無主柵太陽電池多線串接技術研究

青海黃河上游水電開發有限責任公司光伏產業技術分公司 ■ 張治 盧剛 何鳳琴 楊振英 錢俊西安泰力松新材料股份有限公司 ■ 李楠 喬曉龍

0 引言

一般常規太陽電池正面有3條或4條主柵線，通過扁形光伏焊帶將電池的正面主柵和相鄰電池的背電極串接，從而形成電池串[1]。隨著電池串焊技術的發展，近幾年，有研究人員從提高組件功率、減小封裝損失和降低生產成本的角度出發，逐步優化太陽電池主柵數量，如圖1所示。研究人員計算發現，如果主柵是根據數量優化且不受印刷工藝限制，組件功率會隨主柵數量的增加和寬度的變小而提高[2]。但若想進一步依靠增加主柵數量來提高組件功率，就必須將主柵“匯流”和“焊接”的功能分開，進而會使用更多、更細的主柵[3]。

圖1 太陽電池主柵數量發展歷程

有一種設計是使鍍層銅絲一端與電池正面的細柵接觸，另一端與相鄰電池的背面電場連接，以取代常規太陽電池的主柵和焊帶，進而將主柵的數量直接增加到兩位數。研究將“圓形鍍層銅絲直接連接電池細柵匯集電流的同時，實現電池互連，并在電池正面取消傳統主柵”的技術稱為“無主柵技術”，采用該技術的電池稱為“無主柵太陽電池”，所采用的圓形鍍層銅絲稱為“無主柵焊帶”。

無主柵太陽電池在增加電池受光面積的同時，載流子輸送至細柵的路徑大幅縮短，串聯電阻也相應減小，無主柵焊帶和細柵均可做的更薄、更細，降低了印刷主柵的銀漿耗量，提高組件功率的同時可大幅降低生產成本；且當無主柵太陽電池遇到斷柵或隱裂現象時，該區域對整個電池電流收集的影響程度明顯降低，對組件最大輸出功率的影響會更小，組件性能會更加可靠。因此，無主柵技術作為新興的光伏組件封裝技術，受到組件研發和生產企業的廣泛關注和競相探索。

1 無主柵太陽電池結構模擬設計

有研究顯示，細柵和主柵在太陽電池的最大功率點時，兩者體電阻導致的電阻功率損耗Prf、Prb分別為：

式中，A、B分別為單個電池的長度和寬度；Jmp、Vmp分別為最大功率點對應的單個電池的電流密度和電壓；m為與電極形狀有關的因子，當電極各部分線性地逐漸變細時，m=4；當電極各部分寬度均勻時，m=3。ρamf、ρamb分別為電極細柵、主柵金屬層的薄層電阻，ρamf=金屬體電阻率/細柵厚度，ρamb=金屬體電阻率/主柵厚度；S為細柵的線距；WF為副柵的寬度；WB為主柵的半寬[4]。

根據正面電極對太陽電池電學特性的影響分析模型，對不同主柵數量和主柵寬度的電極所對應的電池總功率損失情況進行了理論計算，得到主柵數量、總功率損失及主柵寬度三者間的關系，如圖2所示。

由圖2可知，在副柵設計及其他邊界相同的條件下，隨著主柵數量的增加，電池的總功率損失隨之降低。

相對于單根主柵寬度為1.5 mm的三主柵太陽電池而言，若使鍍層銅絲的最大遮光寬度小于等于三主柵太陽電池的主柵總寬度(4.5 mm)，當覆蓋在無主柵太陽電池表面的銅絲直徑為0.2 mm時，根數應≤22根；當銅絲直徑為0.25 mm時，根數應≤18根；當銅絲直徑為0.3 mm時，根數應≤15根。因此，綜合考慮太陽電池主柵的總寬度、間距、功率損耗和印刷工藝的可實現性后，決定采用電池正面只印刷寬度為40 μm、數量為90根、間距為1.724 mm的副柵及覆有18根直徑為0.2 mm的鍍層銅絲的設計作為無主柵太陽電池的設計，如圖3所示。

