多主柵光伏組件性能研究
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摘要：分析了不同規(guī)格焊絲對多主柵光伏組件性能的影響，并對比了多主柵光伏組件與常規(guī)5主柵光伏組件的電學性能差異，最后對多主柵光伏組件的弱光性能進行了實驗分析。結果發(fā)現(xiàn)，當采用直徑為0.40mm的圓形焊絲時，多主柵光伏組件的性能更佳；同時，多主柵技術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較好的弱光響應。
關鍵詞：光伏組件；多主柵技術；圓形焊絲；半片；弱光響應
光伏組件的太陽電池上的金屬柵線，尤其是電池正面的柵線會直接影響光伏組件的光學和電學性能[1]，因此，為了提高太陽電池效率，電池正面主柵數(shù)目成為行業(yè)研究的重點。自2009年光伏行業(yè)導入3主柵技術以來，經(jīng)過幾年的發(fā)展，主流太陽電池的主柵數(shù)目已增至5根。為了進一步提升太陽電池和光伏組件的效率，可以通過優(yōu)化電池金屬柵線來盡量減少遮擋和阻抗損失[2]，多主柵技術便是其中的有效途徑。目前光伏市場已開始采用7～15主柵的多主柵光伏組件技術。多主柵技術除了可提升太陽電池效率外，還可極大地降低太陽電池成本。由于電池主柵數(shù)量增加，主柵寬度變得更細，細柵數(shù)目則相應減少，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柵的長度，電流收集路徑變短，對電池隱裂、斷柵、破裂等的容忍度更高，這將會降低組件失效風險，提高組件的可靠性。本文對多主柵光伏組件的性能進行了研究，并通過實驗驗證了不同規(guī)格焊絲對多主柵光伏組件性能的影響，對多主柵光伏組件與常規(guī)5主柵光伏組件的功率差異進行了對比；并對多主柵光伏組件的弱光性能進行了實驗分析。
1實驗
多主柵光伏組件的制備及測試都在浙江正泰太陽能科技有限公司組件研發(fā)線完成。本實驗用多主柵太陽電池采用該公司自制的12根主柵的太陽電池，主柵寬度為0.1mm。為了能更好地與焊絲接觸，在每根主柵上設計12個長、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)型多主柵串焊機上進行電池焊接，焊接溫度為200～250℃。多主柵太陽電池的焊接拉力采用數(shù)顯拉力計進行測試。多主柵光伏組件的功率采用PASAN光伏組件功率測試儀進行測量。
2結果與討論
2.1不同規(guī)格焊絲對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)多主柵太陽電池進行焊接制樣。每3片電池采用同一規(guī)格的焊絲，用于測試焊接拉力。圖1為不同直徑焊絲對多主柵太陽電池正、背面焊接拉力的影響。圖中，每個正面拉力值為432個焊盤拉力的算術平均值，背面為216個背電極拉力的算術平均值。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增加焊絲對電池的遮擋，導致Voc和Isc降低。當焊絲直徑增至0.40mm時，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。結合焊接拉力和組件性能的情況來看，直徑為0.40mm的圓形焊絲更適合多主柵太陽電池的串焊工藝。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題解決后，直徑0.30mm或更細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，光伏市場中除了多主柵技術外，半片技術由于具有低內(nèi)損的特點，其在規(guī)?；瘧弥幸矒碛休^大優(yōu)勢。將多主柵技術和半片技術相結合，組件功率可進一步得到提升。為了驗證多主柵技術在組件性能中的先進性，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電池。太陽電池的物料和前段工藝完全相同，只是在絲網(wǎng)印刷時采用不同的網(wǎng)版來實現(xiàn)5主柵和12主柵太陽電池的制備，選取各自量產(chǎn)中平均效率檔的電池；同時，將采用12主柵技術的太陽電池再疊加半片技術制備太陽電池。最后制成常規(guī)5主柵、12主柵(下文簡稱“多主柵”)和12主柵疊加半片(下文簡稱“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：1)因為多主柵技術降低了電池正面電極的遮光損失，主柵采用焊盤設計，寬度只有0.1mm，主柵面積減少；同時主柵根數(shù)增加后，細柵寬度更窄，根數(shù)也更少，更大程度地降低了遮光面積。2)由于多主柵太陽電池采用圓形焊絲，具有更好的光學優(yōu)勢，太陽光入射到焊絲上經(jīng)焊絲、EVA及玻璃反射后，可以再次進入電池進行二次利用。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，這與采用半片技術的組件的電路版型設計和阻抗降低有關。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進一步降低，使組件的FF持續(xù)提升。CTM(CelltoModule)是衡量電池功率轉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。若從組件端來看，主要是因為多主柵組件采用圓形焊絲，并且組件中電流傳導路徑密集，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%。這表明多主柵技術和半片技術可以很好的結合，完全可作為光伏市場高效組件后續(xù)的技術方向。2.3多主柵光伏組件的弱光性能分析。在AM1.5條件下，進行多主柵光伏組件弱光響應測試。單晶硅片經(jīng)過背鈍化處理后，分別采用多主柵和“多主柵+半片”技術制成組件，各制備3塊，進行低輻照度下的組件效率測試，結果如圖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，多主柵光伏組件的平均效率為其在標準輻照度(1000W/m2)條件下時的97.44%，這表明多主柵組件仍具有較好的弱光響應。多主柵技術疊加半片技術后，“多主柵+半片”組件的弱光響應稍微變差，這主要是由于采用半片技術的組件的Rs更小，熱損耗在低輻照度時影響更小而導致的。
3結論
本文研究了多主柵技術對組件性能的影響，并與常規(guī)5主柵組件的性能進行了對比，同時分析了多主柵組件的弱光性能，得出以下結論：1)對于多主柵組件來說，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，進而組件功率提升約2.5%。多主柵技術疊加半片技術后，組件功率進一步提升，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較好的弱光響應。相信隨著多主柵技術和相關設備的日趨成熟，多主柵電池和組件必將成為市場的主流產(chǎn)品。
作者:劉石勇 何勝 單偉 李宏偉 何保楊 單位:浙江正泰太陽能科技有限公司