不同單晶硅太陽電池機械性能分析

晶澳太陽能有限公司 ■ 趙江雷李吉 王玉肖 秦曉婷 劉苗 鄭淑剛

不同單晶硅太陽電池機械性能分析

晶澳太陽能有限公司 ■ 趙江雷*李吉 王玉肖 秦曉婷 劉苗 鄭淑剛

隨著太陽電池技術的發展，新電池技術不斷出現，太陽電池的主柵數量也在增加。本文采用四點彎曲方式測試不同主柵數量電池、單晶硅鈍化發射極背面接觸（PERC）電池的機械性能，初步探討主柵數量及不同生產工藝對電池抗彎強度的影響。研究表明：隨著太陽電池主柵數量增加，電池抗彎強度沒有明顯變化，PERC電池的抗彎強度略低于常規電池，PERC電池不同激光刻槽設計對電池抗彎強度存在影響。

抗彎強度；機械載荷；PERC電池；激光圖形

0　引言

人類社會快速發展，不可再生能源日益減少，能源危機是人類面臨的一個嚴峻挑戰，迫切需要尋找各種可再生資源作為替代。因此，儲量豐富，取之不盡、用之不竭的太陽能進入了人們的研究領域，在太陽能的有效利用中，太陽能光伏發電成為近些年來發展最快、最具活力的研究領域［1-3］。

隨著太陽能技術發展，高效組件越來越受到電站的青睞，同樣，對光伏組件的各項性能要求也越來越高，其中，機械載荷測試是組件的一個重要測試項目。機械載荷主要是確定組件在不同安裝角度下經受風、雪或覆冰等靜態、動態載荷的能力。光伏組件的玻璃、EVA等是影響組件機械載荷的主要因素，單晶硅太陽電池的機械性能對其也有一定影響。

目前太陽電池都在向多主柵及新工藝（如PERC）方向發展，隨著主柵數量的增加、新技術的引入，單晶電池片的機械性能會發生怎樣的變化？本文采用四點彎曲測試方法對3種不同主柵數量及PERC工藝的太陽電池進行測試，研究主柵數量及生產工藝對電池機械性能的影響。

1　實驗

圖1　常規電池和PERC電池工藝流程圖

實驗過程使用p型單晶硅片，尺寸為156 mm×156 mm，厚度為180 μm，電阻率為1～3 Ω·cm。將硅片按照不同工藝流程進行生產，常規電池按照如圖1a所示工藝流程生產，在印刷燒結前采用相同的工藝制作，在絲網印刷環節分別采用3根主柵、4根主柵、5根主柵網版設計圖形印刷；PERC電池按照如圖1b所示的工藝流程生產，在激光刻槽環節分別采用連續刻槽和段式刻槽，絲網印刷時采用4根主柵網版設計印刷。所有電池的背極設計與電池正面主柵設計相同，電池細柵設計相同。

將制作好的電池片用厚度測試儀標定每個電池片的厚度，然后用四點電池彎曲應力測試機測量電池片抗彎強度并記錄電池承受最大載荷。

應力測試一般采用三點彎曲或四點彎曲方式對圓形或矩形橫截面試樣施加彎曲力，直至斷裂，測定試樣彎曲力學性能。當試樣受到與其本身垂直外力作用時，試樣會逐漸彎曲直至斷裂，試樣斷裂瞬間的極限抵抗能力稱為抗彎強度或抗折強度。

機械強度通過四點彎曲方法測試，樣品的受力情況及樣品參數如圖2所示，其中Le為跨距。通過彎曲強度測試儀測得應力與位移的關系曲線，由式（1）可求出硅片的抗彎強度［4］：

式中，σbb為抗彎強度，MPa；Fbb為最大彎曲力，N；l為力臂，mm；W為試樣截面系數，mm3。W按公式（2）計算。

式中，b為試樣寬度，mm；h為硅片厚度，mm。

2　結果與討論

通過四點彎曲方法測試了不同主柵數量的常規單晶硅太陽電池及PERC電池的彎曲力學性能。各工藝電池的抗彎強度如圖3所示，可以看出，各工藝條件中，3根主柵、4根主柵、5根主柵普通電池的抗彎強度差異很小；4根主柵電池與PERC電池相比，PERC電池的抗彎強度較低。

