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前沿|低成本高功率多主栅设计及产业化

发布日期:2018-05-18 12:47:17
     1 引言
  太阳能光伏作为战略性新兴能源产业,由于其安全、少污染和可再生性,成为人类发展所必须的清洁能源,近年来备受各国的重视和推崇。然而光伏发电的成本是制约光伏产品更广泛应用的重要原因。在组件端,降低成本主要有两个途径,一个是增加光伏产品的光电转换效率,另一个是降低光伏产品的生产成本。很多新技术在增加光伏产品的光电转换效率的同时,往往提高了生产成本。但多主栅技术同时实现了增加光伏组件的转换效率和降低生产成本。

  2 主栅数量的历史变迁
  早些年的太阳能电池和组件大都采用两主栅的设计方案。为了得到更好的功率输出,从2009年起业内逐渐开始导入三主栅。从此开启了行业的'多'主栅设计之路(如图1)。2013年起阿特斯率先量产全面导入四主栅设计。 目前一些厂家在推进五主栅太阳能电池组件。三主栅,四主栅和五主栅的电池和组件制作工艺,本质上和传统的两主栅电池和组件制作工艺差异并不大,是一个渐变的过程。本文所讲的多主栅太阳能电池组件是特指五主栅以上的太阳能电池组件技术。
图1 主栅数量递增历史
  3 多主栅技术介绍
  当太阳能电池组件的主栅数量达到五根以上时,传统的太阳能电池和组件制造技术将难以为继,需要有新的金属化方案,才能实现多主栅太阳能电池片组件的产业化。
  传统的光伏组件采用的电池片都带有主栅设计,多主栅技术却不完全是这样。多主栅技术可以采用的电池片有多种。图2A是阿特斯开发的一种多主栅电池片,它的主栅数量很多,相应的主栅宽度也更窄。多主栅技术也可以采用无主栅的电池片(图2B)以及带有变形主栅的电池片(图2C)『1』。

图2 多主栅技术电池片
  多主栅技术电池片间的互联条数量很多。图3为阿特斯正在开发的一种多主栅组件的电池片互联图片。当互联条的数量增多时,为了不增加互联条的遮光面积,互联条的宽度必须要变得更细。如此多和如此细的互联条,焊接难度势必极大地增加。此时传统的电池互联技术已经很难满足我们的组件制作要求了,要有新的互联技术。
图3 阿特斯多主栅互联示意图

  多主栅的互联技术有多种。按照各自的特点,我们大体可以将它们分为四类:热焊接法、低温合金层压法、导电胶层压法和预制互联网格法(特指GTAT的'Merlin'技术)(见表1)。


  其中,焊接法多主栅技术最接近传统的电池互联技术。较早开发焊接法多主栅设备的厂商是Schmid公司,国内的设备厂商也在努力开发。焊接法所采用的电池片结构同常规组件所采用的电池片结构类似,保留了主栅。电池片正面需要印刷主栅和副栅,电池片背面需要分别印刷背电极和背电场(双面电池背面需要印刷主栅和副栅)。焊接法多主栅技术采用的互联条依旧是涂锡焊带,在热焊接条件下实现电池片和互联条的电连接。由于焊带的数量比较多,当焊带允许的宽度降低到一定程度时焊带通常制作成截面为圆形的细线。该方法的优势是该技术同常规的电池互联技术非常接近,相关的设备制造商有多年的设备开发经验。另外,目前在用的部分设备可以通过升级改造就可以生产多主栅组件。但是,该方法在焊接点持续增加的情况下保持良率有一定的挑战性,并且由于是高温过程不能与不耐高温的异质结(HJT)电池技术兼容,面对未来更薄的电池片也将有更大的挑战。
  低温合金层压法的典型是MeyerBurger公司的SmartWire技术。SmartWire技术的电池片不需要印刷主栅,为无主栅电池片。电池片间靠18根或更多根表面涂敷有低温合金的圆形铜线进行互联。这些金属线在铺设于电池片上之前需要先排布在聚合物薄膜上。之后金属线和聚合物薄膜一起铺设于电池片上。在后续的层压过程中,圆形金属线表面的低温合金熔化,将电池片和金属线互联起来。由于SmartWire采用的电池片正反两面均不需要印刷主栅,因此该方法可以节省较多的银浆。但是,由于该方法引入了较为昂贵的低温合金材料,以及引进了其它的配套封装材料,因此目前该方法制造成本相对较高。SmartWire技术由于没有高温焊接过程,因此该技术可以和HJT电池技术及薄片技术兼容。

