多晶黑硅太陽能組件性能的優化

楊曉君　徐振華　陳沖　韓玉杰　任現坤

摘????? 要：研究了組件封裝材料對黑硅組件輸出性能的影響。以P 型多晶黑硅電池片為原材料，通過常規晶硅組件制作工藝，分別對比了不同鋼化玻璃透過率、EVA截止波長以及互聯條的厚度對黑硅組件輸出功率的影響。結果表明：通過增加鋼化玻璃和EVA的透過率、增加互聯條的厚度、減少組件的串聯電阻等技術方案的應用，分別實現了黑硅組件輸出功率2.17、1.38、0.45 W的提升。

關? 鍵? 詞：封裝材料;黑硅;透過率;串聯電阻;輸出功率

中圖分類號：TM914.4? ??????文獻標識碼： A?? ????文章編號：1671-0460（2020）07-1464-04

Study on Performance Optimization of

Multi-crystalline Black Silicon Solar Modules

YANG Xiao-jun1，2 ， XU Zhen-hua1，2， CHEN Chong1，2 ， HAN Yu-jie1，2， REN Xian-kun1，2

（1. Shandong Linuo Solar Power Holdings Co.， Ltd.， Jinan Shandong 250103， China;

2. Shandong Linuo Photovoltaic High Tech Co.， Ltd.， Jinan Shandong 250103， China）

Abstract： The effect of different encapsulation?materials on the output performance of black silicon module was studied. Using p-type polycrystalline black silicon cell as basic material， the influence of the different transmittance of the tempered glass， the different cut-off wavelength of the EVA and the thickness of the interconnection strip on the output power of black silicon module was investigated by the conventional manufacturing process. The results showed that the output power of black silicon module was increased by 2.17 w， 1.38 w and 0.45 w respectively by increasing the transmittance of tempered glass and EVA， increasing the thickness of interconnection strip and reducing the series resistance of the module.

Key words： Packaging materials;Black silicon; Transmittance; Series resistance; Output power

隨著人類社會的持續進步，能源匱乏和生態環境問題已經成為人們所面臨的兩大難題^[1-3]。在化石能源日益枯竭的大背景下，作為綠色和可再生能源的太陽能受到了世界各國的廣泛關注。太陽能電池發電的原理是半導體的光電效應，主要是利用光電材料受光照射后發生光電效應，實現能量轉換。硅材料是一種半導體材料，太陽能電池發電的原理主要就是利用這種半導體的光電效應。當太陽光照射到晶體硅太陽能電池上時，電池吸收光能產生“光生電壓”，即電池兩端出現異號電荷的積累，形成“光生伏特效應”。

在太陽能發電領域，主要以晶體硅太陽能電池為主。晶體硅太陽能電池按照制備工藝可以分為單晶硅和多晶硅兩種電池結構^[4]。在過去的5-10年，多晶硅由于具有制造工藝簡單，能耗低的優勢，得到巨大發展。隨著光伏技術的不斷發展，尤其是PERC （Passivated Emitter and Rear Cell）技術的日益成熟，使得單晶和多晶在單瓦成本的差距逐漸縮小。而在電站端，使用單晶高功率組件可以減少支架、匯流箱、電纜等成本，從而攤薄單瓦系統成本，使得單晶電池具有更大的優勢。因此，在2019年單晶硅得到了巨大的發展。

在當前形勢下，多晶硅電池產業如何保證可持續性健康的發展主要取決于以下兩個方面，一是要不斷地提升轉化效率，二是降低成本。光伏產業過去數十年的發展中，降本增效一直是整個產業鏈的核心，如今降本已經進入了瓶頸期。在多晶硅電池提效方面，黑硅技術的應用使得多晶電池轉化效率取得巨大提升。與傳統多晶電池相比，黑硅電池具有較優的表面陷光結構^[5-8]。因此，黑硅電池的效率增加主要來自短路電流的提升^[9-10]，如何把黑硅電池短流電流的提升更多地轉換到黑硅組件功率的增加上，成為本文的主要研究內容。

