验地 确定参数。
辐射
PV 组件传输热到周围的环境的最终的方法是辐射。如在黑体辐射一节中讨 论的一样， 任何物体都基于它的温度发射辐射。 黑体
发射的功率密度由下方 程给出：
这里： P 是 PV 组件产生的热功率； s 是 Stafan-Boltzmann 常数，给出在常数一节； T 太阳电池的温度，单位是 K。 但是，PV 组件不是理想的黑体。要说明非理想黑体，黑体辐射方程要修改， 要包括一个称做材料或者物体发射率的参数 ε。一个黑体，是一个完美的 能量发射体（或者吸收体），发射率是 1。一个物体的发射率通常可以通过 测量吸收特性得到，两者通常是非常相似的。例如金属，趋向于减少吸收， 发射率也很低，通常是在 0.03 范围之内。在表面发射功率密度的方程中， 包括发射率，给出：
这里： e 是表面的发射率； 其它参数与上述相同。 由于辐射从组件发散的净功率或能量， 是从环境发射到组件上的热量和从组 件发射到环境中的热量的差，数学方程是： mathematical format:
这里： Tsc 是太阳电池的温度；
Tamb 是太阳电池周围环境的温度； 其它的参数与上述的相同。
标称工作电池温度
PV 组件一般的额定条件是 25℃、1 kW/m2。但是，在野外工作时，它们一般 是工作在高温条件下，并且经常是低辐射条件。 为了确定太阳电池的功率 输出，确定 PV 组件的预期工作温度是重要的。标称工作电池温度 (NOCT) 被定义为在下列条件下，组件中的太阳电池开路时所达到的温度。 电池表面的辐射强度 = 800 W/m2 气候温度 = 20°C 风速 = 1 m/s 安装 = 背面开放 太阳辐射和组件与周围环境的温度差的方程表明， 在给定风速下， 传导和对 流散热与入射太阳辐射强度是线形的关系， 假如热阻和传热系数不是随温度 强烈地变化。下面表示了 NOCT 的最好的情况、最差的情况和平均情况。最 好的情况包括了用于冷却的组件背表面的铝散热片， 它减少了热阻并且增加 了对流的表面积。
对于不同的组件形式，由于太阳辐射的增加，温度增加，高于周围的环境温 度。 最好的组件工作在 33℃的 NOCT，最差的和一般的组件的 NOCT 分别是 33℃ 和 48℃。计算太阳电池温度的近似的表达式是：
这里： S = 辐照度，单位是 mW/cm2。当风速高时，组件温度要低于这个值。
输入大气环境温度， Tair =
20
℃
50
输入标称电池工作温度， NOCT= 输入辐照水平，S=
80
℃
mW/cm2
电池温度， Tcell =
℃
组件设计对 NOCT 的影响
组件设计，包括组件材料和封装密度，对 NOCT 有主要的影响。例如，具有 低封装密度和减少了热阻的背表面的可以使温度相差 5℃甚至更多。
安装条件的影响
热对流和热传导显著地受到 PV 组件安装条件的影响。一个不能够与周围环 境交换热量的背表面 （例如， 直接安装在没有空隙的屋顶上的被覆盖的背表 面），将有一个无限
大的背表面热阻。相似地，在这样的条件下的对流被限 制，仅仅是组件前表面的对流。屋顶的完整安装，从而引起了更高的工作温 度，通常增加组件的温度达 10℃。
热膨胀和热应力
热膨胀是组件设计中必须考虑的另一个重要的温度效应。
使用应力消除环，以调节由于温度增加而产生的电池之间的膨胀。 在电池之间要努力地增加一个 δ 的空间，由下式给出：
这里： aG aC 分别是玻璃和电池的膨胀系数； D 是电池宽度； C 是电池中心距离。
一般使用应力消除环连接太阳电池，最小化了周期应力。使用双重连接，以 防止由于这样的应力引起的疲劳失效的可能。 除了连接应力， 全部组件界面承受着与温度有关的循环应力， 最终可能导致 分层。
电绝缘
封装系统至少要能够抵抗像系统电压一样高的电位差。金属框架也必须接 地，因为内部和终端电位可能高于地电位。任何对地的漏电流必须是低的， 避免与对地漏电安全器件相冲突。
机械保护
为了安装期间通常的操作， 太阳电池组件必须有足够的强度和钢性。 如果上 表面使用了玻璃，玻璃必须是钢化的，因为组件的中心面积比周边更热。这 引起了边缘张力，并且引起碎裂。在一个方阵中，组件必须可以承受安装结 构中的某种程度的扭曲， 可以抵抗风引起的振动和大风、 大雪和冰雹强加的 载荷。
