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        多主栅光伏组件性能研究

        摘要:分析了不同规格焊丝对多主栅光伏组件性能的影响,并对比了多主栅光伏组件与常规5主栅光伏组件的电学性能差异,最后对多主栅光伏组件的弱光性能进行了实验分析。结果发现,当采用直径为0.40mm的圆形焊丝时,多主栅光伏组件的性能更佳;同时,多主栅技术可显著提升组件的短路电流和填充因子;相比常规5主栅光伏组件,多主栅光伏组件的功率约提升了2.5%;背钝化多主栅单晶硅光伏组件具有相对较好的弱光响应。

        关键词:光伏组件;多主栅技术;圆形焊丝;半片;弱光响应

        光伏组件的太阳电池上的金属栅线,尤其是电池正面的栅线会直接影响光伏组件的光学和电学性能[1],因此,为了提高太阳电池效率,电池正面主栅数目成为行业研究的重点。自2009年光伏行业导入3主栅技术以来,经过几年的发展,主流太阳电池的主栅数目已增至5根。为了进一步提升太阳电池和光伏组件的效率,可以通过优化电池金属栅线来尽量减少遮挡和阻抗损失[2],多主栅技术便是其中的有效途径。目前光伏市场已开始采用7~15主栅的多主栅光伏组件技术。多主栅技术除了可提升太阳电池效率外,还可极大地降低太阳电池成本。由于电池主栅数量增加,主栅宽度变得更细,细栅数目则相应减少,这样电池正面银浆耗量可降低约10%~30%[3]。此外,多主栅缩短了电池上主栅之间细栅的长度,电流收集路径变短,对电池隐裂、断栅、破裂等的容忍度更高,这将会降低组件失效风险,提高组件的可靠性。本文对多主栅光伏组件的性能进行了研究,并通过实验验证了不同规格焊丝对多主栅光伏组件性能的影响,对多主栅光伏组件与常规5主栅光伏组件的功率差异进行了对比;并对多主栅光伏组件的弱光性能进行了实验分析。

        1实验

        多主栅光伏组件的制备及测试都在浙江正泰太阳能科技有限公司组件研发线完成。本实验用多主栅太阳电池采用该公司自制的12根主栅的太阳电池,主栅宽度为0.1mm。为了能更好地与焊丝接触,在每根主栅上设计12个长、宽均为1mm的焊盘。焊丝采用西安泰力松新材料股份有限公司生产的圆形镀层铜丝,一端与电池正面主栅上的焊盘接触,另一端与相连电池的背电极接触。在量产型多主栅串焊机上进行电池焊接,焊接温度为200~250℃。多主栅太阳电池的焊接拉力采用数显拉力计进行测试。多主栅光伏组件的功率采用PASAN光伏组件功率测试仪进行测量。

