孔凡建，芮春保

（江蘇輝倫太陽能科技有限公司，江蘇南京210061）

影響晶體硅組件封裝損失的幾個(gè)問題

孔凡建，芮春保

（江蘇輝倫太陽能科技有限公司，江蘇南京210061）

太陽電池組件產(chǎn)業(yè)目前普遍存在的封裝損失問題已經(jīng)非常嚴(yán)重。對(duì)此進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，指出：減少封裝損失的主要途徑是改善封裝材料之間的光學(xué)匹配，增加組件中太陽電池接收到的光能量。相對(duì)于光學(xué)匹配損失，串聯(lián)電阻損失的改進(jìn)余地較小。

晶體硅組件；封裝損失；串聯(lián)電阻損失

太陽電池封裝成組件后，會(huì)產(chǎn)生光學(xué)增益[1]。但是，對(duì)于大多數(shù)光伏組件生產(chǎn)企業(yè)來講，光伏組件的封裝損失卻是一個(gè)十分令人頭痛的問題，某些組件生產(chǎn)企業(yè)的光伏組件封裝損失達(dá)到5%以上。是什么原因造成如此嚴(yán)重的封裝損失？文獻(xiàn)[2]中專門討論了串聯(lián)電阻損失，文獻(xiàn)[3]中簡(jiǎn)單探討了光學(xué)優(yōu)化問題。本文探討了造成晶體硅組件封裝損失的光學(xué)因素，并且對(duì)串聯(lián)電阻損失的分析做出一些補(bǔ)充。

1 封裝材料透過率的影響

對(duì)于太陽電池組件而言，太陽光線在通過封裝材料時(shí)的損耗越少，太陽電池接收到的光能量越多，太陽電池組件的發(fā)電效率越高。地表太陽光線的所有波段對(duì)于太陽電池不產(chǎn)生任何損害。但是，封裝材料會(huì)反射，甚至吸收部分太陽光線。

圖1和圖2表示兩種不同EVA和玻璃封裝組合的透過率和太陽電池的量子效率，其縱坐標(biāo)代表透過率和太陽電池的內(nèi)量子效率，橫坐標(biāo)代表波長(zhǎng)。使用圖1表示的封裝材料組合，減少太陽電池吸收太陽短波光線的影響主要來自于封裝玻璃的吸收和反射，當(dāng)光線波長(zhǎng)小于360 nm時(shí)封裝玻璃的透過率開始明顯下降。然而，由于太陽電池在小于360 nm波長(zhǎng)范圍的量子效率已經(jīng)很小，并且地表太陽光中小于360 nm波長(zhǎng)范圍的光能量也十分少，玻璃對(duì)這部分光線的阻擋對(duì)組件的封裝幾乎不產(chǎn)生功率損失。

圖1A型EVA封裝組合

圖2 B型EVA的封裝組合

使用圖2的封裝材料組合，減少太陽電池吸收太陽短波光線的影響主要來自于EVA，當(dāng)光線波長(zhǎng)小于400 nm時(shí)EVA的透過率就開始明顯下降。B型EVA在短波光線透過率的明顯下降，致使太陽電池生產(chǎn)企業(yè)提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的努力幾乎前功盡棄。太陽電池生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)一步提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的主要手段之一是提高太陽電池表面層對(duì)于短波光線的量子效率，也就是所謂的高阻擴(kuò)散層或者選擇性擴(kuò)散層等技術(shù)，大幅度增加太陽電池在大約400 nm短波光線附近的光電響應(yīng)。

大量的組件制造經(jīng)驗(yàn)表明，使用B型EVA作為組件封裝材料，與A型EVA比較，大約造成1.5%的封裝損失，而且造成高效率太陽電池的損失更為明顯。之所以產(chǎn)生B型EVA的問題，據(jù)EVA生產(chǎn)企業(yè)宣稱是在該類EVA內(nèi)添加了紫外線吸收物質(zhì)，是為了減少紫外線對(duì)TPE類背板內(nèi)表面層EVA的輻照。這是一個(gè)很奇怪的邏輯。而且大量吸收紫外線，也必然影響到EVA本身的使用壽命。

2 玻璃表面反射率與減反射膜折射率、EVA折射率的關(guān)系

裸超白光伏玻璃對(duì)太陽光的直接反射率大約是7.5%[4]。太陽電池組件玻璃表面反射率不僅與玻璃自身的反射率相關(guān)，還與其內(nèi)部封裝材料的折射率相關(guān)。當(dāng)光線垂直射入光伏組件表面，并且光伏組件封裝玻璃為平面玻璃時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[3]給出的光伏組件表面反射率表達(dá)式[式(1)]可以做出圖3。

圖3 玻璃表面反射率與減反射膜折射率的關(guān)系

另一方面，對(duì)于太陽電池本身來講，當(dāng)減反射膜的折射率滿足式（2）時(shí)，在大氣環(huán)境下其表面反射率最低，也就是說，在其它條件不變時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率最高。此時(shí)3=1.97。與3=2.1比較，太陽電池組件玻璃表面反射率增加了2%。此類折射率偏低的太陽電池，在一個(gè)生產(chǎn)批次中，與其它具有較高減反射膜折射率的太陽電池比較，往往表現(xiàn)出更高的轉(zhuǎn)換效率。