  导电胶层压法多主栅技术是用导电胶将互联条和电池片互联起来,也没有高温过程。导电胶层压法多主栅技术采用的电池片为无主栅电池片或有主栅电池片,具体视导电胶的性能不同而不同。该方法的一个例子是Hitachi公司的CF技术。CF技术的太阳能电池片正面为无主栅设计,背面为多主栅设计。CF技术的互联过程为先将裁成条状的导电胶膜贴在电池片正面及背面对应主栅的位置,以代替传统电池片主栅。互联条放置在电池片导电胶膜的位置,随后通过一个约200℃的热层压过程,将互联条和电池片层压在一起,实现互联条和电池片的电连接。导电胶也不限于导电胶膜一种方式,上胶的方式也可通过印刷、点胶到电池片或涂在互联条上实现。各种导电胶层压法的制程温度都比较低,因此导电胶层压法多主栅技术可以和HJT及薄片技术兼容。然而,由于互联条和电池片互联必须维持一定的接触面积导电胶才能起效,因此导电胶法多主栅技术采用的互联条多为扁平状互联条。扁平状互联条的遮光面积较大,因此导电胶层压法多主栅技术允许设计的主栅数量有限。

  另一种多主栅技术为预制互联网格法,特指GTAT的'Merlin'技术。该技术最明显的特征是采用弹性的金属网格来代替传统的条状互联条。金属网由主铜线和浮动连接线构成。主铜线起传统的汇流作用,浮动连接线起维持金属网形状的作用。'Merlin'技术金属网和电池片互联方式可为热焊接、低温合金连接或导电胶连接。


表1 多主栅技术的主要实现方法
  4 多主栅电池栅线设计及组件互联理论模拟
  照射在太阳能电池片上的太阳光,一部分射入电池片内部,另一部分会被电池片表面反射出去。只有成功射入太阳能电池片内部,激发出电子空穴对,且成功被PN结分离才有可能转换成有效的电能。电荷在离开PN结向电极汇聚的过程中,又会受到电池顶部扩散层电阻、副栅与硅材料的接触电阻、副栅电阻、主栅电阻等各种电阻损耗。
  电池片封装成组件后,电流汇聚到主栅后主要沿主栅顶部的互联条进行传输。另外,加了封装材料以后,太阳光在玻璃及电池片表面的反射行为也会发生改变,影响到太阳光转换成电能的效率。本文从组件端综合考虑影响光电转换效率的因素, 包括主栅及副栅数目、 副栅宽高度(或银浆耗量)、 铜焊带/互联条形状及截面积。
  在电池片端,Martin A. Green提出6种与上电极有关的功率损失机制『2』。而本文从组件端考虑,与主栅及副栅设计有关的功率损失也有相应的6项(见表2)。其中,Prf、Pcf和Ptl同Martin A. Green完全一致。Psf副栅遮光功率损耗,由于封装后照射在副栅上的光反射后一部分还会被利用,我们计算中Psf项需要一个修正系数。同理电池片主栅的遮光功率损耗也由焊带的遮光功率损耗Psb来代替,并且由于组件内反射效应,也需要乘以一个对应的修正系数。 电流通过副栅汇聚到主栅后,主要通过焊带进行传输。因此我们用正反两面的焊带传输引起的电阻损耗作为Prb来代替了原主栅线的电阻功率损失。

表2 与主栅和副栅相关的功率损耗
  总功率损耗P-Loss等于上述6项功率损失之和, 即:
  P-Loss = Prf Psf Pcf Ptl Prb Psb
  其它损耗,如电池片主栅同焊带之间的接触电阻,电池片的背面铝背场传输电阻等贡献很小,在本文中的计算予以忽略。另外,入射光在玻璃外表面的反射损失及其他与主栅数目、副栅形状等不太相关的参数没有纳入组件功率损失中。
  4.1 计算条件
  本文计算的模型是常规P型电池。计算所需的各项输入参数见表3。
  副栅的高度为主要变量之一,基准值为12um,这个高度会直接影响副栅的电阻损耗及银浆耗量。