安装在歪扭的支架上可能产生的组件扭曲 澳大利亚标准 AS 4509-1999 规定的实验包括：
静态负载 - 3.9 kPa，1 小时，正反两面(等效于风速 200 km/hr)；
动态负载 - 2.5 kPa，正反两面，2,500 - 10,000 循环 (风速 160 km/hr)； 冰雹实验 - 2.5 cm 直径冰球，撞击速度 23.2 m/s (- 80 km/hr)。
硅 PV 组件中的衰降和失效模式
因为没有移动部件（在其它发电设备中产生可靠性问题的主要来源），PV 组件的工作寿命主要是由稳定性和对它的结构材料的腐蚀所决定的。 制造这 保证 20 年寿命的担保表明了现行批量生产的硅 PV 组件的质量。 然而， 存在 几种失效模式和衰降机制， 可以减少功率输出或者引起组件失效。 几乎全部 这些机制与水的进入和热应力有关。
PV 组件衰降和失效的例子。表明水蒸汽的进入引起的太阳电池减反射膜的 衰降。
输出功率的可逆性衰降
因为可逆的原因，PV 组件可能输出的功率逐渐减少。例如，可能被生长在 前方的树木遮挡，前表面覆盖了尘土（前表面的尘土可能使 PV 组件的输出 减少 10%）。一个组件可能已经失效了，或者组件之间的互连可能改变了方 阵的工作点。但是，这个功率的减少是可逆的，如果引起的原因被矫正。
方阵表面的灰土可以引起失配损失或输出功率均衡的减
少
PV 组件的衰降和失效
衰降机制可能包括，随时间的流逝 PV 组件输出功率在组件减少，或者由于 组件中某个太阳电池恶毒失效而引起的输出功率的全面下降。 太阳电池衰降 引起组件性能渐进性衰降的原因可能包括：
RS 增加，由于腐蚀（通常由水或者蒸汽引起）或者电极的黏着力下降； RSH 减少，由于金属迁移通过了 PN 结； 减反射膜退化。
电池短路 在电池互连之间可能产生短路，如下图所示。对于薄膜太阳电池，这也是一 个普通的失效模式， 因为薄膜太阳电池的顶接触和背接触更靠近， 有更多的 机会经受由于针孔、局部腐蚀和电池材料的损坏引起的短路。
互连短路引起的电池失效
电池的开路 这是一个普通的失效模式， 虽然富余的接触点和互连线允许电池继续流通电 流。电池碎裂的原因包括：
热应力； 冰雹； 在处理和封装过程中的损伤，导致了潜在的碎裂，在制造阶段是不能够发现的，但 是在后来的某一时刻显现出来。
碎裂的电池表明，怎样互连才能够有助于避免组件的开路失效。 互连开路 由于循环热应力和风载荷产生的疲劳，导致互连开路失效。 组件开路 在组件结构中也发生开路失效，一般发生在接线盒或者连接线上。 组件短路 虽然每一个组件在销售前都经过测试， 组件短路通常是制造缺陷的结果。 由 于气候、分层、碎裂或者电化学腐蚀引起绝缘下降而产生短路。 组件玻璃破碎 故意破坏、热应力、搬运，风或者冰雹，可能引起顶端玻璃的破裂。 组件分层
在早期组件中产生的一种普通的失效模式， 现在组件分层问题减少了。 通常 是由于键合强度下降、湿气的进入、光热老化、温湿度膨胀的差产生的应力 引起的。 热斑失效 失配、碎裂或者遮挡电池，可能导致热斑失效，如前面热斑加热一节中讨论 的。
旁路二极管失效
用于克服失配问题的旁路二极管可能自己失效， 通常是由于容量不够大。 如 果 PN 结的温度可以保持低于 128℃，可以减少这个问题。
密封剂失效
UV 吸收剂和其它的密封剂稳定剂，保证了组件密封材料的长寿命。但是， 由于浸出、扩散而产生的缓慢的损耗，一旦浓度下降到某个临界水平，就产 生了密封材料的快速衰降。特别是，EVA 层的褐变，伴随着内在的乙酸，引 起某些方阵输出功率逐渐减少，特别是聚光系统。
组件结构
组件是由一些互相联接的太阳电池组成，典 型的是 36 片串联， 这些太阳电池被封装成单 一的、长期耐久的、稳定的单元。 封装一组 相互联接的太阳电池的目的是在使用它们的 通常的苛刻环境中保护它们和它们的互联 线。例如，太阳电池是是很薄的，更易于受 到机械损伤，除非它们得到保护。另外，太 阳电池顶部表面的金属栅线和各个独立的太 阳电池之间的互联线可以被水和水蒸汽腐 蚀。封装的两个关键作用是防止太阳电池的 机械损伤和防止水或者水蒸汽对电极的腐 蚀。 有许多不同形式的 PV 组件，并且对于 不同的太阳电池或者不同的应用要求来讲组 件的结构是不同的。例如，无定型硅太阳电 池通常被封装成柔性的组件，而用于遥远地 区的晶体硅太阳电池则与玻璃形成钢性的封 装。 晶体硅 PV 组件的寿命和保质期通常大约 是 20 年，表明封装的 PV 组件是耐用的。
