多主柵光伏組件性能研究
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摘要：分析了不同規(guī)格焊絲對(duì)多主柵光伏組件性能的影響，并對(duì)比了多主柵光伏組件與常規(guī)5主柵光伏組件的電學(xué)性能差異，最后對(duì)多主柵光伏組件的弱光性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用直徑為0.40mm的圓形焊絲時(shí)，多主柵光伏組件的性能更佳；同時(shí)，多主柵技術(shù)可顯著提升組件的短路電流和填充因子；相比常規(guī)5主柵光伏組件，多主柵光伏組件的功率約提升了2.5%；背鈍化多主柵單晶硅光伏組件具有相對(duì)較好的弱光響應(yīng)。
關(guān)鍵詞：光伏組件；多主柵技術(shù)；圓形焊絲；半片；弱光響應(yīng)
光伏組件的太陽(yáng)電池上的金屬柵線，尤其是電池正面的柵線會(huì)直接影響光伏組件的光學(xué)和電學(xué)性能[1]，因此，為了提高太陽(yáng)電池效率，電池正面主柵數(shù)目成為行業(yè)研究的重點(diǎn)。自2009年光伏行業(yè)導(dǎo)入3主柵技術(shù)以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，主流太陽(yáng)電池的主柵數(shù)目已增至5根。為了進(jìn)一步提升太陽(yáng)電池和光伏組件的效率，可以通過(guò)優(yōu)化電池金屬柵線來(lái)盡量減少遮擋和阻抗損失[2]，多主柵技術(shù)便是其中的有效途徑。目前光伏市場(chǎng)已開(kāi)始采用7～15主柵的多主柵光伏組件技術(shù)。多主柵技術(shù)除了可提升太陽(yáng)電池效率外，還可極大地降低太陽(yáng)電池成本。由于電池主柵數(shù)量增加，主柵寬度變得更細(xì)，細(xì)柵數(shù)目則相應(yīng)減少，這樣電池正面銀漿耗量可降低約10%～30%[3]。此外，多主柵縮短了電池上主柵之間細(xì)柵的長(zhǎng)度，電流收集路徑變短，對(duì)電池隱裂、斷柵、破裂等的容忍度更高，這將會(huì)降低組件失效風(fēng)險(xiǎn)，提高組件的可靠性。本文對(duì)多主柵光伏組件的性能進(jìn)行了研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同規(guī)格焊絲對(duì)多主柵光伏組件性能的影響，對(duì)多主柵光伏組件與常規(guī)5主柵光伏組件的功率差異進(jìn)行了對(duì)比；并對(duì)多主柵光伏組件的弱光性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。
1實(shí)驗(yàn)
多主柵光伏組件的制備及測(cè)試都在浙江正泰太陽(yáng)能科技有限公司組件研發(fā)線完成。本實(shí)驗(yàn)用多主柵太陽(yáng)電池采用該公司自制的12根主柵的太陽(yáng)電池，主柵寬度為0.1mm。為了能更好地與焊絲接觸，在每根主柵上設(shè)計(jì)12個(gè)長(zhǎng)、寬均為1mm的焊盤。焊絲采用西安泰力松新材料股份有限公司生產(chǎn)的圓形鍍層銅絲，一端與電池正面主柵上的焊盤接觸，另一端與相連電池的背電極接觸。在量產(chǎn)型多主柵串焊機(jī)上進(jìn)行電池焊接，焊接溫度為200～250℃。多主柵太陽(yáng)電池的焊接拉力采用數(shù)顯拉力計(jì)進(jìn)行測(cè)試。多主柵光伏組件的功率采用PASAN光伏組件功率測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。
2結(jié)果與討論