圖2 太陽電池主柵數量、寬度與總功率損失關系圖

圖3 156 mm×156 mm單晶硅無主柵太陽電池效果圖

1.1 電池正面的遮光方面

無主柵太陽電池的電極圖形若采用表1所示方案時，其正面的理論遮光率為4.573%；而在副柵的數量、寬度、間距相同的情況下，三主柵太陽電池的正面理論遮光率為5.137%。覆有18根直徑為0.2 mm銅絲的無主柵太陽電池的理論遮光率比三主柵太陽電池的減少了10.98%。

1.2 銀漿耗量方面

根據無主柵太陽電池及三主柵太陽電池樣片制備過程中的控制數據，無主柵太陽電池第三道絲網印刷工藝后的樣片平均濕重為0.07 g；三主柵太陽電池第一道絲網印刷工藝后樣片的平均濕重為0.04 g，第三道后平均濕重為0.10 g。相對于三主柵太陽電池，無主柵太陽電池單片銀漿使用量降低(0.14–0.07)/0.14=50%。

表1 無主柵電池與三主柵電池電極方案對比

圖4 低熔點合金鍍層銅絲截面圖及其局部放大圖

圖5 添加稀土元素前后的Sn-Pb-Bi合金的抗氧化性對比

2 無主柵焊帶的開發

焊帶是光伏組件封裝過程中的重要原材料，焊帶質量的好壞將直接影響電池表面電流的收集及組件封裝損失的多少。對于無主柵太陽電池串焊工藝來說，串焊機只起到定位銅絲，鋪設玻璃、EVA、背板等疊層的作用；而焊接過程是在層壓工藝中實現，層壓溫度在150 ℃左右，但錫鉛共晶合金的熔點為183 ℃[5]，因此，焊接常規有主柵太陽電池的焊帶已無法滿足無主柵太陽電池的焊接需求，客觀上要求開發適合無主柵太陽電池串焊的新產品——無主柵焊帶。無主柵焊帶的開發主要包括微米級銅絲的拉制、銅絲表面鍍層材料的開發、薄膜的選取、鍍錫銅絲與薄膜的復合等過程。

通過對比鍍有Sn-Pb、Sn-Bi、Sn-Pb-Bi不同合金配方鍍層的圓形銅絲電阻率、抗拉強度、延伸率和最大拉力[6-9]，發現Sn-Pb-Bi合金鍍層銅絲無論在微觀形貌、電學性能，還是機械性能方面，均有優異表現，是性能優異的微米級低熔點合金鍍層銅絲，如圖4所示；在Sn-Pb-Bi合金中添加了適量的稀土元素，增強了合金的鋪展性、潤濕性，縮短了合金熔程，提高了合金的抗氧化能力，有效降低了合金的低溫脆性，如圖5所示。Sn-Pb-Bi合金熔點、熔程、鋪展性和抗氧化等性能的改善，不但實現了無主柵太陽電池細柵與銅絲完美的電學接觸，也減小了封裝過程中因高溫引起的電池碎裂，為該合金能夠應用在太陽電池串接工藝中提供了有利條件。

選取光伏行業內應用廣泛的4種有機薄膜，分別為EVA、PES、TPU、TPO，進行透光率測試、交聯性測試和粘接強度測試，測試結果如表2所示。由表2可知，TPO薄膜是比較理想的可用于無主柵焊帶制作的有機薄膜。將低熔點合金鍍層銅絲與TPO有機薄膜復合，可得到熔化溫度低于145 ℃的無主柵焊帶，如圖6所示。