晶體硅太陽能電池可利用的光譜響應波長范圍為300～1 200 nm^[11]，也就是說硅太陽能電池可以在這個波段范圍吸收太陽光轉化為電能。太陽能組件的結構從上至下嚴格按照鋼化玻璃、EVA（Ethylene- Vinyl Acetate Copolymer）、電池片、EVA、背板的順序排列，如圖1所示。因此，對太陽能組件來說，太陽光到達電池表面前要先穿過鋼化玻璃和EVA，在這個過程中，太陽光要受到空氣和鋼化玻璃、鋼化玻璃和EVA等多個界面的反射和折射的作用;另外，鋼化玻璃和EVA等材料對太陽光存在吸收的不利影響。所以，太陽光到達太陽能電池表面之前產生了一定反射和被吸收的損失，也就是說封裝材料的表面結構和透過率對組件輸出功率的大小存在較大的影響^[12]。太陽能組件的封裝損失除了光學損失外，還存在一定的電學損失，其電學損失主要包括以下兩部分：一是組件本身的串聯電阻導致的功率損失;二是組件用不同電池片間存在電流差異，電池片串聯時引起的電流不匹配損失^[13]。組件的串聯電阻主要包括電池片、互聯條、匯流條和接線盒的電阻以及它們之間的相互接觸時的接觸電阻。鑒于此，本文通過優化黑硅太陽能組件的封裝材料，分析了多晶黑硅組件功率提升的方法。

1 ?實驗部分

本實驗選用的P型多晶電池片尺寸為157 mm×157 mm，轉化效率為19.0%，共3 600片，實驗共分6組，每組600片，按照圖2所示的組件版型設計進行封裝，每組10板，每板60片電池片。所有實驗組和對比組均在同一時間段按照相同的組件生產工藝產出;每組實驗組件封裝材料如表1所示，除了表1中所示材料外的其他封裝材料各組均保持一致。

2? 結果與討論

2.1 ?玻璃透過率對黑硅組件封裝功率的影響

圖3給出了按照實驗組一和對比組一兩組實驗材料封裝后的太陽能組件封裝功率的對比圖。從圖中可以看出，實驗組一較對比組一的組件輸出功率明顯提升，功率增幅達到2.17 W（ΔP_mpp = 2.17 W）。這是由于封裝組件常用的超白鋼化玻璃的透過率基本上在91.5%上下，而鍍膜玻璃由于在超白鋼化玻璃的基礎上增加了一層納米級的減反射氧化硅膜，其透過率達到了94%^[14]。圖4給出了普通超白鋼化玻璃與鍍膜玻璃的透過率對比圖。玻璃的透過率直接影響到達太陽能組件上的光的多少，從而影響組件的光電流，降低了組件的輸出功率。玻璃的透過率較低時，對于電流相對較高的黑硅電池來說，封裝損耗被擴大。所以，提高玻璃的透過率對黑硅組件的輸出功率的提升有明顯作用。

2.2? EVA截止波長對黑硅組件封裝功率的影響

圖5給出了按照實驗組二和對比組二兩組實驗材料封裝后的太陽能組件封裝功率的對比圖。從圖中可以看出，實驗組二較對比組二的組件輸出功率提升了1.38 W，ΔP_mpp = 1.38 W。這是由于兩組實驗用封裝組件封裝材料EVA分別為F406ps和F806ps，兩種EVA封裝膠膜由于工藝材料的差異（不同的紫外線吸收劑添加量），導致了EVA對太陽光紫外線的吸收程度不一樣，從而影響了太陽能組件在太陽光紫外波段的吸收。圖6給出了鍍膜玻璃和F406ps、鍍膜玻璃和F806ps的透過率對比圖?？梢钥闯?，F806ps在波長400 nm時透過率開始降低，而F406ps出現降低的波長在300 nm左右。所以，F406ps能夠提升太陽能組件對300～400 nm波段的吸收，從而提升輸出功率。圖7給出了多晶黑硅與多晶常規電池反射率的對比圖，可以看出多晶黑硅電池在太陽光波長300～500 nm時，吸收特性明顯高于多晶常規電池，也就是說多晶黑硅電池短路電流的提升主要來自對該部分波段太陽光的吸收。顯而易見，黑硅組件封裝時采用F406ps可以降低光學損失，提升組件輸出功率。