2.1不同規(guī)格焊絲對(duì)多主柵光伏組件性能的影響。將直徑為0.30、0.35和0.40mm的3種規(guī)格的圓形焊絲分別都與常規(guī)多主柵太陽(yáng)電池進(jìn)行焊接制樣。每3片電池采用同一規(guī)格的焊絲，用于測(cè)試焊接拉力。圖1為不同直徑焊絲對(duì)多主柵太陽(yáng)電池正、背面焊接拉力的影響。圖中，每個(gè)正面拉力值為432個(gè)焊盤拉力的算術(shù)平均值，背面為216個(gè)背電極拉力的算術(shù)平均值。由圖可知，隨著焊絲直徑的增加，電池的焊接拉力逐漸增大。焊絲直徑越大，與電池接觸面積就越大，焊接拉力也就逐漸增加，但焊絲直徑需比焊盤和背電極寬度都窄。將采用3種焊絲直徑的多主柵太陽(yáng)電池分別制成10塊多主柵光伏組件，各組件的物料完全一致。圖2為不同直徑的焊絲對(duì)多主柵光伏組件性能的影響。由圖2可知，隨著焊絲直徑增大，組件的開(kāi)路電壓Voc和短路電流Isc逐漸變小。這是由于焊絲直徑增大后會(huì)增加焊絲對(duì)電池的遮擋，導(dǎo)致Voc和Isc降低。當(dāng)焊絲直徑增至0.40mm時(shí)，組件的串聯(lián)電阻Rs明顯降低，使填充因子FF提升較多，這表明采用直徑為0.40mm的圓形焊絲形成的電學(xué)接觸效果最好。總體而言，采用直徑為0.40mm的圓形焊絲的組件功率Pmax更佳，圖2c也很好地反映了這一點(diǎn)。結(jié)合焊接拉力和組件性能的情況來(lái)看，直徑為0.40mm的圓形焊絲更適合多主柵太陽(yáng)電池的串焊工藝。但考慮到焊絲成本及后續(xù)焊絲焊接性能的逐步提升，小直徑焊絲偏軟、易偏移等影響良品率的問(wèn)題解決后，直徑0.30mm或更細(xì)的圓形焊絲將是后續(xù)的發(fā)展方向。2.2多主柵光伏組件的功率分析。現(xiàn)階段，光伏市場(chǎng)中除了多主柵技術(shù)外，半片技術(shù)由于具有低內(nèi)損的特點(diǎn)，其在規(guī)?；瘧?yīng)用中也擁有較大優(yōu)勢(shì)。將多主柵技術(shù)和半片技術(shù)相結(jié)合，組件功率可進(jìn)一步得到提升。為了驗(yàn)證多主柵技術(shù)在組件性能中的先進(jìn)性，分別選取同片源、同批次單晶硅片，在生產(chǎn)線上制備背鈍化太陽(yáng)電池。太陽(yáng)電池的物料和前段工藝完全相同，只是在絲網(wǎng)印刷時(shí)采用不同的網(wǎng)版來(lái)實(shí)現(xiàn)5主柵和12主柵太陽(yáng)電池的制備，選取各自量產(chǎn)中平均效率檔的電池；同時(shí)，將采用12主柵技術(shù)的太陽(yáng)電池再疊加半片技術(shù)制備太陽(yáng)電池。最后制成常規(guī)5主柵、12主柵(下文簡(jiǎn)稱“多主柵”)和12主柵疊加半片(下文簡(jiǎn)稱“多主柵+半片”)3種72片版型的組件各50塊。圖3為3種組件的Isc情況。從圖中可以看出，相比于常規(guī)5主柵組件，多主柵組件的Isc有顯著提升。主要原因有2點(diǎn)：1)因?yàn)槎嘀鳀偶夹g(shù)降低了電池正面電極的遮光損失，主柵采用焊盤設(shè)計(jì)，寬度只有0.1mm，主柵面積減少；同時(shí)主柵根數(shù)增加后，細(xì)柵寬度更窄，根數(shù)也更少，更大程度地降低了遮光面積。2)由于多主柵太陽(yáng)電池采用圓形焊絲，具有更好的光學(xué)優(yōu)勢(shì)，太陽(yáng)光入射到焊絲上經(jīng)焊絲、EVA及玻璃反射后，可以再次進(jìn)入電池進(jìn)行二次利用。相比于常規(guī)5主柵組件使用的扁平焊絲，圓形焊絲可以增加約30%的光利用率。從圖中還可以看出，與多主柵組件相比，“多主柵+半片”組件的Isc稍有增益，這與采用半片技術(shù)的組件的電路版型設(shè)計(jì)和阻抗降低有關(guān)。