表3 计算涉及到的各项输入参数值
  4.2 多主栅组件主栅数量对功率的影响
  图4展示的是在保持电池片上副栅形貌不变(浆料耗量不变)及组件焊带总面积不变(占电池面积的3.08%)的情况下,组件功率损失和主栅数量设计之间的关系。当主栅数量的增加时,副栅传输电流的距离随之下降,相应的功率损耗与传输距离的平方成反比。正是基于这样的原理,组件功率损失随主栅数目的增加而逐渐减小。以目前市场上主流60片多晶组件为例, 当主栅数量从3增加到5, P-Loss 相对降低1.3% (如图4), 对应瓦数的增加为260x1.3% = 3.4瓦。当主栅数量继续增加时,副栅上的电阻功率损耗进一步降低, 但降低的幅度逐渐变小。

图4 保持相同的银浆耗量,组件副栅上的电阻功率损耗与主栅数量的关系

  4.3 多主栅组件技术的魅力:电池片银浆耗量的大幅度降低
  银浆是电池转化成本(conversion cost)的最重要因素。而多主栅技术的最大魅力之一是可以在保持或提高组件功率的前提下大幅度降低银浆耗量。这对整个光伏技术的发展有着革命性的意义。图5展示的是以4主栅为基准,在保持相同的副栅电阻功率损耗前提下银浆耗量同主栅数量之间的关系。从图中可以看出,当主栅数目达到12时银浆耗量可以降低85%以上!

图5 保持相同的功率损耗,电池片的银浆耗量与主栅数量的关系
  4.4 兼顾银浆耗量和组件功率的多主栅方案
  是否存在一些设计,可以使用较低的银浆耗量,但却同时达到了较低的副栅电阻功率损耗呢?图6展示了不同主栅设计条件下,以及不同银浆耗量情况下,副栅的电阻功率分布。在图片的右下方区域,我们可以看到,该区域的所需的银浆耗量是常规4主栅耗量的50%以下,但是,副栅的电阻功率损耗却又比较小,远低于常规4主栅的副栅电阻功率损耗。


图6 P-Loss同主栅数量和银浆耗量之间的关系
  我们还针对扩散方阻,副栅数目,主栅数目,焊带形状及尺寸等主要参数进行了多维度的理论模拟,为电池和组件BOM优化提供了方向。
  5 多主栅技术实验结果
  我们制作了多种多主栅电池和组件。其中一个比较具有代表性的实验是:
  准备1000片多晶硅片,统一进行制绒,扩散,刻蚀和镀膜。之后,将所有硅片以发牌的方式按照1/10、3/10、3/10和3/10的比例分为4组。4组硅片分别使用4主栅、9主栅、12主栅和15主栅的网版印刷,烧结成电池片。这4组电池片的上电极图形及形貌参数见表4。电池片测试后,每组取效率最高的60%电池片制备组件。其中9主栅、12主栅和15主栅的电池片还要各自再以发牌的方式均分为3份,分别搭配直径为0.32 mm、0.37 mm和0.40 mm的焊带各自制备3件组件。

  表4. 电池片的上电极图形及形貌参数


  以4主栅的正银浆料湿重为基准,9主栅、12主栅和15主栅的相对正银湿重见图7。多主栅电池的银浆湿重全部都低于常规的4主栅电池银浆湿重。

图7 多主栅电池的相对银浆耗量
  以4主栅组件的输出功率为基准,其余9件组件的输出功率相对增益见图8。从图中可以看出相比常规的4主栅组件,多主栅组件至少有1%的功率增益。具体多主栅组件有多少的功率增益,与所采用的主栅数量设计及焊带的选择均有关系。图8也显示了各组的理论模拟的功率增益。理论模拟和实验结果吻合得很好。

图8 多主栅组件的实验功率增益和理论模拟功率增益
  6 结论
  多主栅技术可以大幅降低银浆耗量,同时提高组件的输出功率,是未来技术发展的必然趋势;阿特斯建立了多主栅模拟计算方法,为多主栅电池和组件设计优化提供了比较可靠的方向,并且这些理论模拟和实验结果吻合得很好。
  参考文献:
  1.Johann Walter, Marco Tranitz, Michael Volk, Christian Ebert, Ulrich Eitner,Energy Procedia 55 ( 2014 ) 380 - 388;

  2.Martin A. Green, 太阳能电池工作原理、技术和系统应用;


  万松博
  阿特斯阳光电力研发中心

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