典型的太阳电池组件，在遥远地区的户 外使用。
组件材料
大多数晶体硅太阳电池组件是由透明的顶表面、 胶质密封材料、 背面层和外 部框架组成。如下图所示，在大多数组件中，顶表面是玻璃，胶质密封材料 是 EVA(ethyl vinyl acetate，乙烯基乙酸乙脂)，背面层是 Tedlar。
典型的晶体硅组件材料
前表面材料
PV 组件的前表面材料对于可以被 PV 组件中的太阳电池使用的波长必须有很 高的透明度。对于硅太阳电池，顶表面材料对于波长在 350nm 到 1200nm 范 围的波长必须有很高的透明度。另外，前表面的反射应该很低。 虽然理论 上在顶表面应用减反射膜可以减少反射， 但是实际上这些减反射膜都不足以 抵抗大多数 PV 组件的使用条件。另一个可以减少反射的技术是织构化表面 或者使表面粗糙。但是，在这种情况下灰尘和泥垢更可能黏附在顶表面，并 且很难被风和雨水驱除。 这些组件因此不是“自清洁”的， 并且减少反射的 优越性很快被顶表面的尘土招致的损失所超过。 除了反射和透明的特性之外， 顶表面材料应该是不渗透水的， 应该是耐冲击 的，应该在长期的紫外线照射下是稳定的，并且有很低的热阻系数。水或者 水蒸汽进入到 PV 组件中，将腐蚀金属电极和互联条，并且从而将显著地减 少 PV 组件的寿命。在大多数组件中，顶表面用于提供机械强度和硬度，因 此用于支撑太阳电池和联线的顶表面或者背表面必须是机械钢性的。 顶表面材料有几种选择， 包括丙烯酸聚合物和玻璃。 钢化的低铁玻璃是最普 通的应用，因为成本低、坚固、稳定、高透明度、防水和气体，并且有良好 的自清洁特性。
胶质密封材料
胶质密封材料被用于在组件的太阳电池、
顶表面和背表面之间提供黏结。 在 高温和强 UV 照射下，胶质密封材料应该是稳定的，应该也是光学透明的并 且有很低的热阻。 EVA (ethyl vinyl acetate，乙烯基乙酸乙脂)是最通常 使用的封装材料。采购的 EVA 是薄片的形状，插入到顶表面和太阳电池、太 阳电池和背表面之间。这个三明治然后被加热到 150℃以聚合 EVA 并且将组 件粘联在一起。
背表面
PV 组件背表面的关键特征是它必须具有很低的热阻，并且必须阻止水或者 水蒸汽的进入。在大多数组件中，一个很薄的聚合物层，通常是 Tedlar， 被用于做背表面。有些 PV 组件，如已知的双面组件，被设计成既可以从太 阳电池的正面也可以从太阳电池的背面接收光线。 在双面组件中前表面和背 表面必须都是透明的。
边框
最终的组件结构部件是框架。常规的 PV 组件的框架一般是铝材料制作的。 框架结构应该是没有突出部位的，避免水、灰尘或者其它物体的积存。
集中典型的硅 PV 组件
封装密度
组件中太阳电池的封装密度关系到组件中太阳电池覆盖面积与空白区面积 的比。 封装密度影响了组件的输出功率和它的温度。 封装密度依赖于所使用 的太阳电池的形状。例如，单晶太阳电池是圆形或者是准方形的，而多晶太 阳电池是方形的。 因此， 如果准方形的单晶太阳电池组件的封装密度要低于 方形的多晶太阳电池的组件。下图解释了圆形和方形太阳电池的封装。
圆形和方形太阳电池的封装密度 组件中稀疏地封装太阳电池，空白的面积也可以因为“零深度聚光效应”而 增加组件的输出。 如下图所示， 某些照射到组件中空白区的光被反射和散射 到太阳电池的表面。
组件中的“零深度聚光效应”
组件电路的设计
晶体硅 PV 组件是由若干个独立的太阳电池联接组成的，几乎总是串联，为 了增加输出功率和电压。PV 组件的电压通常被选择适合于 12V 的蓄电池。 在 25℃，AM1.5 条件下，一个硅太阳电池单体的电压是 0.6V。考虑到在温 度升高时预期到 PV 组件电压的减少和蓄电池充电时要求达到 15V 或者更高 的充电电压， 大多数组件包含有 36 片串联的太阳电池。 在标准实验条件下， 这样的组件的开路电压大约 21V，并且在工作温度最大工作点的工作电压大 约是 16-17V。保留超额的电压，是考虑到由于其它 PV 系统元件引起的电压 衰降、工作点远离最大工作点和光强的减少。