2.3? 互聯條厚度對黑硅組件封裝功率的影響

表2給出了按照實驗組三和對比組三兩組實驗材料封裝后的太陽能組件封裝電性能的對比數據。從表中可以看出，實驗組三較對比組三的組件串阻降低0.05 Ω，組件輸出功率提升了0.45 W，ΔP_mpp = 0.45 W。這是由于互聯條的高度增加降低了互聯條的電阻，在太陽能組件串聯封裝后減小了串阻，從而減少了因組件串聯電阻引起的熱損耗，提升了組件輸出功率。所以，增加互聯條的厚度對黑硅組件功率的提升具有很大的貢獻。

3? 結 論

1）在太陽光的吸收方面，采用鍍膜玻璃增加了多晶黑硅組件在整個吸收波段的透過率，黑硅組件功率提升2.17 W;采用在紫外波段透過率較優的EVA（F406ps），增加了多晶黑硅組件在300～400 nm波段的太陽光吸收，使黑硅組件輸出功率提升了1.38 W。

2）在電學損耗方面，通過增加互聯條的高度減小組件的串聯電阻的方案，降低了黑硅組件的熱損耗，組件功率提升了0.45 W。

參考文獻：

[1]劉林華，馬玉英，任現坤. 多晶硅材料特性對太陽能電池效率的影響[J].當代化工，2019，48（6）：1140-1143.

[2]王光偉，楊旭，葛穎，等. 太陽能光化學利用方式及應用評述[J].半導體光電，2015（1）：1-6.

[3]張妹玉，張寧，翁銘華，等.表面處理對低成本多晶硅太陽電池性能的影響[J]. 半導體光電，2014，35（2）：233-236.

[4]周兆忠，吳喆，馮凱萍. 多晶硅表面制絨技術現狀研究[J]. 材料導報，2015，29（5）：55-61.

[5]NISHIOKA K， HORITA S， OHDAIRA K， et al. Antireflection subwavelength structure of silicon Surface formed by wet process using catalysis of single nano-sized gold particle[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells， 2008， 92（8）：919-922.

[6]PENG K， LU A， ZHANG R， et al. Motility of metal nanoparticles in silicon and induced anisotropic silicon etching[J]. Advanced Functional Materials， 2008， 18（19）：3026-3035.

[7]PENG K Q， HU J J， YAN Y J， et al. Fabrication of single-crystalline silicon nanowires by scratching a silicon surface with catalytic metal particles[J]. Advanced Functional Materials， 2006， 16：387-394.

[8]HUANG Z， GEYER N， WERNER P， et al. Metal-assisted chemical etching of silicon： a review[J]. Advanced Materials， 2011， 23（2）：285-308.

[9]吳俊桃. 金剛線切多晶黑硅的制備及性能研究[D]. 北京： 中國科學院物理研究所，2017.

[10]劉相局. 太陽能電池多晶硅復合絨面的制備及其潤濕性研究[D]. 濟南： 山東建筑大學，2016.

[11]陳鳳翔，汪禮勝.寬角度硅太陽電池減反射膜的優化設計[J]. 太陽能學報，2008，29（10）：1262-1266.

[12]馬昀鋒，楊若婷.光伏組件制造過程封損控制方法的研究[J]. 電子世界，2018（2）：5-7.

[13]帥爭峰，楊宏，雷咸道.晶體硅太陽電池組件封裝的電學損失分析[J]. 電源技術，2014（1）：82-84.

[14]馮成坤，劉勇，沈輝，等.太陽電池組件上納米多孔SiO2減反射膜的制備和增透性能研究[J].功能材料，2009（12）：2064-2067.

基金項目：山東省2019年度新舊動能轉換重大工程重大課題攻關項目計劃（高效鈍化接觸太陽能電池片的技術研發）。

收稿日期：2020-03-18

作者簡介：楊曉君（1979-），男，工程師，2002年畢業于青島大學，研究方向：從事太陽能電池技術工作。

通訊作者：徐振華（1984-），男，工程師，主要從事電子信息工程教學與半導體材料研究。