太阳电池组件封装损失的研究

14 www.pv-tech.org 前言 为了获得所需的电流电压和输出 功率，同时也为了保护电池不受机械 损伤和环境损害，必须将若干单片电 池串并联连接并封装成组件。一般情 况下，封装后的组件的输出功率（实 际功率）小于所有电池片的功率值之 和（理论功率），我们称之为封装损 失（power loss），计算方法为： 封装损失=(理论功率－实际功率) ／理论功率 如果封装损失值较高的话，制 作出的组件的输出功率达不到设计要 求，有可能出现客户投诉，对组件公 司产生不良影响，造成经济损害。反 之，如果能够降低封装损失，组件输 出功率的增加也会带来收益的提高， 组件配置的电池片所需效率可以减 少，间接降低了生产成本。 本文分别从光学损失和电学损失 两方面分析和讨论了可能影响封装损 太阳电池组件封装损失 的研究 摘要: 晶体硅太阳电池封装成组件后，其实际功率通常会小于理论功率，称之为功率损失或封装损失（power loss）。 本文对各种影响太阳能电池组件封装损失的因素进行了相应的研究，包括电池片分档方式、组件封装材料、封装工艺 与电池片之间的匹配等，通过优化这些影响因素可以有效提高组件的输出功率，降低封装损失。 王祺、倪志春、任方星、赵建华、 王艾华， 中电电气南京光伏有限公司研发 中心 图一：太阳电池组件封装结构 注：透射率、反射率和量子效率的测试均使用美国PV Measurement公司的QE设备 图四：常规电池和高方阻电池的内量子效率曲线 图五：白色TPT的反射率曲线 图三：不同厂家EVA的透射率曲线（膜厚 1.5毫米）图二：不同厂家玻璃的透射率曲线（玻璃厚度3.2毫米） 100 20 40 60 80 A B C D Tr an sm is si on /% 90 92 94 96 98 ��� ��� ��� ��� 0 ��� ��� ��� ��� ��� ���� ���� Wavelength/nm 20 40 60 80 100 Tr an sm is si on /% 90 91 92 93 94 95 ��� ��� ��� ��� ��� ���� 0 ��� ��� ��� ��� ��� ���� ����A B C D Wavelength/nm 20 40 60 80 100 Cell I Cell II In te rn al Q E /% 0 250 400 550 700 850 1000 1150 Wavelength /nm 60 80 100 ta nc e /% 0 20 40 250 400 550 700 850 1000 1150 white TPT Wavelength /nm Re fle ct 16 www.pv-tech.org 失的因素，得到了一些初步的结论， 可为组件公司提高产品性能提供参 考。另外我们只针对组件封装时的功 率损失进行了研究，未涉及电池片光 致衰减（LID）导致的组件输出功率 下降等问题。 封装损失的分析 常规晶体硅太阳电池组件的封装 结构[1,2]如图一所示，自上而下的顺 序分别是钢化玻璃-密封胶-晶体硅太 阳电池-密封胶-背板；封装之前的单 焊、串焊工艺将电池片通过涂锡焊带 连接；组件层压封装好后，再组装上 接线盒、边缘密封胶和边框。因此， 造成组件封装损失的可能因素无外乎 是太阳电池和组件的封装材料。 我们把封装损失的原因按照属性 不同分为两大类：光学损失、电学损 失。下面详细讨论这两类中的各种影 响因素。 光学损失 从理论上讲，单结硅系太阳电池 不能将所有光线都吸收转换成电能， 地面用硅太阳电池的光谱响应范围一 般为300nm-1100nm，因此，任何使这 一波段的光进入电池减少的因素都会 造成光学上的损失，可以从光的透射 和反射两方面进行分析。 光从组件 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面到硅体内要依次经 过玻璃、密封胶（一般为EVA），所 以玻璃和EVA会对光吸收产生影响， 玻璃和EVA的透射率越高，组件的封 装损失也就越小。常规超白钢化玻 璃的透射率为92%左右，目前市场上 已推出具有增透膜的镀膜玻璃，透射 率可高达96%，镀膜玻璃一般可提高 组件1%的输出功率增益，但其长期稳 定性和可靠性需要进一步的研究。图 二为不同厂家3.2mm布纹钢化玻璃的 透射率随波长（波长范围从300nm到 1100nm）的变化，其中D样品为镀膜 玻璃，其他三种为普通钢化玻璃。