常规组件，36 片电池串联联接，为了生成满足 12V 蓄电池充电的电压。
PV 组件的电压由组件中太阳电池的数量决定，组件的电流主要地依赖于太 阳电池的尺寸和它们的效率。 AM1.5 条件和最佳倾角， 在 商业太阳电池的电 2
2 流密度大约是在 30mA/cm 到 36 mA/cm 之间。单晶太阳电池的面积大约是 100cm2，组件的总电流大约就是 3.5A。多晶组件中电池的面积更大，从而这 些组件的短路电流大约是 4A。但是，单体太阳电池的尺寸在加大，因此组 件的电流也在增加。 与对电压的影响不同， 温度通常对组件的电流不产生影 响，但是组件的倾角对电流有明显的影响。 如果一个组件中的太阳电池都有相同的电特性， 并且它们全部全部经历着相 同的辐照强度和温度， 那么全部电池将在完全相同的电流和电压下工作。 在 这种情况下，PV 组件的 I-V 曲线与每一个单独的太阳电池的 I-V 曲线的形 状相同，只是电压和电流增加了。电流方程改变为：
这里： N 是串联电池的数量； M 是并联电池的数量； IT 是电路的总电流； VT 是电路的总电压； I0 是单一太阳电池的饱和电流； IL 是单一太阳电池的短路电流； n 是单一电池的理想因子； q，k 和 T 是给出在常数一节中的常数。 下图表示了理想联接的太阳电池组的完整的 I-V 曲线。
N 个电池串联后 M 个电池并联的 I-V 曲线
失配的影响
失配损失是由于电池或者组件的互联引起的， 这些电池或者组件没有相同的 特性或者经历了不同的条件。在 PV 组件和方阵中，在某种条件下失配问题 是一个严重的问题， 因为一个组件在最差情况的输出是由其中的具有最低输 出的太阳电池决定。 例如， 当一个太阳电池被遮挡而组件中的其它的太阳电 池并没有被遮挡时， 一个处于“良好”状态的太阳电池产生的功率可以被低 性能的太阳电池耗散， 而不是提供给负载。 这可以导致非常高的局部电力耗 散，并且由此而产生的局部加热可以引起组件不可恢复的损伤。
组件上局部区域的阴影是引起 PV 组件失配的主要原因 当组件中的一个太阳电池的电参数明显不同于组件中其它的太阳电池时， 就 发生了组件中的失配。由于失配所产生的影响和功率损失依赖于：
PV 组件的工作点； 电路的配置； 与其它太阳电池不同的哪个太阳电池的参数。
一个太阳电池与另一个太阳电池的 I-V 曲线上任何部位的差别都可以在某 些工作点上导致失配损失。 下图表示了太阳电池的一个非理想的 I-V 曲线和
工作区间。 虽然失配可以发生在任何在下面表示的电池参数中， 明显的失配 一般由短路电流或者开路电压的差别引起。 失配的影响依赖于电路的结构和 失配的形式。下面更多的细节给出了证明。
理想和非理想太阳电池的比较。 对于失配， 最大的差别是在太阳电池工作在 反向偏置条件
热斑
如下图所示， 当一串具有几个高电流太阳电池的串中有一个低电流的
太阳电 池时，产生热斑。
一串太阳电池中有一个被遮挡，减少了好电池的电流， 使得好电池要产生更高的电压。这个电压通常使坏电池 反偏。 如果总串联串上的工作电流接近于坏电池的短路电流， 总电流就是被坏电池 所限制的。 好到处产生的额外的电流使好电池正向偏置。 如果串联串被短路， 这个跨过这些好电池的正向偏压就使得被遮挡的电池反向偏置。 当许多串联 的电池在阴影遮挡的电池上引起很大的反向偏压时， 导致差电池上有很大的 热耗散，就发生了热斑。必然地，好电池上的全部的发电容量都耗散在差电 池上。 在相同面积上的大量的功率耗散导致局部发热或者热斑， 转而产生破 坏性的影响，例如电池或玻璃的破裂、焊料的熔化或者太阳电池的衰降。
由于组件碎裂引起的被遮挡电池上的热耗散
旁路二极管
使用旁路二极管可以回避热斑的破坏效果。 旁路二极管并联联接， 但是如下 图所示极性与太阳电池相反。 在通常的工作中， 每一个太阳电池将是正向偏