對(duì)3個(gè)樣品的表面反射率測(cè)試，證實(shí)了上述的技術(shù)分析。樣品1是光伏超白壓花玻璃，樣品2和樣品3分別是不同的光伏組件。光伏組件所使用的封裝材料是相同的，測(cè)試結(jié)果見圖4。測(cè)試結(jié)果表明，裸光伏玻璃的表面反射率明顯大于光伏組件的表面反射率，同時(shí)，不同光伏組件的表面反射率是不相同的。在400～1000 nm范圍內(nèi)，裸光伏玻璃的平均表面反射率為7.35%，光伏組件1的平均表面反射率為6.39%，光伏組件2的平均表面反射率為6.12%。另一方面，上述數(shù)據(jù)也表明，光伏組件1和光伏組件2所使用太陽電池的減反射膜折射率沒有達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求，并且光伏組件1所使用太陽電池的減反射膜折射率小于光伏組件2所使用太陽電池的減反射膜折射率。如果光伏組件的封裝增益無法補(bǔ)償其串聯(lián)電阻損失，必然產(chǎn)生光伏組件的封裝損失。

圖4 裸光伏玻璃和光伏組件的表面反射率

圖5給出了EVA折射率與太陽電池組件玻璃表面反射率之間的關(guān)系。為了增加組件的封裝增益，建議減低EVA的折射率。

圖5 太陽電池組件表面反射率與EVA折射率的關(guān)系

3 壓花玻璃透過率和表面壓花的影響

目前玻璃廠家都宣稱所生產(chǎn)的3.2mm超白壓花玻璃的透光率在92%以上，相互之間已經(jīng)沒有明顯區(qū)別。但是，在太陽電池組件的實(shí)際生產(chǎn)中也會(huì)偶爾發(fā)現(xiàn)“綠色”的超白壓花玻璃。為了區(qū)別各供應(yīng)商提供的超白壓花玻璃的優(yōu)劣，個(gè)別太陽電池組件生產(chǎn)企業(yè)使用了一種“蓋板”法來比較超白壓花玻璃的透過率：在同一個(gè)成品組件上分別蓋上要比較的玻璃，然后測(cè)量組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的輸出功率，比較不同供應(yīng)商提供的超白壓花玻璃所產(chǎn)生的光衰降。對(duì)于平面玻璃來說，這個(gè)方法可能是合理的，但是它忽略了壓花玻璃所產(chǎn)生的聚光效應(yīng)。

玻璃表面的凹凸不平，必然導(dǎo)致入射光線的折射，光線透過玻璃后所形成的輻照是不均勻的，這就是所謂的壓花玻璃的聚光效應(yīng)。圖6是強(qiáng)光輻照下觀察到的光伏組件內(nèi)部太陽電池表面的黑斑。圖6中組件所使用的光伏玻璃的壓花是尺度大約為0.4mm的金字塔。光線沿著金字塔的尖部聚集，在金字塔的結(jié)合部形成了黑斑。這樣的光輻照的不均勻性，導(dǎo)致太陽電池表面產(chǎn)生電位差，光生電流沿太陽電池表面由光強(qiáng)點(diǎn)流向光弱點(diǎn)，實(shí)際上導(dǎo)致太陽電池串聯(lián)電阻的增加。依靠經(jīng)驗(yàn)觀察，光強(qiáng)點(diǎn)與光弱點(diǎn)之間的輻照度差別大約為30%。為了減少金字塔的聚光效應(yīng)，應(yīng)該減少金字塔的尺度或者減少尖角的角度，因此將增加金字塔棱線的反射。有的廠家曾經(jīng)使用所謂的雙絨面玻璃，實(shí)際效果是玻璃的反射率增加，并且由于接觸面積減少和受力方向的改變，降低了EVA與玻璃表面的粘結(jié)力。

圖6 玻璃金字塔在太陽電池表面形成的陰影

為了減少光伏玻璃的表面反射，應(yīng)該選擇合適的金字塔角度，使得從玻璃內(nèi)部射向玻璃表面的光線，當(dāng)射入角達(dá)到某個(gè)臨界角時(shí)，產(chǎn)生全反射。這個(gè)全反射臨界角由式（3）決定[5]：

光線垂直射入玻璃后，如圖7所示，部分光線經(jīng)過二次反射返回玻璃表面。如果金字塔的尖角為2，則反射光線在玻璃表面的入射角=180－4。因?yàn)橐蟆荭?，所以有?≤69.2°。

圖7 光伏玻璃垂直入射光線的反射

進(jìn)一步減少金字塔的角度，可以更好地減少光伏玻璃表面的反射，但是卻增加了聚光效應(yīng)。減少聚光效應(yīng)和減少反射之間存在著矛盾，需要選取一個(gè)合適的折中。