从 图中可以看出，不同厂家的玻璃的透 射率有很大区别，透射率越高则进入 到电池中的光也就越多，而电池的输 出功率与光强成正比的。在电池和其 他辅材不变的情况下，使用透射率高 的钢化玻璃，组件的输出功率增大， 封装损失减小。 EVA（乙烯-醋酸乙烯聚合酯）用 于粘结钢化玻璃、电池和背板，由于 它是紫外不稳定的，约占太阳光6%的 紫外线长时间的照射可造成EVA胶膜的 老化、龟裂、变黄，继而降低其透光 率，因此有些厂家的EVA中会添加抗紫 外剂，这样就会引起EVA在短波段的透 射率的下降。图三为四款不同厂家EVA 在交联后透射率曲线图，其中D样品未 添加紫外吸收剂，300nm波长光的透射 率为37.1%，而其他三种加入抗紫外剂 的EVA对在360nm波长以下范围内的光是 截止的。但现在电池厂家为提高太阳电 池的转换效率，开始采用高方阻、密栅 的工艺，高方阻电池和常规的P型电池 的光谱响应是不相同的，图四显示的 是效率相近的常规电池（Cell I）和 高方阻电池（Cell II）的内量子效率 曲线对比图，可以看出，高方阻电池在 短波段（<450nm）的IQE是要高于常规 电池的，而如果采用对短波长光截止的 EVA，则会造成这部分光不能被高方阻 电池吸收，那么封装损失肯定比同效率 常规电池制作的组件的封装损失要大。 因此，使用不同工艺制作的太阳电池需 要选择与之相匹配的EVA，在透光率和 抗紫外两者之间找到折衷点，在不影响 可靠性的基础上降低组件的封装损失。 另外，有公司提出使用化学性质稳定、 耐紫外、透射率高的透明硅胶做为组件 的密封胶，可以有效避免密封胶黄化和 电池不能接受到短波长光线的问题。 太阳电池的表面沉积了一层氮化 硅结构的减反射膜，折射率约为2.1， 其上有EVA和钢化玻璃（两者的折射率 约为1.48左右），为使组件的透射率 达到最大的减反效果，还需要使SiNx 膜的厚度、EVA和玻璃厚度得到最好的 匹配结果和最佳的光学上的减反射效 果，可以有效增加组件的输出功率。 太阳电池组件的背板用来防止 水汽进入组件，常采用TPT（Tedler- PET-Tedler）膜。常规白色TPT其与 EVA接触面的反射率曲线见图五，可 见在中长波段具有高达80%左右的反 射率。白色的TPT膜对入射到太阳电池 间未被电池吸收的太阳光具有反射作 用，这部分光在空气与玻璃的界面处 被反射向太阳电池，增加入射到太阳 电池组件上的光的利用率。一般的， 使用白色的TPT比黑色的TPT能增加组 件1%的输出功率增益，有利于降低组 件的封装损失。 太阳电池被焊带覆盖部分无法吸 收太阳光，某些焊带公司推出了反光 焊带，焊带的正面镀银并压延出纵向 沟槽状结构，这种结构能将入射到焊 带上的光线以一定角度反射到组件的 玻璃层内表面，在玻璃-空气界面上全 反射后投射回电池表面。捕捉到的光 能让组件产生额外增加的功率，理论 上可以提高组件效率2%左右[3]。 电学损失 实际应用中，太阳电池通常以串 联、并联或串并联相间的混联方式形 成组件，满足所需的电流、电压，但 是由于太阳电池的参数不一致，串并 联后的组件的输出功率可能小于各单 个太阳电池的最大输出功率之和。电 池串联时，两端电压为各单体电池中 电压之和，电流等于各电池中最小的 电流；并联时，总电流为各单体电池 电流之和，电压取平均值[4]。常见的 组件一般为串联结构，若在串联的正 膜厚范围 (nm) 组件数 (块) 平均功率 (W) 封装损失(%) 70-75 5 95.95 2.05 80-85 5 95.99 1.60 90-95 5 96.00 1.57 表一：不同氮化硅膜厚电池的封装损失 分档方式 生产线 组件数(块) 平均功率(W) 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 偏差 封装损失(%) Eff A线 59 245.29 1.65 3.58 Iap A线 50 244.30 1.48 3.97 Iap B线 58 246.26 1.36 2.20 表二：不同分档方式的封装损失 生产线 生产线 (块) 平均功率(W) 标准偏差 封装损失(%) A线 13 189.40 0.45 2.93 B线 13 189.03 0.64 3.12 混线 14 188.64 1.04 3.32 表三：不同生产线电池的封装损失 常电池中混入一片低电流的电池，根据电流取小原则，组件 的输出电流由这片最小电池的电池决定，组件的输出功率会 降低，造成较高的封装损失。