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      矚日科技提供高效太陽能電池互聯方案、高精度全自動串焊設備和新型互聯材料的高新技術企業

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      前沿|低成本高功率多主柵設計及產業化

      發布日期:2018-05-18 12:47:17
           1 引言
        太陽能光伏作為戰略性新興能源產業,由于其安全、少污染和可再生性,成為人類發展所必須的清潔能源,近年來備受各國的重視和推崇。然而光伏發電的成本是制約光伏產品更廣泛應用的重要原因。在組件端,降低成本主要有兩個途徑,一個是增加光伏產品的光電轉換效率,另一個是降低光伏產品的生產成本。很多新技術在增加光伏產品的光電轉換效率的同時,往往提高了生產成本。但多主柵技術同時實現了增加光伏組件的轉換效率和降低生產成本。

        2 主柵數量的歷史變遷
        早些年的太陽能電池和組件大都采用兩主柵的設計方案。為了得到更好的功率輸出,從2009年起業內逐漸開始導入三主柵。從此開啟了行業的'多'主柵設計之路(如圖1)。2013年起阿特斯率先量產全面導入四主柵設計。 目前一些廠家在推進五主柵太陽能電池組件。三主柵,四主柵和五主柵的電池和組件制作工藝,本質上和傳統的兩主柵電池和組件制作工藝差異并不大,是一個漸變的過程。本文所講的多主柵太陽能電池組件是特指五主柵以上的太陽能電池組件技術。
      圖1 主柵數量遞增歷史
        3 多主柵技術介紹
        當太陽能電池組件的主柵數量達到五根以上時,傳統的太陽能電池和組件制造技術將難以為繼,需要有新的金屬化方案,才能實現多主柵太陽能電池片組件的產業化。
        傳統的光伏組件采用的電池片都帶有主柵設計,多主柵技術卻不完全是這樣。多主柵技術可以采用的電池片有多種。圖2A是阿特斯開發的一種多主柵電池片,它的主柵數量很多,相應的主柵寬度也更窄。多主柵技術也可以采用無主柵的電池片(圖2B)以及帶有變形主柵的電池片(圖2C)『1』。

      圖2 多主柵技術電池片
        多主柵技術電池片間的互聯條數量很多。圖3為阿特斯正在開發的一種多主柵組件的電池片互聯圖片。當互聯條的數量增多時,為了不增加互聯條的遮光面積,互聯條的寬度必須要變得更細。如此多和如此細的互聯條,焊接難度勢必極大地增加。此時傳統的電池互聯技術已經很難滿足我們的組件制作要求了,要有新的互聯技術。
      圖3 阿特斯多主柵互聯示意圖

        多主柵的互聯技術有多種。按照各自的特點,我們大體可以將它們分為四類:熱焊接法、低溫合金層壓法、導電膠層壓法和預制互聯網格法(特指GTAT的'Merlin'技術)(見表1)。


        其中,焊接法多主柵技術最接近傳統的電池互聯技術。較早開發焊接法多主柵設備的廠商是Schmid公司,國內的設備廠商也在努力開發。焊接法所采用的電池片結構同常規組件所采用的電池片結構類似,保留了主柵。電池片正面需要印刷主柵和副柵,電池片背面需要分別印刷背電極和背電場(雙面電池背面需要印刷主柵和副柵)。焊接法多主柵技術采用的互聯條依舊是涂錫焊帶,在熱焊接條件下實現電池片和互聯條的電連接。由于焊帶的數量比較多,當焊帶允許的寬度降低到一定程度時焊帶通常制作成截面為圓形的細線。該方法的優勢是該技術同常規的電池互聯技術非常接近,相關的設備制造商有多年的設備開發經驗。另外,目前在用的部分設備可以通過升級改造就可以生產多主柵組件。但是,該方法在焊接點持續增加的情況下保持良率有一定的挑戰性,并且由于是高溫過程不能與不耐高溫的異質結(HJT)電池技術兼容,面對未來更薄的電池片也將有更大的挑戰。
        低溫合金層壓法的典型是MeyerBurger公司的SmartWire技術。SmartWire技術的電池片不需要印刷主柵,為無主柵電池片。電池片間靠18根或更多根表面涂敷有低溫合金的圓形銅線進行互聯。這些金屬線在鋪設于電池片上之前需要先排布在聚合物薄膜上。之后金屬線和聚合物薄膜一起鋪設于電池片上。在后續的層壓過程中,圓形金屬線表面的低溫合金熔化,將電池片和金屬線互聯起來。由于SmartWire采用的電池片正反兩面均不需要印刷主柵,因此該方法可以節省較多的銀漿。但是,由于該方法引入了較為昂貴的低溫合金材料,以及引進了其它的配套封裝材料,因此目前該方法制造成本相對較高。SmartWire技術由于沒有高溫焊接過程,因此該技術可以和HJT電池技術及薄片技術兼容。