        2结果与讨论

        2.1不同规格焊丝对多主栅光伏组件性能的影响。将直径为0.30、0.35和0.40mm的3种规格的圆形焊丝分别都与常规多主栅太阳电池进行焊接制样。每3片电池采用同一规格的焊丝,用于测试焊接拉力。图1为不同直径焊丝对多主栅太阳电池正、背面焊接拉力的影响。图中,每个正面拉力值为432个焊盘拉力的算术平均值,背面为216个背电极拉力的算术平均值。由图可知,随着焊丝直径的增加,电池的焊接拉力逐渐增大。焊丝直径越大,与电池接触面积就越大,焊接拉力也就逐渐增加,但焊丝直径需比焊盘和背电极宽度都窄。将采用3种焊丝直径的多主栅太阳电池分别制成10块多主栅光伏组件,各组件的物料完全一致。图2为不同直径的焊丝对多主栅光伏组件性能的影响。由图2可知,随着焊丝直径增大,组件的开路电压Voc和短路电流Isc逐渐变小。这是由于焊丝直径增大后会增加焊丝对电池的遮挡,导致Voc和Isc降低。当焊丝直径增至0.40mm时,组件的串联电阻Rs明显降低,使填充因子FF提升较多,这表明采用直径为0.40mm的圆形焊丝形成的电学接触效果最好。总体而言,采用直径为0.40mm的圆形焊丝的组件功率Pmax更佳,图2c也很好地反映了这一点。结合焊接拉力和组件性能的情况来看,直径为0.40mm的圆形焊丝更适合多主栅太阳电池的串焊工艺。但考虑到焊丝成本及后续焊丝焊接性能的逐步提升,小直径焊丝偏软、易偏移等影响良品率的问题解决后,直径0.30mm或更细的圆形焊丝将是后续的发展方向。2.2多主栅光伏组件的功率分析。现阶段,光伏市场中除了多主栅技术外,半片技术由于具有低内损的特点,其在规模化应用中也拥有较大优势。将多主栅技术和半片技术相结合,组件功率可进一步得到提升。为了验证多主栅技术在组件性能中的先进性,分别选取同片源、同批次单晶硅片,在生产线上制备背钝化太阳电池。太阳电池的物料和前段工艺完全相同,只是在丝网印刷时采用不同的网版来实现5主栅和12主栅太阳电池的制备,选取各自量产中平均效率档的电池;同时,将采用12主栅技术的太阳电池再叠加半片技术制备太阳电池。最后制成常规5主栅、12主栅(下文简称“多主栅”)和12主栅叠加半片(下文简称“多主栅+半片”)3种72片版型的组件各50块。图3为3种组件的Isc情况。从图中可以看出,相比于常规5主栅组件,多主栅组件的Isc有显著提升。主要原因有2点:1)因为多主栅技术降低了电池正面电极的遮光损失,主栅采用焊盘设计,宽度只有0.1mm,主栅面积减少;同时主栅根数增加后,细栅宽度更窄,根数也更少,更大程度地降低了遮光面积。2)由于多主栅太阳电池采用圆形焊丝,具有更好的光学优势,太阳光入射到焊丝上经焊丝、EVA及玻璃反射后,可以再次进入电池进行二次利用。相比于常规5主栅组件使用的扁平焊丝,圆形焊丝可以增加约30%的光利用率。从图中还可以看出,与多主栅组件相比,“多主栅+半片”组件的Isc稍有增益,这与采用半片技术的组件的电路版型设计和阻抗降低有关。图33种组件的Isc情况Fig.3Iscof3kindsofPVmodules图43类组件的Rs和FF情况Fig.4RsandFFof3kindsofPVmodules图53种组件的CTM和Pmax情况Fig.5CTMandPmaxof3kindsofPVmodules组件类型组件类型多主栅多主栅多主栅+半片多主栅+半片常规5主栅常规5主栅Isc/A9.909.9510.0010.0510.10828078817977Rs/ΩFF/%0.60.50.30.40.2RsFF1021009896949290CTM/%360370380390400组件类型5主栅多主栅多主栅+半片常规Pmax/WPmaxCTM图4为3种组件的Rs和FF情况。从图中可以看出,相比于常规5主栅组件,多主栅组件的Rs显著降低。这是由于主栅数目增加后缩短了电流收集路径,电池上的电阻分布更加均匀,从而有效减少了电池和组件的Rs。与其他2类组件相比,“多主栅+半片”组件的Rs进一步降低,使组件的FF持续提升。CTM(CelltoModule)是衡量电池功率转换成组件功率的重要参数,其值的高低直接决定了组件功率的大小。图5为3种组件的CTM和Pmax情况。由图可知,多主栅组件的Pmax比常规5主栅组件高9W,约提升2.5%,这表明多主栅技术可以显著提升组件功率。与常规5主栅组件相比,多主栅组件的CTM也得到了提升。若从组件端来看,主要是因为多主栅组件采用圆形焊丝,并且组件中电流传导路径密集,使组件封装损失降低,因此CTM提升显著。“多主栅+半片”组件的功率比常规5主栅组件高18W,约提升5%。这表明多主栅技术和半片技术可以很好的结合,完全可作为光伏市场高效组件后续的技术方向。2.3多主栅光伏组件的弱光性能分析。在AM1.5条件下,进行多主栅光伏组件弱光响应测试。单晶硅片经过背钝化处理后,分别采用多主栅和“多主栅+半片”技术制成组件,各制备3块,进行低辐照度下的组件效率测试,结果如图6所示。由图6可知,随着辐照度的降低,组件效率逐渐降低。在辐照度为200W/m2时,多主栅光伏组件的平均效率为其在标准辐照度(1000W/m2)条件下时的97.44%,这表明多主栅组件仍具有较好的弱光响应。多主栅技术叠加半片技术后,“多主栅+半片”组件的弱光响应稍微变差,这主要是由于采用半片技术的组件的Rs更小,热损耗在低辐照度时影响更小而导致的。

        3结论

        本文研究了多主栅技术对组件性能的影响,并与常规5主栅组件的性能进行了对比,同时分析了多主栅组件的弱光性能,得出以下结论:1)对于多主栅组件来说,随着圆形焊丝直径的增加,电池的焊接拉力逐渐增大,组件的Voc和Isc由于遮光损失稍有降低,但Rs先略有上升然后降低;FF先略有降低,然后提升。整体功率表现来看,采用直径为0.40mm圆形焊丝的多主栅组件性能更佳。2)相比于常规5主栅组件,多主栅组件的Isc和FF显著提升,进而组件功率提升约2.5%。多主栅技术叠加半片技术后,组件功率进一步提升,比常规5主栅组件提升约5%。3)背钝化多主栅单晶硅光伏组件具有相对较好的弱光响应。相信随着多主栅技术和相关设备的日趋成熟,多主栅电池和组件必将成为市场的主流产品。

        作者:刘石勇 何胜 单伟 李宏伟 何保杨 单位:浙江正泰太阳能科技有限公司

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