要减少电池匹配损失获得最大 的输出功率，需要选择相同或相近电性能参数的电池串联成 组件，这就要求在电池分选时应选择合适的分档方式，防止 电池失配情况的发生。 组件中的太阳电池由焊带相连接导通，焊带一般为表面 镀锡的铜带，锡层含Sn/Pb、Sn/Pb/Ag或Sn/Pb/Bi等。焊带的 电阻主要受铜带影响，如果电阻值太高的话，组件输出电压 会有一部分消耗在焊带上，造成电学上的封装损失。金属的 电阻值等于电阻率乘以金属长度再除以金属横截面积。由于 电阻率和长度值固定、不易改变，要降低焊带的电阻应考虑 增加焊带的宽度和厚度。若焊带宽度宽于电池的主栅线，会 造成遮光面积的增多，降低电池效率，所以焊带宽度也不应 变化。因此考虑增加铜带的厚度，而焊带变厚会带来焊接时 电池碎片问题。因此，需要选用适合宽度和厚度的焊带制作 组件，才能防止过多的组件功率损失在焊带上。 焊接工艺也严重影响组件的功率，如果组件焊接过程 中存在虚焊、漏焊等焊接不良的问题，会造成较高的接触电 阻，降低组件的输出电流；不合适的焊接工艺还有可能造成 电池的电极与硅片脱落，无法收集电流，从而造成封装损失 的增加。 封装实验及讨论 不同氮化硅膜厚电池的封装对比 选取三组不同氮化硅膜厚、效率17.2 5 %档的单晶 S125-D165（对角线165mm）电池制作组件（板型：4×9=36 片串联），在板式PECVD时，调节氮化硅膜厚分别为70-75 、80-85、90-95（nm），三组电池各制作5块组件，组件的其 他辅材相同。组件的理论功率为96.15W，封装结果见表一。 从数据上看，氮化硅膜越厚的组件的输出功率越高，封 装损失越小，应该属于光学方面的损失，可能是因为厚的氮 化硅膜与EVA、玻璃三者的匹配效果最好，具有较好的减反射 效果，从而有助于提高组件的功率。 Eff与Iap分档方式对比 太阳电池一般用效率（Eff）分档，由1.2节的分析可 知，串联电池的电流应越接近越好，所以我们考虑使用工作 电流（Iap）方式来对电池进行分档。选择效率17.75%档的单 晶S156电池，分别采用Eff与Iap 两种分档方式进行分档，制 作成组件（板型：6×10=60片串联），电池分别在两条生产 线生产，组件的理论功率是254.4W，计算组件的平均功率、 每组组件功率的标准偏差、每组的平均封装损失。 从表二的实验数据中可以看出，同一生产线（A线）生 产的S156电池，Eff分档较Iap分档的封装损失低0.39%；不同 生产线产出S156电池采用相同分档方式（Iap），封装损失存 在一定差异。Iap分档对封装损失的改善不明显，但组件输出 功率的一致性较好。 不同电池生产线对比 在Eff与Iap分档方式对比实验中，不同生产线生产的电 池的封装损失有很大区别，为此我们从两条不同的生产线选 取S125电池，分别用单条生产线线的电池封装成组件、两条 生产线电池相混封装成组件（板型：6×12=72片串联），测 试组件功率，计算标准偏差和平均封装损失。电池的效率为 17.5%档, 组件的理论功率为195.08W。 从表三的测试结果来看，单线电池封装出的组件的封装 损失较混线的要小，且混线电池的组件功率的一致性要差一 些。从组件封装功率偏差均值来看，A线要比B线小，A线的封 装损失较低，说明不同电池生产线之间存在一定的差异，可 能与校准和设备的差别有关。 不锈钢带通常用于在真空输送以及精密印刷。穿孔 机用于组件组装、洁净室自动化、薄膜电池生产以 及带锯切割。 ·耐用·坚固·无伸缩·清洁· ·耐高温·可镀膜·真空运输· ·精确·耐焊剂·满足客户需求· ·为客户量身定做· 应用于太阳能电池生产的不锈钢带 4th Floor, Pennie House, Washington, Tyne and Wear, NE37 1LY, UK Tel: +44(0)191 515 3010 E-Mail: sa;es@bte.co.uk www.belttechnologies.co.uk 美洲地区 Belt Technologis Inc. 11 Bowles Rd, Agawam, MA 01001, USA Tel: 413 786 9922 E-Mail: Engineer@belttechnologies.com www.belttechnologies.com 钢带驱动产能 18 www.pv-tech.org 电池电流细分实验 将17.2 5 %效率档S12 5电池按 照电流每25 m A一个区间细分成三 组I1:5.274～5.299mA、I2:5.249 ～5.274mA、I3:5.224～5.249mA，再 加一电流未细分组作为对比组。