晶澳太陽(yáng)能有限公司 ■ 劉苗 嚴(yán)金梅 趙江雷 張朔龍 張豪偉

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，各種用電設(shè)施層出不窮；電力的消耗不斷上升。傳統(tǒng)的火力發(fā)電仍是目前主流的發(fā)電方式，但其對(duì)于化石能源的消耗量大且能源利用率低、環(huán)境污染嚴(yán)重；而風(fēng)力發(fā)電雖然無(wú)污染，但是噪音大且對(duì)安裝位置及周邊環(huán)境要求高；于是在這種情況下，作為新能源的光伏發(fā)電受到了人們的廣泛關(guān)注。

根據(jù)材質(zhì)的不同，太陽(yáng)電池可分為晶體硅太陽(yáng)電池和非晶體硅太陽(yáng)電池。根據(jù)工藝的不同，晶體硅太陽(yáng)電池可分為單晶硅太陽(yáng)電池與多晶硅太陽(yáng)電池[1]；按照摻雜類型的不同，晶體硅太陽(yáng)電池還可分為p型和n型晶體硅太陽(yáng)電池。目前，p型單晶硅太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)化推廣最多。

近年來(lái)，隨著太陽(yáng)電池技術(shù)不斷更新，普通p型單晶硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到20%以上，新開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的鈍化發(fā)射極和局部背接觸(PERC)太陽(yáng)電池的平均轉(zhuǎn)換效率更是接近22%。選擇性發(fā)射極(SE)技術(shù)的研發(fā)及量產(chǎn)使PERC電池正面的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步得到了大幅提升?！癝E+PERC”技術(shù)已經(jīng)以絕對(duì)的效率及功率優(yōu)勢(shì)全面替代傳統(tǒng)的單晶硅太陽(yáng)電池工藝。

雖然“SE+PERC”技術(shù)的量產(chǎn)使PERC單晶硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率大幅提升，但激光的引進(jìn)加劇了采用該技術(shù)的光伏組件機(jī)械荷載失效的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決光伏組件機(jī)械荷載失效問(wèn)題，部分廠家開(kāi)始采用半片電池技術(shù)或?qū)M件添加橫梁支撐等方式，但采用這些方式會(huì)進(jìn)一步增加PERC光伏組件的成本。

本文在不增加組件成本的前提下，通過(guò)優(yōu)化電池設(shè)計(jì)來(lái)解決PERC光伏組件機(jī)械荷載失效的問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

采用自制的單片電池彎曲應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)電池進(jìn)行彎曲應(yīng)力測(cè)試；采用中建材自動(dòng)機(jī)械荷載試驗(yàn)設(shè)備對(duì)組件進(jìn)行機(jī)械荷載測(cè)試；采用Pasan高精度I-V測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后組件的功率情況。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品處理及過(guò)程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選取7片硅片，所用硅片為松宮電子材料有限公司生產(chǎn)的單晶硅8寸硅片(同一根硅棒切割而成)，電阻率范圍為1～3 Ω·cm，硅片厚度為 180 μm。

采用圖1所示的PERC太陽(yáng)電池工藝流程，將7片單晶硅硅片制成PERC單晶硅太陽(yáng)電池，但在進(jìn)行了正面鍍膜處理后，根據(jù)不同的工藝，設(shè)計(jì)成7個(gè)不同的樣品。

圖1 PERC太陽(yáng)電池工藝流程

樣品1～樣品7均為成品PERC單晶硅太陽(yáng)電池，各自在制作中的不同點(diǎn)體現(xiàn)在：樣品1為3根主柵，樣品2為4根主柵，樣品3為5根主柵，樣品4在激光開(kāi)槽時(shí)背面電極的激光線采用連續(xù)貫穿設(shè)計(jì)，樣品5在激光開(kāi)槽時(shí)背面電極的激光線采用段式斷開(kāi)設(shè)計(jì)，樣品6的背面電極與背電場(chǎng)連接處的兩端采用搭接設(shè)計(jì)，樣品7的背面電極與背場(chǎng)連接處的兩端采用斷開(kāi)設(shè)計(jì)；除以上不同工序外，其他工序不變。

2 結(jié)果與分析

通過(guò)四點(diǎn)彎曲法測(cè)試主柵數(shù)量分別為3根、4根、5根的樣品1、樣品2及樣品3的彎曲力學(xué)性能。3個(gè)樣品的抗彎強(qiáng)度如圖2所示。

圖2 不同主柵數(shù)量的樣品的抗彎強(qiáng)度情況

由圖2可知，主柵數(shù)量不同的3個(gè)樣品之間的抗彎強(qiáng)度差異很小；樣品2的受力位置剛好在電極區(qū)域，造成其抗彎強(qiáng)度與樣品1和樣品3相比偏低[2]；但總體而言，三者的抗彎強(qiáng)度都較差。