置，所以旁路二极管被反向偏置并且是有效地开路的。但是，如果一个太阳 电池由于几个串联的太阳电池短路电流失配而反向偏置，旁路二极管导通， 因此允许好电池的电流在外部电路中流动而不是正向偏置每一个好电池。 在 差电池上的最大反向偏置电压被减少到大约一个二极管的电压降， 从而限制 了电流并避免了热斑。下面的动画表旁路二极管的工作和对 I-V 曲线的影 响。
首先得到带有旁路二极管的单个太阳电池的 I-V 曲线， 然后与其它的太阳电 池的 I-V 特性曲线结合， 可以确定旁路二极管对 I-V 曲线的影响。 旁路二极 管仅仅对太阳电池的反向偏置有影响。 如果反向偏置电压高于二极管的导通 电压，二极管导通并传输电流。下图表示了带有旁路二极管的 I-V 曲线。
带有旁路二极管的太阳电池的 I-V 曲线
使用二极管防止热斑现象。为了更清楚，这里的举例总 共使用了十个太阳电池，其中 9 个没有遮挡 1 个被遮挡。 典型的组件有 36 个太阳电池，并且在没有旁路二极管时 电流失配的影响更严重，但是使用二极管后就减少了影 响。 但是， 实际上每个太阳电池配一个旁路二极管是太昂贵了， 替代的方法是通 常一组太阳电池配一个旁路二极管。 跨过被遮挡或者低电流的太阳电池的电 压， 等于共享同一个二极管的其它串联太阳电池的正向偏置电压加旁路二极 管的电压。 下图对此做了解释。 跨过无阴影太阳电池的电压依赖于低电流电 池被遮挡的程度。例如，如果这个电池被完全遮挡，则没有被遮挡的太阳电 池就被它们的短路电流正向偏置，偏置
电压大约 0.6V。如果这个太阳电池 仅仅是部分地被遮挡， 来自于没有被遮挡的太阳电池的部分电流可以通过迴
路， 而剩余的电流正向偏置于每一个太阳电池， 在每一个太阳电池上产生了 一个较低的正向偏置电压。 被遮挡太阳电池的最大耗散功率大约等于这一 组中全部太阳电池的产生容量。 对于硅太阳电池， 在没有引起损伤的条件下， 每个旁路二极管配合的一组太阳电池的最多数量大约是 15 个。对于通常是 36 个太阳电池的组件，因此要使用 2 个旁路二极管，以保证组件不受热斑 的损害。
跨过太阳电池组的旁路二极管。无遮挡太阳电池上的电 压依赖于被遮挡太阳电池被遮挡的程度。上图中只是简 单地表示为 0.5V。
并联联接太阳电池的失配
在小组件中，太阳电池是串联联接的，所以没有并联失配的问题。在大的方 阵中通常有组件的并联， 所以通常是组件水平上而不是电池水平上发生并联 失配。
并联联接的太阳电池。相互并联的太阳电池上的电压总 是相同的，并且总电流是各个独立太阳电池电流的和。
失配对于 PV 方阵的影响
在一个大的 PV 方阵中，各个 PV 组件被串联和并联联接。串联联接的一组 太阳电池或者组件被称做一个“串”。串联联接和并联联接的结合可能在 PV 方阵中引起几个问题。一个可能的问题来自于一个串联串中的开路。包 含有这个串联串的并联串 （通常称做块） 产生的电流要少于其它相互串联的 并联块。 这与串联电池串中包含有一个被遮挡的太阳电池的情况相同， 并且 引起了串联串中全部太阳电池组件块的功率损失。下图表示了这个效应。
在大型 PV 方阵中潜在的失配效应。 虽然全部组件可以是 相同的并且方阵没有经历任何遮挡，失配和热斑效应仍 然可能发生。 并联联接的失配效应可能产生问题， 如果旁路二极管的额定能力不满足全部 并联方阵的电流。例如，在带有串联连接组件的并联串中，如下图所示，在 这个串中连接到组件上的串联二极管变成并联连接。 在串联连接组件间的失 配，将引起电流流过一个旁路二极管，因此加热了这个二极管。但是，加热 这个二极管就减少了它的等效电阻（非肖特基二极管），就像一个额外的组 件串被部分地遮挡了。现在电流可以流过连接到每一个组件上的旁路二极 管，但是也必须通过这个旁路二极管的串。这些二极管就变得更热，进一步 地减少了它们的电阻并且增加了流过的电流。 如果旁路二极管的额定能力不 满足全部并联连接方阵的电流，它们将烧毁并且导致 PV 组件损坏。
并联组件中的旁路二极管 在使用防止失配损失的旁路二极管之外， 可
以使用一个附加的被称作阻塞二 极管的二极管来减少失配损失。 表示在下图中的阻塞二极管， 一般被用于在 带有蓄电池的组件在夜间阻止电流从蓄电池流过 PV 方阵。 并联连接的组件， 每一个并联的串联串都有自己的阻塞二极管。 这不仅减少了对二极管通过电 流容量的要求， 也阻止电流从一个并联的串联串流向一个低电流的串， 并且 使来自于并联连接方阵的失配损失减少到最少。