圖33種組件的Isc情況Fig.3Iscof3kindsofPVmodules圖43類組件的Rs和FF情況Fig.4RsandFFof3kindsofPVmodules圖53種組件的CTM和Pmax情況Fig.5CTMandPmaxof3kindsofPVmodules組件類型組件類型多主柵多主柵多主柵+半片多主柵+半片常規(guī)5主柵常規(guī)5主柵Isc/A9.909.9510.0010.0510.10828078817977Rs/ΩFF/%0.60.50.30.40.2RsFF1021009896949290CTM/%360370380390400組件類型5主柵多主柵多主柵+半片常規(guī)Pmax/WPmaxCTM圖4為3種組件的Rs和FF情況。從圖中可以看出，相比于常規(guī)5主柵組件，多主柵組件的Rs顯著降低。這是由于主柵數(shù)目增加后縮短了電流收集路徑，電池上的電阻分布更加均勻，從而有效減少了電池和組件的Rs。與其他2類組件相比，“多主柵+半片”組件的Rs進(jìn)一步降低，使組件的FF持續(xù)提升。CTM(CelltoModule)是衡量電池功率轉(zhuǎn)換成組件功率的重要參數(shù)，其值的高低直接決定了組件功率的大小。圖5為3種組件的CTM和Pmax情況。由圖可知，多主柵組件的Pmax比常規(guī)5主柵組件高9W，約提升2.5%，這表明多主柵技術(shù)可以顯著提升組件功率。與常規(guī)5主柵組件相比，多主柵組件的CTM也得到了提升。若從組件端來(lái)看，主要是因?yàn)槎嘀鳀沤M件采用圓形焊絲，并且組件中電流傳導(dǎo)路徑密集，使組件封裝損失降低，因此CTM提升顯著?！岸嘀鳀?半片”組件的功率比常規(guī)5主柵組件高18W，約提升5%。這表明多主柵技術(shù)和半片技術(shù)可以很好的結(jié)合，完全可作為光伏市場(chǎng)高效組件后續(xù)的技術(shù)方向。2.3多主柵光伏組件的弱光性能分析。在AM1.5條件下，進(jìn)行多主柵光伏組件弱光響應(yīng)測(cè)試。單晶硅片經(jīng)過(guò)背鈍化處理后，分別采用多主柵和“多主柵+半片”技術(shù)制成組件，各制備3塊，進(jìn)行低輻照度下的組件效率測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著輻照度的降低，組件效率逐漸降低。在輻照度為200W/m2時(shí)，多主柵光伏組件的平均效率為其在標(biāo)準(zhǔn)輻照度(1000W/m2)條件下時(shí)的97.44%，這表明多主柵組件仍具有較好的弱光響應(yīng)。多主柵技術(shù)疊加半片技術(shù)后，“多主柵+半片”組件的弱光響應(yīng)稍微變差，這主要是由于采用半片技術(shù)的組件的Rs更小，熱損耗在低輻照度時(shí)影響更小而導(dǎo)致的。
3結(jié)論
本文研究了多主柵技術(shù)對(duì)組件性能的影響，并與常規(guī)5主柵組件的性能進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)分析了多主柵組件的弱光性能，得出以下結(jié)論：1)對(duì)于多主柵組件來(lái)說(shuō)，隨著圓形焊絲直徑的增加，電池的焊接拉力逐漸增大，組件的Voc和Isc由于遮光損失稍有降低，但Rs先略有上升然后降低；FF先略有降低，然后提升。整體功率表現(xiàn)來(lái)看，采用直徑為0.40mm圓形焊絲的多主柵組件性能更佳。2)相比于常規(guī)5主柵組件，多主柵組件的Isc和FF顯著提升，進(jìn)而組件功率提升約2.5%。多主柵技術(shù)疊加半片技術(shù)后，組件功率進(jìn)一步提升，比常規(guī)5主柵組件提升約5%。3)背鈍化多主柵單晶硅光伏組件具有相對(duì)較好的弱光響應(yīng)。相信隨著多主柵技術(shù)和相關(guān)設(shè)備的日趨成熟，多主柵電池和組件必將成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。
作者:劉石勇 何勝 單偉 李宏偉 何保楊 單位:浙江正泰太陽(yáng)能科技有限公司