電池片電極區(qū)域的抗彎強(qiáng)度差主要是因?yàn)樵赑ERC單晶硅太陽(yáng)電池的制作過(guò)程中，背面鍍膜(Al2O3薄膜+Si3N4薄膜)之后，由于Si3N4薄膜本身不導(dǎo)電，需引進(jìn)激光開(kāi)槽工藝將高能量的激光束聚焦于硅片表面，從而將硅片表面已經(jīng)鍍好的背面鈍化膜開(kāi)槽，在印刷過(guò)程中漿料才會(huì)通過(guò)激光開(kāi)槽線與硅片形成歐姆接觸；但是激光開(kāi)槽過(guò)程中難免會(huì)對(duì)硅片表面造成損傷[3]，尤其是在電極位置。

以四點(diǎn)彎曲法測(cè)試樣品4和樣品5的抗彎強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同激光線開(kāi)槽方式的樣品的抗彎強(qiáng)度

由圖3可知，背面電極的激光線采用段式斷開(kāi)設(shè)計(jì)的樣品5的抗彎強(qiáng)度有明顯提升。這是因?yàn)殡姵卦谟∷Y(jié)過(guò)程及組件焊接過(guò)程中，電極位置由于材料的熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致殘余熱應(yīng)力加劇裂紋成核[4-5]，電池從而產(chǎn)生裂紋甚至碎片，而激光開(kāi)槽過(guò)程中在背面電極位置的損傷會(huì)進(jìn)一步加速裂紋成核。但背面電極的激光線采用段式斷開(kāi)設(shè)計(jì)可以避免這一問(wèn)題的產(chǎn)生。因此，以樣品5的工藝方式作為組件機(jī)械荷載測(cè)試的備選方案之一。

以四點(diǎn)彎曲法測(cè)試了樣品6和樣品7的抗彎強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 背面電極與背電場(chǎng)連接處采用不同連接方式的樣品的抗彎強(qiáng)度

由圖4可知，背面電極與背電場(chǎng)連接處的兩端采用斷開(kāi)設(shè)計(jì)的樣品7具有更好的抗彎強(qiáng)度。這是因?yàn)楸趁骐姌O四周和背電場(chǎng)有部分重疊，為了保證電池內(nèi)部的電子能夠充分的傳導(dǎo)至背面電極上，重疊區(qū)域與背面電極會(huì)存在一定的高度差；而電池在串焊成組件之后，在機(jī)械荷載測(cè)試過(guò)程中，組件受到壓力而局部變形，變形過(guò)程中焊帶在重疊區(qū)域由于高度差的影響導(dǎo)致受力不均勻，從而會(huì)加劇電池裂紋的產(chǎn)生，但背面電極與背電場(chǎng)連接處的兩端采用斷開(kāi)設(shè)計(jì)可以解決這一問(wèn)題。因此，以樣品7的工藝方案作為組件機(jī)械荷載測(cè)試備選方案之一。

由于電池的抗彎強(qiáng)度與組件的機(jī)械荷載測(cè)試結(jié)果并非一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終的解決方案還是要以組件的機(jī)械荷載結(jié)果來(lái)評(píng)判。因此，將樣品5與樣品7的電池工藝相結(jié)合制作成組件(改良型組件)，并與常規(guī)的PERC單晶硅太陽(yáng)電池制成的組件進(jìn)行機(jī)械荷載測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 2種組件類型的機(jī)械荷載測(cè)試結(jié)果

由表1可知，改良型組件的功率衰減遠(yuǎn)小于常規(guī)PERC單晶硅光伏組件的功率衰減；并且根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，光伏組件機(jī)械荷載試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的最大輸出功率衰減不得超過(guò)試驗(yàn)前的4%，而改良型組件的功率衰減僅0.32%左右。由此可知，將樣品5與樣品7的電池工藝相結(jié)合制作成改良型組件后，該類組件的抗機(jī)械荷載能力強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)PERC單晶硅光伏組件機(jī)械荷載失效的問(wèn)題，將電池的工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化，測(cè)試后得到以下結(jié)論：

1)背面電極激光線采用段式斷開(kāi)設(shè)計(jì)的方式，可有效避免激光線在背面電極位置造成損傷而加劇裂紋成核，以及由此導(dǎo)致的電池在機(jī)械荷載測(cè)試中碎裂的情況。

2)背面電極與背電場(chǎng)連接處的兩端采用斷開(kāi)設(shè)計(jì)，可避免焊帶在焊接過(guò)程中由于高度差導(dǎo)致受力不均勻，以及由此導(dǎo)致的組件機(jī)械荷載失效問(wèn)題的產(chǎn)生。

3)背面電極激光線采用段式斷開(kāi)設(shè)計(jì)及背面電極與背電場(chǎng)連接處的兩端采用斷開(kāi)設(shè)計(jì)相結(jié)合的電池生產(chǎn)工藝為最優(yōu)方案。