關于減少晶體硅太陽能電池板串聯電阻的探索

張奚語

（湖南師范大學附屬中學，湖南長沙 410006）

關于減少晶體硅太陽能電池板串聯電阻的探索

張奚語

（湖南師范大學附屬中學，湖南長沙 410006）

簡述了晶體硅太陽能電池組件原理及結構，講解了電池組件內部串聯電阻的影響因素，提出了降低電池組件內部串聯電阻的技術途徑，并介紹了驗證效果。

晶體硅電池組件；封裝損耗；內部串聯電阻

通常情況下晶體硅太陽能電池板封裝后的實際輸出功率將小于電池片的功率值之和，這種功率差值稱為封裝損耗，封裝損耗中電路內部串聯電阻引起的熱損耗一般占封裝損耗比例達80%以上，這樣減少電池板內部串聯電阻，降低電路損耗就成為提高光伏組件發電效率有效的辦法：

式中，Is為硅電池片在光照下產生的電流，Rs為組件內部串聯電阻，本文主要從電學方面分析影響電路內部串聯電阻的因素，并根據理論推算提出降低光伏組件內部串聯電阻的幾項技術措施，并通過試驗進行了驗證。

1　晶體硅電池板的發電原理及封裝結構

1.1光伏效應

光伏電池發電的原理是基于半導體的光生伏特效應將太陽輻射直接轉換為電能。在晶體中電

圖1　光伏效應示意圖

1.2光伏組件結構

晶體硅太陽能電池板主要由疊層板、接線盒、鋁邊框等部分組成，結構示意圖見圖2，疊層板中的電池串由硅電池片、涂錫互連銅帶、涂錫匯流銅帶在高溫狀態下串聯錫焊而成。接線盒的主要作用是兩方面，一方面將太陽能電池板產生的直流電流引出，另一方面對電池串進行熱斑保護。電氣原理圖見圖3。

圖2　晶體硅電池板結構示意圖

圖3　晶體硅電池板電氣原理圖

2　晶體硅電池板內部串聯電阻的影響因素

2.1硅電池片電極的影響

晶體硅太陽能電池板的主要材料為晶體硅電池片，電池片主要由四層結構組成，分別是背接觸層、基區、擴散層和柵線，電池片柵線的分布及生長效果、合金層的厚度、擴散層的特性等為電池片及電池板的內部串聯電阻產生的重要因素，其中柵線的分布及柵線的生長質量造成電池板整體內部串聯電阻的變化對電池板功率輸出尤為明顯。

2.2電池片間聯接的影響

晶體硅太陽能電池板內部電池片之間的聯接主要采用鍍錫銅帶，鍍錫銅帶的材質、截面積、長度等因素決定電池片之間的電氣連接串聯電阻，串聯電阻的大小影響電池板的功率輸出，串聯電阻越小，功率輸出越高。

2.3光伏接線盒的影響

光伏接線盒金屬基座的結構、基座的材料及基座與電纜的連接方式、基座的截面積等對光伏板電路內部串聯電阻會產生重要影響；接線盒上光伏電纜的材質、截面積、長度對電路串聯電阻有一定的影響；光伏電纜插接頭的材料及接觸方式對電路串聯電阻的產生也有一定的影響；

3　晶體硅光伏組件減少內部串聯電阻的電路優化設計

3.1電池柵線的優化設計

主柵線的優化選擇：選擇三種柵線156多晶硅電池進行比對，分別為三主柵線、四主柵線、五主柵線，見圖4；設156多電池硅電池除柵線數量變化外，其它性能參數不變，單片156硅電池電流為I，156 mm長的匯流條電阻為R，在60片156多晶電池板里三種柵線的匯流條的功率損耗：

三柵線P1=2I2R

四柵線P2=1.5I2R

五柵線P3=1.2I2R/5

四主柵電池板比三主柵電池板減少功率損耗0.5I2R，五主柵電池板比三主柵電池板減少功率損耗0.8I2R。即五主柵電池板及四主柵電池板比三主柵電池板的內部串聯電阻分別小0.5R和0.8R。一般情況下銅基材的電阻率為0.025 Ω·mm2/m，硅電池片主柵的增加在整體上實現電池板內部串聯電阻降低0.01～0.04 Ω，減少封裝損耗約0.7 W，硅電池板自發熱減少約0.7 W。

圖4　三種不同柵線電池片

3.2硅電池片互聯條的優化設計

在三主柵線156多晶電池板中互聯條選取0.21 mm×1.5 mm、0.23 mm×1.5 mm及0.25 mm× 1.5 mm截面積進行設計上計算對比分析。電池片串聯示意圖見圖5，每片電池片前主柵線和背主柵線電阻計算：R為電阻值，L為互聯條長度，ρ為單位長度互聯條的電阻，N為硅電池片主柵線的數量。