四组 组件的理论功率192.3W。 结果见上表四，电流细分对改 善封装损失效果不明显，电池按电流 细分后能看出功率渐变的现象，I1最 大，I3最小，以功率偏差均值来说， 电流细分电池封装后，未细分电流组 的组件功率一致性较差。 不同规格焊带对封装损失的影响 使用不同规格的焊带，厚度和宽 度分别为：0.15×1.6、0.18×1.6、 0.20×1.6（单位为mm），由1.2节的分 析可知，三组焊带的电阻值为从大到 小，选取17.50%效率档S156电池，各 做若干块组件（板型：6×10=60片串 联），理论功率为250.8W。 从表五中可以看出，焊带越厚， 组件的输出功率越高，封装损失也越 低；但焊带增厚，会提高焊带成本， 还使得人工焊接时的焊接碎片率有所 提高。但若采用自动焊接生产线，使 用厚焊带可以有效地降低碎片率，增 加组件的输出功率，降低封装损失； 长远看来，也有助于控制组件的质 量，提高组件的成品率， 降低生产成 本。 结论 [1] 组件的封装损失可分为光学损失和 电学损失两种。前者主要包括玻 璃、密封胶的透射率限制导致的光 的损耗，焊带、背板的反射产生的 光的二次利用得到的额外附加功 率；后者来源于电池失配、焊带电 阻、焊接不良等形成的电流损失。 [2] 与按效率分档相比，电池按工作电 流分档时，组件的功率没有太大区 别，电流细分分档对封装损失也没 有很大影响，但组件功率的一致性 更好。由于电池生产线之间存在差 异，单个生产线电池封装的组件比 混线电池生产的组件的功率损失要 小。 [3] 对电池的氮化硅膜与EVA、玻璃之 间的匹配进行优化后，组件具有较 好的减反射效果，有利于提高组件 的输出功率。 [4] 在不影响组件的长期稳定性和可靠 性的前提下，组件的封装材料应选 择有助于增加功率输出的辅材，如 高透射率的玻璃和密封胶、高电导 的焊带等，能够进一步降低组件的 封装损失。 作者简介 王祺（1985-），男，安徽安庆 人，研发工程师，主要从事晶体硅太 阳电池的测试分析、组件可靠性研究 工作。 参考文献 [1] Green, M. 1982, Solar Cells-Operating Principles, Technology and System Application, pp. 161-164. [2] 陈如龙、汪义川、孔凡建、施正 荣,2003。“封装材料对太阳电池 组件输出影响的初步研究”,太阳 能学报; Rulong, C. Yichuan, W. Fanjian, K. & Zhenrong. S. “Encapsulation material after multi- Si solar cell module’s output”, Acta Energiae Solaris Sinica, pp. 28-30. [3] Sachs, E.M. et al. 2009, “Light- capturing interconnect wire for 2% module power gain”. 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, pp. 3222-3225. [4] Garcla, A., Ruiz J.M. & Chenlo F. 2006, “Experimental study of mismatch and shading effects in the IV characteristic of a photovoltaic module”, Solar Energy Materials and Solar Cells, pp.329-340. 电流分类(mA) 组件数(块) 平均功率(W) 标准偏差 封装损失(%) I1 8 187.49 1.45 2.47 I2 8 187.45 1.46 2.49 I3 8 186.42 1.51 3.03 未细分 15 187.22 2.05 2.64 焊带规格(mm×mm) 组件数(块) 碎片率(‰) 平均功率(W) 封装损失(%) 0.15×1.6 30 1.7 242.12 3.46 0.18×1.6 30 2.7 242.78 3.20 0.20×1.6 22 4.5 243.49 2.91 表五：不同焊带的组件封装 表四：电流细分实验