太陽電池正面圖形的設計與研究

鎮江大全太陽能有限公司 ■ 王俊 李良 李化陽 姚玉 王霞 趙勇

0 引言

太陽能作為戰略性新興能源產業，由于其具有安全、少污染和可再生性，已成為人類發展所必須的清潔能源，尤其是光伏發電，近年來備受各國的重視和推廣。而制約光伏發電進一步發展的最主要原因是度電成本偏高，一直未能實現平價上網。對電池端而言，降低度電成本的途徑主要有2個，一個是提高電池的光電轉換效率，另一個是降低電池的每瓦生產成本。然而很多新技術在提高光電轉換效率的同時，往往又提高了生產成本。在晶體硅太陽電池的制備中，正面電極印刷時的銀漿消耗占整個生產輔料成本的40%以上，因此，如何在現有生產條件下有效降低銀漿成本成為重中之重[1]。本文從太陽電池正面圖形入手，通過幾組實驗數據，在不同設計圖形下找到正面銀漿單耗、電性能、組件焊接拉力等方面的最佳平衡，以達到降低成本的目的。

1 實驗

本次實驗樣品采用多晶硅太陽電池，以4種不同正面圖形為例，在電池正面尋求銀漿單耗、電性能及組件焊接拉力的最佳平衡點。其中，設計的4種正面圖形細柵保持一致，主要區別在于主柵段，分別為：八分段無鏤空、八分段圓形鏤空、八分段方形鏤空，以及連柵方形鏤空，具體數值如表1所示。漿料為正常量產漿料，印刷前奇偶分片；實驗過程中收集印刷銀漿單耗、電性能數據，并跟蹤組件端焊接拉力數據。

表1 4種正面圖形的理論計算數值

本實驗中絲網印刷設備采用ASYS設備，網版為新倬壯無網結網版，參數規格為：目數400，線徑16 μm，線寬24 μm，紗厚21 μm，膜厚11 μm；刮條為數木碳纖維刮條；印刷參數為網距 1.2 mm、印刷壓力60 N、印刷速度 300 mm/s。印刷單耗采用上海方瑞FA1004 型電子天平稱量；電池轉換效率采用Halm高精度I-V測量系統測量；焊接拉力采用小牛CH513焊接機測量；焊帶采用凡登聚光生產的1.0 mm×0.25 mm焊帶。

2 結果與討論

2.1 銀漿單耗分析

4種不同設計的正面圖形在同一臺ASYS設備上印刷，產生的銀漿單耗如表2所示。從表2可以看出，3種八分段圖形的銀漿單耗均明顯低于連柵圖形；而3種八分段圖形中，無鏤空的銀漿單耗大于圓形鏤空和方形鏤空，但差異較小。此結果主要取決于設計圖形理論面積的大小。

表2 4種正面圖形對應的理論面積及銀漿單耗

2.2 電性能參數

分組驗證上述4種不同圖形制備的電池的電性能差異，具體如表3所示。

從表3可以看出，A、B、C 3組八分段圖形制備的電池的效率差異較小，平均效率為18.451%，而采用連柵圖形設計的D組效率比A、B、C 3組的平均值高0.018%。由此可知，八分段圖形的主柵有無鏤空對效率的影響不大。電池的主柵線主要是起收集電池副柵線的電流并將此電流傳輸至互聯條的作用，還要保證電池與互聯條的可焊性和一定的焊接牢固度[2]。電池所產生的電流通路是連接電池的互聯條而不是電池的主柵線，因此，組件中與互聯條重合的主柵線部分可采用大面積的鏤空[2]，即A、B、C這3組八分段圖形設計并不影響組件的輸出功率，所以D組與A、B、C 3組之間的效率差異很小。

表3 4種正面圖形制備的電池的電性能數據

2.3 組件焊接拉力

在焊接條件一定的情況下，組件焊接拉力的大小取決于焊帶與漿料的接觸面積，以及漿料的厚度。漿料厚度相同時，焊帶與漿料的接觸面積越大，焊帶的焊接穩定性越高，整體拉力值提升；漿料接觸面積相同時，漿料偏薄易使焊接形成Sn/Pb/Ag合金層后剩余的銀層偏薄，導致剝離拉力較小。