按60片156 mm硅電池板計算0.21 mm× 1.5 mm對于電阻值為0.168 Ω；0.23 mm×1.5 mm對于電阻值為0.15 Ω；，0.25 mm×1.5 mm對于電阻值為0.138 Ω；相對于0.21 mm互聯條，0.23 mm 和0.25 mm電阻總值要減少0.018 Ω和0.03 Ω，電池板的熱損耗減少1.27 W和2.2 W。

圖5　電池片串聯示意圖

3.3接線盒的優化設計

接線盒由銅基座、絕緣塑料組成，整個盒體會形成串聯電阻，外加到組件中會額外增加不必要的功率損失，這部分電阻需要越小越好。通常接線盒的串聯電阻在12.8 mΩ左右，每種接線盒的體電阻是不一樣的，以下是選擇3種不同聯結方式的接線盒所做試驗，見圖6所示。

圖6幾種接線盒匯流條聯結示意圖

圖6（a）為彈性壓接式，（b）為螺釘固定式，（c）為錫焊式，3種接線盒進行對比測試，測試3種接線盒的串聯電阻后，分別連接在同一塊組件層壓件上進行電性能測試，測試結果見表1。

表1　3種接線盒匯流條聯結方式的測試

以60片156 mm多晶電池組件層壓件為樣片的測試功率為255.9 W，結果顯示串聯電阻小的接線盒封裝組件后，功率損失越小，反之則越大。

錫焊分體式接線盒的應用不僅保持了以上錫焊聯結擁有較小的串聯電阻優勢，同時又引入了分體接線盒所具有的較短匯流條電路的特點，整體上以60片156 mm多晶電池組件為例，分體式接線盒減少了電流傳輸匯流條長度700 mm，減少匯流條串聯電阻0.01 Ω，減少封裝功率損耗0.7 W，見圖7。

圖7　整體式和分體式接線盒示意圖

4　優化設計效果驗證

考慮到大規模生產的適應性，選取了600板60片156 mm多晶電池組件進行批量實驗，電池選用18.0%效率檔，采用傳統三柵線電池組件工藝與五柵線電池組件工藝比對，其中，傳統三柵線電池組件互聯條采用0.21 mm×1.5 mm，接線盒選擇彈性壓接整體模式，生產300塊；五柵線電池組件互聯條采用0.25 mm×1.5 mm，接線盒選擇錫焊分體式模式，生產300塊。傳統三柵電池組件平均功率為256.88 W，封裝損耗2.24%；五柵線電池組件平均功率為261.71 W，封裝損耗0.4%，在使用同效率檔硅電池片情況下，后一種方式功率提升效果明顯，組件內部串聯電阻總體減少達70 mΩ以上，降低封裝損耗效果明顯。

5　結束語

我國光伏電站建設的規模越來越大，電站對光伏組件的質量和技術要求越來越高，光伏組件效率的提升及生產成本的降低是提升光伏組件市場競爭力的有力途徑，自2014年以來，湖南紅太陽新能源科技有限公司與湖南師范大學附屬中學合作采用以上所述多項精益技術研發措施并進行了大量實驗，順利通過了國家“領跑者”技術認證，成效顯著。

［1］ 張希堂，任明淑.影響晶體硅太陽能電池片效率的因素分析及改善措施［J］.信息記錄材料，2013，（4）：36-42.

［2］ 張治，董鵬，呂欣，等.太陽電池I-V測試儀校準實質的研究［J］.太陽能，2013，（8）：133-137.

Research on Reducing the Series Resistance of PV Models

ZHANG Xiyu

（The High School Attached To Hunan Normal University，Changsha 410006，China）

This paper introduces the principle and structure of the PV modules.and explains the factors affecting the series resistance of the PV modules.Several technical ways to reduce the series resistance of the PV modules are proposed.And the verification results are introduced.

Crystalline PV modules；Package loss；The series resistance

TM914.4+1

B

1004-4507（2016）08-0035-04

2016-05-22子的數目總是與核電荷數相一致，光伏電池是一個大面積的PN結，當光照射到PN結的一個面，P型區每吸收一個光子就產生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內迅速擴散，在結電場的作用下，建立一個與光照強度相關聯的電動勢，原理示意圖見圖1。

張奚語（1999－），男，湖南長沙人，湖南師范大學附屬中學學生，課余從事太陽能光伏發電技術的應用研究。