表2 4種有機薄膜的透光率、粘結性對比

圖6 無主柵焊帶樣品圖

3 無主柵太陽電池與無主柵焊帶之間的匹配性驗證

與常規太陽電池封裝工藝相比，無主柵太陽電池是使用新型串焊機在100 ℃左右的條件下，將鍍層銅絲與有機薄膜經過機械復合后的銅絲復合膜鋪設在兩片電池的正、背面，實現相鄰電池的串接；串接后的電池串經過排布、疊層后，在一定的層壓溫度和壓力下將鍍錫銅絲和電池細柵壓合在一起，形成歐姆接觸。而歐姆接觸的緊密程度直接決定著組件封裝損失的大小和功率的高低，因此無主柵太陽電池與無主柵焊帶之間的匹配性顯得尤為重要。電池正面細柵的高寬比、背面電場圖形、銅絲鍍層厚度，以及銅絲與薄膜的復合效果均能影響歐姆接觸的緊密程度。實驗主要從電池正面柵線、背電場印刷方案、鍍層分布均勻性和復合效果等方面入手進行了改進和優化，優化后的電池正面效果如圖7所示。

圖7 優化后的無主柵太陽電池正面效果圖

實驗使用正面只印刷細柵、背面只有鋁背場、鍍有直徑為0.2 mm的Sn-Pb-Bi合金銅絲封裝的單片無主柵太陽電池片，印刷方案如圖3所示，其EL圖像相對較暗，如圖8a所示；然后在保持鍍層成分和銅絲直徑不變的情況下，對無主柵太陽電池印刷方案進行了優化，單片電池片EL圖像的亮度明顯改善，如圖8b所示。

圖8 單片無主柵太陽電池片EL圖

使用優化后的無主柵太陽電池印刷方案，采用直徑為0.2 mm與0.3 mm的鍍層銅絲進行單片電池片封裝，對比發現，后者的EL圖像更亮。

因此，經過多次對比實驗發現，采用優化后的電池印刷方案和使用直徑為0.3 mm的15根鍍層銅絲形成的電學接觸效果相對較好，更適合于無主柵太陽電池的串接工藝。

4 無主柵太陽電池串接工藝研究

無主柵太陽電池的結構中，正面只有細柵線、背面只有背電場或分段電極，這決定了其串接工藝無法采用常規的串焊設備、工藝來完成電池串接和組件封裝[10]。無主柵太陽電池的串接不僅需要開發新的工藝，而且在原輔材料方面也提出了新的要求。因此，實驗過程中，先從2片無主柵太陽電池的串接過程探索出發，研究和開發無主柵太陽電池串接工藝來滿足其封裝技術需求。

無主柵太陽電池串接工藝主要包括內嵌鍍層圓形焊帶的有機薄膜與電池的預壓過程、2片電池的串接過程和層壓過程。具體過程如下：

1)將第1片無主柵太陽電池正面朝上放置在不銹鋼載物臺上，將復合好的銅絲與薄膜復合膜平鋪在第1片電池正面上。將預壓裝置移放在第1片電池正上方，然后按下加熱板下探按鈕，并保持一段時間，再松開下探按鈕，觀察銅絲與無主柵太陽電池細柵焊接情況和薄膜偏移情況，如圖9所示。

圖9 第1片無主柵太陽電池預壓后效果圖

2)將第1片無主柵太陽電池背面朝上放置在載物臺上，鋪好銅絲與薄膜復合膜，進行第2次預壓，操作過程同步驟1)，只是此次鋪設的銅絲與薄膜復合膜長度是步驟1)中復合膜長度的2倍，如圖10所示。

圖10 第1片無主柵太陽電池第2次預壓后效果圖

3)再將第2片無主柵太陽電池的正面朝上放置在載物臺上，與第1片電池預壓后剩下的另一半復合膜鋪設在第2片電池正面，進行第3次預壓；預壓前將2片電池的間距調整到2～3 mm范圍內，固定好薄膜位置。

4)將預壓好的第1片、第2片電池整體反過來，再將正常大小的銅絲與薄膜復合膜鋪設在第2片電池背面，進行第4次預壓。經過4次預壓后，2片無主柵太陽電池串接完成，形成具有正負極的電池串，如圖11所示。