2.3.1 不同圖形的焊接拉力對比

1)八分段無鏤空圖形與八分段圓形鏤空圖形的對比。選取帝科92A漿料(后文簡稱“漿料a”)為正面銀漿，采用同一焊接機臺驗證A、B組的拉力大小，結果為B＞A，即圓形鏤空圖形的主柵焊接拉力值大于無鏤空圖形的。在Zeta顯微鏡拍攝下，二者的主柵形貌如圖1、圖2所示?？梢钥闯觯?倍顯微鏡下，無鏤空圖形的主柵表面有很多小的漏硅，高低起伏很大，像表面有很多鏤空點；且相對于圓形鏤空圖形的主柵，無鏤空圖形的主柵上鏤空點小而密。圓形鏤空圖形的主柵，鏤空處乳劑在印刷時起到支撐作用，相對流動性好，下墨增多，鏤空點邊緣漿料堆積增加了主柵的厚度，使焊接時有效接觸面積增加，對焊接拉力有改善作用。

圖1 八分段無鏤空圖形的主柵形貌

圖2 八分段圓形鏤空圖形的主柵形貌

2)八分段圓形鏤空圖形與八分段方形鏤空圖形的對比。圓形鏤空圖形與方形鏤空圖形設計的鏤空比保持一致，在鏤空面積相同的情況下，方形鏤空圖形的鏤空邊緣周長大于圓形鏤空圖形，鏤空部分邊緣因為乳劑支撐對漿料下墨起到積極作用，焊接時與焊帶的有效接觸面積增加，在一定程度上增加了焊接拉力，因此，焊接拉力C＞B。

3)八分段方形鏤空圖形與連柵方形鏤空圖形的對比。相對于八分段圖形的主柵，連柵圖形的主柵面積增加了22%，接觸面積也相應增加。連柵圖形無明顯起伏，焊接穩定性增加，整體焊接拉力值明顯高于八分段圖形。

2.3.2 不同圖形的對比結果

綜上所述，使用相同焊接機進行焊接，4種不同圖形對應的焊接拉力按從大到小排序為D＞C＞B＞A。上述拉力值均滿足目前行業主流需求“焊接拉力值要大于2 N/mm”。

2.3.3 2種漿料對應不同圖形時的焊接拉力分布對比

除漿料a外，另選取首騁180-J漿料(下文簡稱“漿料b”)作為正面銀漿，在相同焊接條件下，分別使用4種不同圖形進行焊接拉力測試。

圖3為漿料a對應的4種圖形下的焊接拉力分布，表4為具體焊接拉力分布數據。

圖3 漿料a采用不同圖形設計時的焊接拉力分布

表4 漿料a采用不同圖形設計時的焊接拉力分布

從圖3和表4可知，正面銀漿選取漿料a時，使用相同焊接機焊接并進行拉力測試，4種不同圖形的焊接拉力從大到小排序為D＞C＞B＞A。

圖4為漿料b對應的4種圖形下的焊接拉力分布，表5為具體焊接拉力分布數據。

從圖4和表5可知，正面銀漿選取漿料b時，使用相同焊接機焊接并進行拉力測試，4種不同圖形的焊接拉力從大到小排序為D＞C＞B＞A。此結果與之前漿料a的實驗結果相符。

圖4 漿料b采用不同圖形設計時的焊接拉力分布

表5 漿料b采用不同圓形設計時的焊接拉力分布

3 結論

本文詳細討論了4種不同圖形設計的主柵在銀漿單耗、電性能、組件焊接拉力方面的表現。綜合實驗數據可以得出如下結論：

1)4種圖形的理論面積大小決定了其銀漿單耗的大?。粎⒄绽碚摂抵?，連柵方形鏤空圖形的銀漿單耗明顯大于3種八分段圖形。

2)主柵的作用主要為收集電池細柵線的電流并將此電流傳輸到互聯條，還要保證電池與互聯條的可焊性和一定的焊接牢固度。因此，分段設計不會影響到電池效率及組件的輸出功率。通過對比實驗可以看出，采用不同分段設計的電池的轉換效率差異較小。

3)連柵圖形的組件端焊接拉力值明顯大于八分段圖形。在3種八分段圖形中，圓形鏤空圖形的焊接拉力大于無鏤空圖形；同樣的鏤空比例下，方形鏤空圖形的焊接拉力大于圓形鏤空圖形，主要原因為鏤空部分的乳劑對漿料下墨塑形有積極作用，增加了焊接時的有效接觸面積，從而提升了焊接拉力。

綜上所述，在工藝條件一定的情況下，4種圖形設計的電性能差異不大，可根據客戶要求及自身成本需求在銀漿單耗與焊接拉力性能方面做出選擇。