圖3　不同工藝電池抗彎強度

圖2　四點彎曲試驗的受力及參數示意圖

在彎曲測試過程中，設定硅片中心面為中性面，中性面位置所承受的應力可以認為是零。以中性面為分界，中性面以上部分主要承受壓應力，中性面以下部分主要承受拉應力。裂紋主要由拉應力引起，裂紋在受拉過程中不斷擴展，達到承受極限值后發生斷裂；在承受拉應力區域內，機械損傷和殘余應力都會引起裂紋的生成，并且加速裂紋的生長，從而導致試樣抗彎強度下降。因此，降低試樣受拉應力區域的殘余應力，減少受拉應力區域的機械損傷數量，將有效提高試樣的抗彎強度［5，6］。

太陽電池經過印刷燒結過程后，在電池背極和鋁背場的交接處會存在較大的殘余應力，在常規3根主柵、4根主柵、5根主柵電池測試過程中，4根主柵電池承壓位置剛好在電極區域，受拉應力區域則為背電極附近，此區域的殘余應力造成4根主柵電池的機械強度略微偏低。

在PERC電池的制作過程中，鍍膜之后是激光刻槽。激光刻槽是將高能量的激光束聚焦于硅片表面，從而將硅片表面已經鍍好的Al2O3膜和Si3N4膜刻蝕掉，在印刷燒結過程中有利于背電極和鋁背場與硅基體的接觸。但在激光刻槽過程中，激光會對硅片造成損傷，在抗彎強度測試過程中，這些激光損傷區域將會引起微裂紋的產生，從而導致PERC電池的抗彎強度降低。

對不同激光刻槽圖形的PERC電池進行機械性能測試，結果表明，段式設計的PERC電池抗彎強度要高于連續設計的PERC電池，如圖4所示。這主要是因為段式設計的PERC電池的激光損傷區域減少，在受壓過程中減少了裂紋生成的數量，從而提高了電池抗彎強度。

圖4　不同激光刻槽設計PERC電池強度

3　結論

本文采用四點彎曲測試法，分析了不同主柵數量電池的抗彎強度、相同主柵數量時常規電池與PERC電池的抗彎強度，以及不同激光刻槽設計的PERC電池抗彎強度。

1）在常規電池測試中，電池抗彎強度不會隨著電池主柵數量增加而降低，電池抗彎強度與測試過程中承壓位置有較大關系。

2） PERC電池的抗彎強度要低于常規電池，主要是由于PERC電池存在激光刻槽，激光刻槽對硅片背面造成損傷，增加裂紋的生成，從而降低電池的抗彎強度。

3）不同的激光刻槽設計將會影響PERC電池的抗彎強度，合適的激光圖形將提高電池機械性能。

本實驗研究分析結果對PERC電池改善和提升激光刻槽工藝、減少電池片隱裂或將具有一定的積極作用。

［1］ 李根虎. 電池工藝對EWT太陽電池機械性能的影響［D］.浙江： 浙江大學， 2012.

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［4］ 汪漢花，高莉莉. 固井水泥石力學性能研究現狀淺析［J］. 西部探礦工程， 2010， 32（2）： 193-197.

［5］ 李中蘭，汪雷，楊德仁. 背電極花樣對單晶硅太陽能電池機械性能的影響［J］. 太陽能學報， 2011， 32（2）： 225-228.

［6］ 李中蘭，楊德仁，朱鑫，等. 薄片單晶硅太陽能電池片機械強度的研究［A］.第十屆中國太陽能光伏會議論文集：迎接光伏發電新時代［C］， 上海， 2008.

2016-01-18

趙江雷（1984—），男，本科，主要從事晶體硅太陽電池方向的研究。zhaojl@jasolar.com