光伏组件热斑效应全过程解析：一片被遮挡的电池，如何被“压”到 −16.8 V？
一片落叶、一坨鸟粪、一角积灰，就可能让组件上的某一片电池温度飙升，轻则功率损失，重则背板烧穿。这就是大家常说的热斑效应。
“被遮挡的电池从发电变成耗电”这句话很多人都听过，但中间到底发生了什么：电压是怎么变的？旁路二极管是在哪一刻导通的？导通之后热斑就消失了吗？
这篇文章用一个具体的算例，把整个过程从头到尾走一遍。
本文算例的设定
144 片半片常规版型组件，3 只旁路二极管；单片电池 Voc ≈ 0.7 V、Isc ≈ 8 A。为了便于心算，下文电池电压统一按 0.7 V 估算。
一、正常工作时：旁路二极管在“待命”
先看组件的电路结构。144 片半片组件分为上、下两半，每一半各有 3 个由 24 片电池串联而成的电池串；上、下对应的两个电池串并联后，再与接线盒里的一只旁路二极管反向并联。
图 1｜144 片半片组件的简化电路：每只二极管“看管”上、下各 24 片电池
组件正常发电时：
- 电池串正常输出，电流全部从电池串流过；
- 二极管与电池串反向并联，因此二极管两端承受的是反向电压，大小等于这一串电池的电压：
24 × 0.7 V = 16.8 V
16.8 V 的反压，对二极管来说很轻松。光伏接线盒普遍使用肖特基二极管，以某头部企业 25 A 接线盒所用的型号为例，其可长期承受的反向电压为 45 V，裕量充足。
所以此时二极管处于截止状态，里面只有一个极小的反向漏电流 Is，几乎可以认为它“不存在”。
图 2｜旁路二极管的两个工作点：平时停在反向截止区，热斑发生时翻到正向导通区
二、一片电池被遮挡后，它变成了什么
要理解遮挡之后的变化，需要先看电池片的等效电路。
图 3｜电池片的单二极管等效电路（Single Diode Model）
一片电池可以等效为四个元件：
| 元件 | 典型量级 | 物理来源 |
|---|---|---|
| 光生电流源 Iph | 与受光强度成正比 | 光照产生的载流子；双面电池为正面与背面光生电流之和 |
| 二极管 D | — | 电池自身的 PN 结 |
| 并联电阻 Rsh | 几百 ~ 几千 Ω | PN 结缺陷、晶界漏电、电池片边缘漏电等 |
| 串联电阻 Rs | 0.1 ~ 1 Ω | 栅线接触电阻、半导体体电阻、焊带电阻等 |
当某一片电池被遮挡（或者本身已经损坏）时，随着遮挡面积增加，它的光生电流 Iph 逐渐趋近于 0。
电流源“消失”之后，这片电池就只剩下一个 PN 结和两个电阻：Rs 与 Rsh。它不再是电源，而变成了串联在电路里的一个负载。
三、电压是怎样一步步“掉”下去的
问题来了：这片电池自己发不出电流了，可同一串里其余 23 片还在正常发电，它们的电流必须从这片电池上通过。
串联电路里电流处处相等。被遮挡片要让这股电流“逆着”自己的 PN 结流过去，而反偏的 PN 结阻力很大，于是只能靠其余 23 片电池在它两端建立起一个足够大的反向电压，硬把电流“压”过去。
于是，随着遮挡加重：
- 被遮挡片的电压从原来的 +0.7 V 降到 0 V，然后继续降为 −5 V、−10 V、−15 V……
- 这 24 片电池串的总电压也随之一路下降。
图 4｜遮挡加重时，被遮挡片电压与串电压同步下降，直到二极管导通
关键的一刻出现在被遮挡片电压降到 −16.8 V 时。此时这一串的总电压为：
−16.8 V +（23 × 0.7 V）= −16.8 V + 16.1 V = −0.7 V
电池串电压为 −0.7 V，对与它反向并联的旁路二极管来说，恰好是 +0.7 V 的正向电压。光伏用肖特基二极管的导通电压一般在 0.5 ~ 0.7 V，这已经达到了导通条件。
二极管正向导通，大电流改道从二极管流走。
图 5｜遮挡前后的电流路径对比
把整个过程汇总成一张表：
| 阶段 | 被遮挡片电压 | 24 片串电压 | 旁路二极管 |
|---|---|---|---|
| 无遮挡 | +0.7 V | +16.8 V | 反偏 16.8 V，截止 |
| 遮挡加重 | 0 → −5 → −10 → −15 V | 逐步下降 | 反偏减小，仍截止 |
| 临界点 | −16.8 V | −0.7 V | 正偏 0.7 V，导通 |
| 导通之后 | 被钳位在约 −16.8 V | 约 −0.7 V | 承担旁路电流 |
这里可以得到一个很实用的结论：
被遮挡片承受的最大反向电压 ≈（同一只二极管下串联的电池片数 − 1）× 单片电压 + 二极管导通压降