        導電膠層壓法多主柵技術是用導電膠將互聯條和電池片互聯起來,也沒有高溫過程。導電膠層壓法多主柵技術采用的電池片為無主柵電池片或有主柵電池片,具體視導電膠的性能不同而不同。該方法的一個例子是Hitachi公司的CF技術。CF技術的太陽能電池片正面為無主柵設計,背面為多主柵設計。CF技術的互聯過程為先將裁成條狀的導電膠膜貼在電池片正面及背面對應主柵的位置,以代替傳統電池片主柵?;ヂ摋l放置在電池片導電膠膜的位置,隨后通過一個約200℃的熱層壓過程,將互聯條和電池片層壓在一起,實現互聯條和電池片的電連接。導電膠也不限于導電膠膜一種方式,上膠的方式也可通過印刷、點膠到電池片或涂在互聯條上實現。各種導電膠層壓法的制程溫度都比較低,因此導電膠層壓法多主柵技術可以和HJT及薄片技術兼容。然而,由于互聯條和電池片互聯必須維持一定的接觸面積導電膠才能起效,因此導電膠法多主柵技術采用的互聯條多為扁平狀互聯條。扁平狀互聯條的遮光面積較大,因此導電膠層壓法多主柵技術允許設計的主柵數量有限。

        另一種多主柵技術為預制互聯網格法,特指GTAT的'Merlin'技術。該技術最明顯的特征是采用彈性的金屬網格來代替傳統的條狀互聯條。金屬網由主銅線和浮動連接線構成。主銅線起傳統的匯流作用,浮動連接線起維持金屬網形狀的作用。'Merlin'技術金屬網和電池片互聯方式可為熱焊接、低溫合金連接或導電膠連接。


      表1 多主柵技術的主要實現方法
        4 多主柵電池柵線設計及組件互聯理論模擬
        照射在太陽能電池片上的太陽光,一部分射入電池片內部,另一部分會被電池片表面反射出去。只有成功射入太陽能電池片內部,激發出電子空穴對,且成功被PN結分離才有可能轉換成有效的電能。電荷在離開PN結向電極匯聚的過程中,又會受到電池頂部擴散層電阻、副柵與硅材料的接觸電阻、副柵電阻、主柵電阻等各種電阻損耗。
        電池片封裝成組件后,電流匯聚到主柵后主要沿主柵頂部的互聯條進行傳輸。另外,加了封裝材料以后,太陽光在玻璃及電池片表面的反射行為也會發生改變,影響到太陽光轉換成電能的效率。本文從組件端綜合考慮影響光電轉換效率的因素, 包括主柵及副柵數目、 副柵寬高度(或銀漿耗量)、 銅焊帶/互聯條形狀及截面積。
        在電池片端,Martin A. Green提出6種與上電極有關的功率損失機制『2』。而本文從組件端考慮,與主柵及副柵設計有關的功率損失也有相應的6項(見表2)。其中,Prf、Pcf和Ptl同Martin A. Green完全一致。Psf副柵遮光功率損耗,由于封裝后照射在副柵上的光反射后一部分還會被利用,我們計算中Psf項需要一個修正系數。同理電池片主柵的遮光功率損耗也由焊帶的遮光功率損耗Psb來代替,并且由于組件內反射效應,也需要乘以一個對應的修正系數。 電流通過副柵匯聚到主柵后,主要通過焊帶進行傳輸。因此我們用正反兩面的焊帶傳輸引起的電阻損耗作為Prb來代替了原主柵線的電阻功率損失。

      表2 與主柵和副柵相關的功率損耗
        總功率損耗P-Loss等于上述6項功率損失之和, 即:
        P-Loss = Prf Psf Pcf Ptl Prb Psb
        其它損耗,如電池片主柵同焊帶之間的接觸電阻,電池片的背面鋁背場傳輸電阻等貢獻很小,在本文中的計算予以忽略。另外,入射光在玻璃外表面的反射損失及其他與主柵數目、副柵形狀等不太相關的參數沒有納入組件功率損失中。
        4.1 計算條件
        本文計算的模型是常規P型電池。計算所需的各項輸入參數見表3。
        副柵的高度為主要變量之一,基準值為12um,這個高度會直接影響副柵的電阻損耗及銀漿耗量。