在并联连接组件中阻塞二极管的作用
PV 组件的温度
太阳电池封装成 PV 组件的一个副作用， 是封装改变了 PV 组件热量的流出和 流入， 因此增加了 PV 组件的工作温度。 温度增加对 PV 组件的主要影响是减 少了组件的电压，因此降低了输出功率。另外，温度增加关联着 PV 组件的 几种失效或者衰降模式， 如抬高温度增加了热膨胀压力， 并且也增加了衰降 速率。衰降因子大约每 10℃是 2。
集成了旁路二极管的 16 个电池的组件，在反向偏置条件 下的热图象。每一个颜色的变化对应于 4℃的温度改变。 组件的工作温度是由 PV 组件产生的温度、环境温度和组件向环境散发的热 之间的平衡决定的。 组件产生的热依赖于组件的工作点、 组件和太阳电池的 光学特性和 PV 组件中太阳电池的封装密度。 向环境的热的散发包括热辐射、 热对流和热传导。这些散发机制依赖于组件材料的热阻、PV 组件的热发射 特性和组件安装的环境条件。下面的章节中讨论了这些因素。
PV 组件中的热产生
一个暴晒于阳光下的组件也产生热。 典型的商业 PV 组件，当工作在最大 功率点时，仅仅有 10—15%的入射阳 光被转换为电力，更多的被转换为 热。影响组件发热的因素包括：
组件顶表面的反射； 组件的实际工作点； 组件空白区域吸收的光； 太阳电池或组件对低能光（红外）的 吸收； 太阳电池的封装密度。
前表面反射
从组件前表面发射的光不产生电功 率。这样的光被认为是需要最小化的 电损失机制。反射光也不产生热。对 于一般的组件，前表面是玻璃，反射 光大约是入射光的 4%。
组件的实际工作点和效率
太阳电池的工作点和效率决定了太 阳光入射到组件上，既产生电也产生热 阳电池吸收的光有多少被转换为电 力。如果太阳电池工作在短路电流或者开路电压，就不产生电力，并且因此 太阳电池吸收的全部能量被转换为热。
组件空白区域吸收的光
组件上非太阳电池部位吸收的光的总量也将对加热组件作出贡献。 有多少光 被吸收，又有多少光被反射，决定于组件背板层的材料和颜色。
红外光的吸收
低于太阳电池带隙能量的光不能贡献电力， 但是如果它们被太
阳电池合作组 件吸收，这些光将发热。太阳电池背面的铝倾向于吸收红外光。在没有全铝 覆盖背表面的太阳电池中，红外光可以通过太阳电池并且脱离组件。
太阳电池的封装密度
太阳电池被特别地设计吸收太阳辐射。 电池将产生显著的热量， 通常要高于 组件的封装层和背面层。因此，太阳电池的封装密度越高，单位面积产生的 热越高。
PV 组件的热损失
PV 组件的工作温度是 PV 组件产生的热与向周围环境散发的热之间的平衡。 热散发的三个主要的方式：传导、对流和辐射。
PV 组件的工作温度是 PV 组件产生的热与向周围环境散发的热之间的平衡。
热传导
传导热的散发是由于在 PV 组件与其它与 PV 组件接触的材料 （包括周围的空 气）之间的温度梯度。PV 组件传输热到周边的能力用热阻和用于封装太阳 电池材料的结构来表示。
传导热流类似与电路中传导电流。 在传导热流中， 温度差是具有确定热阻的 材料中传导热流的驱动力。同样，在具有给定电阻材料的电路中，电压差引 起电流的流动。 因此， 由一个方程给出的温度和热之间的关系类似于跨过电 阻的电压与电流的关系。假定材料是均匀的，并且是处于恒稳态，热传输和 温度之间关系的方程给出为：
这里： Pheat 是 PV 组件产生的热量（见 PV 组件的热产生）； F 是发射表面的热阻，单位是℃W-1； DT 是两种材料之间的温度差，单位是℃。 组件的热阻依赖于材料的厚度和它的热阻系数（或者热导系数）。热阻相似 于电阻，并且热阻方程是：
这里： A 是导热表面的面积； l 是热必须传导的材料的长度； k 是热导系数，单位是 Wm-1℃ 。
-1
要确定更复杂结构的热阻，将独立的可以并联或者串联的热阻累加在一起。 例如， 因为组件的前表面和背表面都从组件向周围传导热， 两个机制相互并 行并且前表面和背表面的热阻是并联的。 组件中密封剂的热阻和玻璃的热阻 应该是串联加入的。后面表示的一个简单的 PV 组件热阻的图表忽略了框架 和边缘的传导。