一只二极管“看管”的电池片越多，被遮挡片要承受的反压就越高。
四、二极管导通了，热斑就消失了吗
没有。旁路二极管的作用是限制热斑，而不是消除热斑。
导通之后，被遮挡片两端仍然被钳位在约 −16.8 V 的反压下，只要有电流流过它，就在发热：
P = U × I
完全遮挡时，流过它的主要是漏电流。按被遮挡电池片的等效内阻 20 ~ 50 Ω 估算：
- 电流：16.8 V ÷（20 ~ 50 Ω）≈ 0.3 ~ 0.8 A
- 功率：16.8² ÷（20 ~ 50 Ω）≈ 5.6 ~ 14 W
十瓦量级的功率如果均匀分布在整片电池上，问题不大；但漏电往往集中在缺陷、边缘等局部位置，热量集中在很小的面积上，局部温度就会明显升高。
更需要警惕的是“部分遮挡”。电池只被挡住一部分时，它仍有相当大的光生电流，同时又承受着接近 16.8 V 的反压。电压高、电流也大，耗散功率可以远高于完全遮挡的情形。这也是 IEC 61215 热斑耐久试验（MQT 09）要先找出“最坏遮挡比例”再做考核的原因。
另外还有两点值得一提：
- 发电量损失远不止一片。二极管导通后，它所并联的上、下两个电池串（共 48 片，占组件的 1/3）都被旁路，不再对外输出功率。
- 二极管自己也在发热。导通时它要流过十几安培的电流，按约 0.5 V 压降计算就是数瓦到十瓦的持续功耗，全部耗散在接线盒里。接线盒的散热设计和旁路二极管热性能试验（MQT 18）正是针对这一点。
五、电池的反向击穿电压为什么重要
上面的分析有一个前提：被遮挡片在 −16.8 V 下没有被反向击穿。
不同电池技术的反向击穿电压差别很大。Fraunhofer CSP 等机构 2026 年发表的实测结果显示：N 型 TOPCon 电池的反向击穿起始电压约为 −39 ~ −49 V，HJT 约 −30 V，PERC 约 −22 ~ −24 V，都高于 16.8 V 的钳位电压；而 BC（IBC）电池只有约 −4.5 V。
图 6｜不同电池技术的反向击穿电压与 16.8 V 钳位电压的对比（文献实测值，供量级参考）
这带来三个推论：
- 对 TOPCon 组件而言，在 24 片配一只二极管的设计下，被遮挡片不会进入击穿区，流过它的电流主要取决于并联电阻和局部漏电通道。所以电池片的漏电水平（Rsh）和缺陷控制，直接决定了热斑温度。
- 反过来说，电池耐压高，也意味着被遮挡片会实实在在地承受接近 17 V 的反压。一旦二极管失效（开路），这个反压就不再受钳位，后果会严重得多。
- BC 电池是另一种情况：反向电压只要达到约 4.5 V 就会击穿导通，被遮挡片的反压被限制在很低的水平，相当于电池自己“提前泄压”。此时串电压仍约为 −4.5 V + 16.1 V ≈ +11.6 V，单片完全遮挡时旁路二极管并不会导通。上述文献认为，由于击穿电压很低、可耗散的功率有限，这种情况不会造成明显发热；但它的热斑机理与前几种电池不同，评估 BC 组件时需要单独考虑。
小结
- 正常工作时，旁路二极管承受约 16.8 V 的反向电压，处于截止状态，只有微小漏电流。
- 电池被遮挡后，光生电流趋近于 0，它从“电源”变成“负载”，其余 23 片电池在它两端建立起反向电压。
- 被遮挡片的反压升到约 −16.8 V 时，串电压变为 −0.7 V，旁路二极管正向导通，电流改道。
- 二极管只是把反压和发热功率限制住，被遮挡片仍在发热；部分遮挡往往比完全遮挡更危险。
- 电池的漏电水平和反向击穿特性、二极管的可靠性以及每只二极管并联的电池片数，共同决定了热斑的严重程度。
参考资料
- IEC 61215-2: Terrestrial photovoltaic (PV) modules – Design qualification and type approval – Part 2: Test procedures（MQT 09 热斑耐久试验、MQT 18 旁路二极管试验）
- B. Jaeckel, J. Froebel, M. Pander, A. Maixner, H. Hanifi. Characterization and analysis of reverse breakdown voltage onset of solar cells with different cell architectures. EPJ Photovoltaics, 17, 4 (2026). DOI: 10.1051/epjpv/2025024
本文为技术科普总结，文中数值为便于理解的估算值，欢迎交流指正。