      表3 計算涉及到的各項輸入參數值
        4.2 多主柵組件主柵數量對功率的影響
        圖4展示的是在保持電池片上副柵形貌不變(漿料耗量不變)及組件焊帶總面積不變(占電池面積的3.08%)的情況下,組件功率損失和主柵數量設計之間的關系。當主柵數量的增加時,副柵傳輸電流的距離隨之下降,相應的功率損耗與傳輸距離的平方成反比。正是基于這樣的原理,組件功率損失隨主柵數目的增加而逐漸減小。以目前市場上主流60片多晶組件為例, 當主柵數量從3增加到5, P-Loss 相對降低1.3% (如圖4), 對應瓦數的增加為260x1.3% = 3.4瓦。當主柵數量繼續增加時,副柵上的電阻功率損耗進一步降低, 但降低的幅度逐漸變小。

      圖4 保持相同的銀漿耗量,組件副柵上的電阻功率損耗與主柵數量的關系

        4.3 多主柵組件技術的魅力:電池片銀漿耗量的大幅度降低
        銀漿是電池轉化成本(conversion cost)的最重要因素。而多主柵技術的最大魅力之一是可以在保持或提高組件功率的前提下大幅度降低銀漿耗量。這對整個光伏技術的發展有著革命性的意義。圖5展示的是以4主柵為基準,在保持相同的副柵電阻功率損耗前提下銀漿耗量同主柵數量之間的關系。從圖中可以看出,當主柵數目達到12時銀漿耗量可以降低85%以上!

      圖5 保持相同的功率損耗,電池片的銀漿耗量與主柵數量的關系
        4.4 兼顧銀漿耗量和組件功率的多主柵方案
        是否存在一些設計,可以使用較低的銀漿耗量,但卻同時達到了較低的副柵電阻功率損耗呢?圖6展示了不同主柵設計條件下,以及不同銀漿耗量情況下,副柵的電阻功率分布。在圖片的右下方區域,我們可以看到,該區域的所需的銀漿耗量是常規4主柵耗量的50%以下,但是,副柵的電阻功率損耗卻又比較小,遠低于常規4主柵的副柵電阻功率損耗。


      圖6 P-Loss同主柵數量和銀漿耗量之間的關系
        我們還針對擴散方阻,副柵數目,主柵數目,焊帶形狀及尺寸等主要參數進行了多維度的理論模擬,為電池和組件BOM優化提供了方向。
        5 多主柵技術實驗結果
        我們制作了多種多主柵電池和組件。其中一個比較具有代表性的實驗是:
        準備1000片多晶硅片,統一進行制絨,擴散,刻蝕和鍍膜。之后,將所有硅片以發牌的方式按照1/10、3/10、3/10和3/10的比例分為4組。4組硅片分別使用4主柵、9主柵、12主柵和15主柵的網版印刷,燒結成電池片。這4組電池片的上電極圖形及形貌參數見表4。電池片測試后,每組取效率最高的60%電池片制備組件。其中9主柵、12主柵和15主柵的電池片還要各自再以發牌的方式均分為3份,分別搭配直徑為0.32 mm、0.37 mm和0.40 mm的焊帶各自制備3件組件。

        表4. 電池片的上電極圖形及形貌參數


        以4主柵的正銀漿料濕重為基準,9主柵、12主柵和15主柵的相對正銀濕重見圖7。多主柵電池的銀漿濕重全部都低于常規的4主柵電池銀漿濕重。

      圖7 多主柵電池的相對銀漿耗量
        以4主柵組件的輸出功率為基準,其余9件組件的輸出功率相對增益見圖8。從圖中可以看出相比常規的4主柵組件,多主柵組件至少有1%的功率增益。具體多主柵組件有多少的功率增益,與所采用的主柵數量設計及焊帶的選擇均有關系。圖8也顯示了各組的理論模擬的功率增益。理論模擬和實驗結果吻合得很好。

      圖8 多主柵組件的實驗功率增益和理論模擬功率增益
        6 結論
        多主柵技術可以大幅降低銀漿耗量,同時提高組件的輸出功率,是未來技術發展的必然趨勢;阿特斯建立了多主柵模擬計算方法,為多主柵電池和組件設計優化提供了比較可靠的方向,并且這些理論模擬和實驗結果吻合得很好。
        參考文獻:
        1.Johann Walter, Marco Tranitz, Michael Volk, Christian Ebert, Ulrich Eitner,Energy Procedia 55 ( 2014 ) 380 - 388;

        2.Martin A. Green, 太陽能電池工作原理、技術和系統應用;


        萬松博
        阿特斯陽光電力研發中心

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