对流
对流热传输产生自当一个材料在另一个材料的表面上移动并通过该表面传 送热远离这个表面。在 PV 组件中，热对流传输是由于风刮过组件的表面。 由这个热传输过程给出的方程是：
这里： A 是两个材料接触的面积；
h 是对流传热系数，单位是 Wm ℃ ； DT 是两种材料之间的温度差，单位是℃。
-2 -1
不像热阻，直接计算 h 是困难的。对于实际的系统或者条件，通常是经验地 确定参数。
辐射
PV 组件传输热到周围的环境的最终的方法是辐射。如在黑体辐射一节中讨 论的一样， 任何物体都基于它的温度发射辐射。 黑体
发射的功率密度由下方 程给出：
这里： P 是 PV 组件产生的热功率； s 是 Stafan-Boltzmann 常数，给出在常数一节； T 太阳电池的温度，单位是 K。 但是，PV 组件不是理想的黑体。要说明非理想黑体，黑体辐射方程要修改， 要包括一个称做材料或者物体发射率的参数 ε。一个黑体，是一个完美的 能量发射体（或者吸收体），发射率是 1。一个物体的发射率通常可以通过 测量吸收特性得到，两者通常是非常相似的。例如金属，趋向于减少吸收， 发射率也很低，通常是在 0.03 范围之内。在表面发射功率密度的方程中， 包括发射率，给出：
这里： e 是表面的发射率； 其它参数与上述相同。 由于辐射从组件发散的净功率或能量， 是从环境发射到组件上的热量和从组 件发射到环境中的热量的差，数学方程是： mathematical format:
这里： Tsc 是太阳电池的温度；
Tamb 是太阳电池周围环境的温度； 其它的参数与上述的相同。
标称工作电池温度
PV 组件一般的额定条件是 25℃、1 kW/m2。但是，在野外工作时，它们一般 是工作在高温条件下，并且经常是低辐射条件。 为了确定太阳电池的功率 输出，确定 PV 组件的预期工作温度是重要的。标称工作电池温度 (NOCT) 被定义为在下列条件下，组件中的太阳电池开路时所达到的温度。 电池表面的辐射强度 = 800 W/m2 气候温度 = 20°C 风速 = 1 m/s 安装 = 背面开放 太阳辐射和组件与周围环境的温度差的方程表明， 在给定风速下， 传导和对 流散热与入射太阳辐射强度是线形的关系， 假如热阻和传热系数不是随温度 强烈地变化。下面表示了 NOCT 的最好的情况、最差的情况和平均情况。最 好的情况包括了用于冷却的组件背表面的铝散热片， 它减少了热阻并且增加 了对流的表面积。
对于不同的组件形式，由于太阳辐射的增加，温度增加，高于周围的环境温 度。 最好的组件工作在 33℃的 NOCT，最差的和一般的组件的 NOCT 分别是 33℃ 和 48℃。计算太阳电池温度的近似的表达式是：
这里： S = 辐照度，单位是 mW/cm2。当风速高时，组件温度要低于这个值。
输入大气环境温度， Tair =
20
℃
50
输入标称电池工作温度， NOCT= 输入辐照水平，S=
80
℃
mW/cm2
电池温度， Tcell =
℃
组件设计对 NOCT 的影响
组件设计，包括组件材料和封装密度，对 NOCT 有主要的影响。例如，具有 低封装密度和减少了热阻的背表面的可以使温度相差 5℃甚至更多。
安装条件的影响
热对流和热传导显著地受到 PV 组件安装条件的影响。一个不能够与周围环 境交换热量的背表面 （例如， 直接安装在没有空隙的屋顶上的被覆盖的背表 面），将有一个无限
大的背表面热阻。相似地，在这样的条件下的对流被限 制，仅仅是组件前表面的对流。屋顶的完整安装，从而引起了更高的工作温 度，通常增加组件的温度达 10℃。
热膨胀和热应力
热膨胀是组件设计中必须考虑的另一个重要的温度效应。
使用应力消除环，以调节由于温度增加而产生的电池之间的膨胀。 在电池之间要努力地增加一个 δ 的空间，由下式给出：
这里： aG aC 分别是玻璃和电池的膨胀系数； D 是电池宽度； C 是电池中心距离。
一般使用应力消除环连接太阳电池，最小化了周期应力。使用双重连接，以 防止由于这样的应力引起的疲劳失效的可能。 除了连接应力， 全部组件界面承受着与温度有关的循环应力， 最终可能导致 分层。