圖11 第1片、第2片無主柵太陽電池預壓后效果圖

每次預壓后觀察電池細柵和背電場及復合膜的粘結情況，據此再調節預壓過程的溫度和時間。經過不斷的嘗試，最終確定預壓溫度為150±2 ℃，預壓時間為10 s。

為了驗證預壓過程中電池與銅絲的電學接觸程度，將預壓好的2片無主柵太陽電池整體按照常規組件疊層的方法進行排布，并在常規層壓工藝條件下進行層壓(層壓時的工藝參數為：溫度為150±5℃，層壓壓力為900 mbar，層壓時間為17 min)；然后根據層壓后的電池EL圖像的明暗程度來判斷電池細柵和背電場與銅絲的電學接觸程度。2片無主柵太陽電池層壓后的EL圖像如圖12所示。

圖12 2片無主柵太陽電池層壓后EL圖像

由圖12可知，觀察2片無主柵太陽電池經焊接、層壓后的EL圖像發現，電池中間較亮，四周微暗，說明電池邊緣與銅絲的接觸不夠緊密，串聯電阻仍然較大。在后續的實驗過程中對預壓設備的下探加熱板進行了調整，使得加熱板表面平整，與電池表面的溫度分布均勻，最終達到了預設的效果。

5 無主柵光伏組件與三主柵光伏組件性能對比

無主柵光伏組件封裝過程主要分為銅絲與薄膜復合、相鄰電池串接、疊層、層壓、組裝鋁邊框和接線盒安裝等步驟，與常規太陽電池串焊的主要區別在于增加了銅絲與薄膜的復合過程，且將電池串接和焊接過程分開，串焊機只用來實現銅絲復合膜與電池的定位性接觸，而將焊接過程轉移到層壓工藝中，實現150 ℃左右的低溫焊接，減少高溫過程對電池的熱損傷的同時，電池在焊接后的翹曲問題也得以解決。

為驗證無主柵技術在組件封裝過程中的先進性，選取同一廠家、同一批次的單晶硅片，經外觀檢驗和電性能分選后，挑選電阻率在1～3 Ω?cm范圍內、裸片少子壽命≥1.2 μs的合格硅片備用；在同一電池生產線上，分別生產1200片無主柵太陽電池與1200片三主柵太陽電池(僅絲網印刷網版圖形不同)，并對外觀合格的電池進行I-V測試；將轉換效率相同的無主柵太陽電池與三主柵太陽電池分別進行無主柵組件與三主柵太陽組件封裝，并對封裝后的組件進行EL測試和外觀檢驗，然后對合格組件進行I-V測試。

表3 無主柵組件與三主柵組件電性能對比(平均值)

通過對比組件樣品I-V測試數據后發現，無主柵組件平均功率較三主柵組件平均功率高出約7 W。可見無主柵組件在增加正面受光面積、提升功率的同時，因電池電流傳導路徑密集而使封裝損失明顯降低。但無主柵組件在光伏電站高溫、高寒和強紫外光照射過程中存在銅絲復合膜的耐候性問題，有待進一步通過環境試驗驗證。

6 結論

高效率、低成本太陽電池及組件的開發是光伏行業亙古不變的主題。隨著光伏技術的發展，常規太陽電池通常使用錫鉛焊帶與電池主柵的壓接來傳導電流。但使用焊帶會增加組件的內部電阻，導致封裝過程中的電學損失增大；而且焊帶寬度一般與電池主柵寬度一致，電池表面被焊帶遮擋的部分無法接收光照，增加了封裝過程中的光學損失。因此，使用常規太陽電池正電極設計方案和焊帶互連焊接技術制備的光伏組件的封裝損失較高，無法徹底發揮太陽電池轉換效率高的優勢。

無主柵太陽電池多線串接技術的開發，在實現減小電池正面柵線遮光面積、提升電池轉換效率與組件功率的同時，由于無主柵焊帶基體的主要成份為銅，大幅減少了銀漿的使用量，降低了電池和組件的生產成本；且若該技術實現產業化，與常規太陽電池及組件的生產設備具有較好的兼容性，改造成本小。更值得一提的是，無主柵技術可與高效雙面電池——PERC、HJT電池技術相結合制備雙面雙玻組件，應用范圍更廣、發電量更高、投資收益率更大，因此市場推廣潛力巨大。