4 關(guān)于串聯(lián)電阻損失的補(bǔ)充討論

對(duì)于由72片125mm×125mm太陽電池串聯(lián)的185 W組件，在制造過程中增加的串聯(lián)電阻造成的功率損失大約占組件額定功率的4%[2]。其中，互聯(lián)焊帶的串聯(lián)電阻損失大約為5.6 W，占組件額定功率的3%，是組件串聯(lián)電阻損失中的主要部分。

在互聯(lián)焊帶厚度固定的條件下，互聯(lián)焊帶造成的組件輸出功率損失為：互聯(lián)焊帶功率損失=光遮擋損失+焊帶串聯(lián)電阻損失。具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

針對(duì)兩條主柵線的156mm×156mm太陽電池制作240 W的組件，每條主柵線的寬度為1.8mm，互聯(lián)焊帶的規(guī)格為2mm×0.2mm。類似于式（4）計(jì)算出的功率損耗達(dá)到12.36 W，占組件額定功率的5.2%。如果使用三條主柵線，每條主柵線的寬度為1.6mm，互聯(lián)焊帶的寬度為1.8mm，類似于式（4）計(jì)算出的功率損耗為9.72 W，可以提高組件輸出2.64 W。特別是，156mm×156mm的太陽電池采用三條主柵線，可以大幅度減少太陽電池自身的串聯(lián)電阻，提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。

匯流條的選擇具有同樣的問題，特別是對(duì)于156mm的太陽電池，由于電流的增加，串聯(lián)電阻的損失明顯增加。但是，在增加組件功率輸出的同時(shí)，要考慮材料損耗所帶來的生產(chǎn)成本的增加。

太陽電池的I-V特性不同，即使相同效率的太陽電池相互串聯(lián)或者并聯(lián)，也要有匹配損失。對(duì)于常規(guī)組件來講，匹配損失主要來自于串聯(lián)匹配。圖8表示了兩個(gè)太陽電池I-V特性的差異，各自的最大功率點(diǎn)分別位于位于P1和P2。當(dāng)它們串聯(lián)后，各自的工作點(diǎn)必然偏離各自的最大功率點(diǎn)，這樣產(chǎn)生的損失被稱作匹配損失。這種損失一般表現(xiàn)為串聯(lián)電阻的增加。隨著太陽電池效率的增加，太陽電池I-V特性的一致性越來越好，匹配損失逐漸在減少。但是，碎片會(huì)明顯增加匹配損失。碎片導(dǎo)致碎裂的太陽電池的光響應(yīng)面積減少，從而使太陽電池的輸出電流下降。

圖8 太陽電池I-V特性的差別

5 結(jié)論

減少組件在封裝過程中的損失，對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有著巨大的影響。一般封裝損失主要來自于串聯(lián)電阻的損失，而封裝材料的選擇和使用最終決定了封裝損失的大小。本文的分析表明：

（1）對(duì)紫外線吸收的EVA材料，明顯增加了組件的封裝損失，特別是對(duì)于高效太陽電池組件；

（2）選擇合適的太陽電池減反射膜的折射率，可以顯著地增加組件的封裝增益，考慮到減反射膜對(duì)光吸收的特性，建議選擇減反射膜的折射率為2.1～2.2；

（3）光伏玻璃的結(jié)構(gòu)還有改進(jìn)的余地；

（4）組件中破碎的太陽電池是封裝損失的一個(gè)重要原因。

[1]CHEN RU-LONG,WANG YI-CHUAN,KONG FAN-JIAN,et al. Encapsulationmaterial affectmutli-Si solar cellmodule’s output [J].Acta Energiae Solaris Sinica,2003,Supplemant:28-30.

[2]KONG FAN-JIAN,DUAN YONG-BO,YAN RONG-FEI.The wasting andmend on series resistance ofcrystal Simodules[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2012,33:13-17.

[3]孔凡建.晶體硅太陽電池組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)[C]//SNEC第四屆(2010)國(guó)際太陽能光伏大會(huì)論文集.上海：上海新能源行業(yè)協(xié)會(huì)，2010：188-194.

[4]辛崇飛，黃華義.氣候引導(dǎo)太陽能光伏玻璃的節(jié)能方向[J].國(guó)外建材科技，2008，29：23-26.

[5]母國(guó)光，戰(zhàn)元齡.光學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009.

Several issues on effecting of encapsulation losing of crystal Simodule

KONG Fan-jian，RUI Chun-bao

Ubiquitous encapsulation losing in industry of solarmodules was very serious now.Then theoretical analysis and experiment verification were performed.And it was pointed out that the approach reducing the encapsulation losing wasmainly to improve the opticsmatching between encapsulationmaterial;the light energy incepted by solar cell inmodule should to be increased.Relative to the losing of opticsmatching,the improving room of series resistance losing was small.

crystal Simodules;encapsulation losing;series resistance losing

TM 914

A

1002-087 X(2014)10-1833-03

2014-03-20

孔凡建(1954—)，男，山東省人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榫w硅太陽電池、組件及光伏系統(tǒng)。