电绝缘
封装系统至少要能够抵抗像系统电压一样高的电位差。金属框架也必须接 地，因为内部和终端电位可能高于地电位。任何对地的漏电流必须是低的， 避免与对地漏电安全器件相冲突。
机械保护
为了安装期间通常的操作， 太阳电池组件必须有足够的强度和钢性。 如果上 表面使用了玻璃，玻璃必须是钢化的，因为组件的中心面积比周边更热。这 引起了边缘张力，并且引起碎裂。在一个方阵中，组件必须可以承受安装结 构中的某种程度的扭曲， 可以抵抗风引起的振动和大风、 大雪和冰雹强加的 载荷。
安装在歪扭的支架上可能产生的组件扭曲 澳大利亚标准 AS 4509-1999 规定的实验包括：
静态负载 - 3.9 kPa，1 小时，正反两面(等效于风速 200 km/hr)；
动态负载 - 2.5 kPa，正反两面，2,500 - 10,000 循环 (风速 160 km/hr)； 冰雹实验 - 2.5 cm 直径冰球，撞击速度 23.2 m/s (- 80 km/hr)。
硅 PV 组件中的衰降和失效模式
因为没有移动部件（在其它发电设备中产生可靠性问题的主要来源），PV 组件的工作寿命主要是由稳定性和对它的结构材料的腐蚀所决定的。 制造这 保证 20 年寿命的担保表明了现行批量生产的硅 PV 组件的质量。 然而， 存在 几种失效模式和衰降机制， 可以减少功率输出或者引起组件失效。 几乎全部 这些机制与水的进入和热应力有关。
PV 组件衰降和失效的例子。表明水蒸汽的进入引起的太阳电池减反射膜的 衰降。
输出功率的可逆性衰降
因为可逆的原因，PV 组件可能输出的功率逐渐减少。例如，可能被生长在 前方的树木遮挡，前表面覆盖了尘土（前表面的尘土可能使 PV 组件的输出 减少 10%）。一个组件可能已经失效了，或者组件之间的互连可能改变了方 阵的工作点。但是，这个功率的减少是可逆的，如果引起的原因被矫正。
方阵表面的灰土可以引起失配损失或输出功率均衡的减
少
PV 组件的衰降和失效
衰降机制可能包括，随时间的流逝 PV 组件输出功率在组件减少，或者由于 组件中某个太阳电池恶毒失效而引起的输出功率的全面下降。 太阳电池衰降 引起组件性能渐进性衰降的原因可能包括：
RS 增加，由于腐蚀（通常由水或者蒸汽引起）或者电极的黏着力下降； RSH 减少，由于金属迁移通过了 PN 结； 减反射膜退化。
电池短路 在电池互连之间可能产生短路，如下图所示。对于薄膜太阳电池，这也是一 个普通的失效模式， 因为薄膜太阳电池的顶接触和背接触更靠近， 有更多的 机会经受由于针孔、局部腐蚀和电池材料的损坏引起的短路。
互连短路引起的电池失效
电池的开路 这是一个普通的失效模式， 虽然富余的接触点和互连线允许电池继续流通电 流。电池碎裂的原因包括：
热应力； 冰雹； 在处理和封装过程中的损伤，导致了潜在的碎裂，在制造阶段是不能够发现的，但 是在后来的某一时刻显现出来。
碎裂的电池表明，怎样互连才能够有助于避免组件的开路失效。 互连开路 由于循环热应力和风载荷产生的疲劳，导致互连开路失效。 组件开路 在组件结构中也发生开路失效，一般发生在接线盒或者连接线上。 组件短路 虽然每一个组件在销售前都经过测试， 组件短路通常是制造缺陷的结果。 由 于气候、分层、碎裂或者电化学腐蚀引起绝缘下降而产生短路。 组件玻璃破碎 故意破坏、热应力、搬运，风或者冰雹，可能引起顶端玻璃的破裂。 组件分层
在早期组件中产生的一种普通的失效模式， 现在组件分层问题减少了。 通常 是由于键合强度下降、湿气的进入、光热老化、温湿度膨胀的差产生的应力 引起的。 热斑失效 失配、碎裂或者遮挡电池，可能导致热斑失效，如前面热斑加热一节中讨论 的。
旁路二极管失效
用于克服失配问题的旁路二极管可能自己失效， 通常是由于容量不够大。 如 果 PN 结的温度可以保持低于 128℃，可以减少这个问题。
密封剂失效
UV 吸收剂和其它的密封剂稳定剂，保证了组件密封材料的长寿命。但是， 由于浸出、扩散而产生的缓慢的损耗，一旦浓度下降到某个临界水平，就产 生了密封材料的快速衰降。特别是，EVA 层的褐变，伴随着内在的乙酸，引 起某些方阵输出功率逐渐减少，特别是聚光系统。