基于Griddler模擬的采用SWCT的TOPCon光伏組件的光電轉換效率與成本分析

劉宗濤，陳達明，徐冠超，王 堯，徐建美，項建軍，陳奕峰，沈 輝

(1.中山大學太陽能系統研究所，廣東省光伏技術重點實驗室，光電材料與技術國家重點實驗室，廣州 510006；2.天合光能股份有限公司，光伏科學與技術國家重點實驗室，常州 213031；3.江蘇省光伏科學與工程協同創新中心，常州 213164)

0 引言

太陽電池是一種把光能轉換成電能的裝置?；趎型硅片制備的TOPCon太陽電池被認為是最有可能取代PERC太陽電池的下一代技術，這主要是因為：1)PERC太陽電池的理論光電轉換效率為24%[1]，目前量產光電轉換效率已經超過23%，效率繼續提升的難度越來越大；2)空穴對雜質不敏感，少子為空穴的n型硅片的光生載流子壽命更高，更有利于制備高效太陽電池[2]；3)TOPCon太陽電池的生產只需增加低壓力化學氣相沉積(LPCVD)設備，易于現有產線升級。

目前，n型TOPCon太陽電池的量產光電轉換效率已經超過24%[3]。盡管n型TOPCon太陽電池的光電轉換效率優于PERC太陽電池的，但PERC太陽電池在成本上仍具有優勢；由于TOPCon太陽電池中硅片和銀漿的成本約占其成本的75%[4]，因此，薄片化和降低銀漿耗量是此類TOPCon太陽電池成本進一步下降的關鍵。

梅耶博格(Meyer Burger)公司開發的SmartWire互連技術(SmartWire connection technology，SWCT)[5]可以避免太陽電池使用主柵，有效降低了銀漿耗量，且由于不使用主柵所以不存在焊帶與主柵的焊接過程；SWCT是通過將具有低溫涂層的焊帶黏粘在膠膜上形成導電膠膜[6]，利用導電膠膜的粘性將太陽電池連接成串，導電膠膜下方的焊帶與細柵直接接觸，最后在層壓過程中完成焊帶與細柵之間的電連接及光伏組件的制備。采用SWCT避免了有主柵的薄片硅片在焊接過程中的翹曲問題，大幅降低了TOPCon太陽電池的制造成本，但最終成品光伏組件的光電轉換效率和成本相對于常規TOPCon光伏組件是否具有優勢尚未有研究。采用SWCT的TOPCon光伏組件(下文簡稱“SWCT光伏組件”)與常規TOPCon光伏組件(下文簡稱“常規光伏組件”)的制備流程圖如圖1所示。

SWCT光伏組件與常規光伏組件在制備過程中均采用未金屬化太陽電池，但SWCT光伏組件的電池只需要印刷細柵，無需主柵，因此焊帶數目沒有限制，而對于常規光伏組件而言，由于焊帶需要焊接到主柵上，因此其焊帶數目等于其主柵數目；雖然這2種光伏組件的連接技術不同，但都會形成電池串，因此對于SWCT光伏組件和常規光伏組件的光電轉換效率對比可通過對比圖1中第4步的電池串的光電轉換效率得出，而電池串是以連接了焊帶的單片電池為基本單元，因此這2種光伏組件的光電效率可通過對比連接了焊帶的單片太陽電池，即單個電池單元進行，單個電池單元的光電轉換效率與焊帶的數目和直徑、細柵的高度和寬度有關。

圖1 SWCT光伏組件與常規光伏組件的制備流程Fig.1 Preparation process of PV module using SWCT and conventional PV module

光伏組件的成本主要包括太陽電池的成本與制備組件時各種耗材的成本，本文主要考慮SWCT光伏組件和常規光伏組件制備過程中的對比成本，即相對成本，因此只需要考慮不同項，這2種光伏組件制備過程中的不同項包括銀漿成本、焊帶成本、附加膠膜成本、EVA成本，以及光電轉換效率增益折合的成本。對于光伏組件相對成本的計算，以單個組件單元進行，即以組件內單片電池為基礎，結合上述不同項并考慮組件內電池在橫向和縱向的設計間距后得到用于計算相對成本的單個組件單元。若相對成本為正值，則表明此種情況下SWCT光伏組件單個組件單元(下文簡稱“單個SWCT組件單元”)的成本大于常規光伏組件單個組件單元(下文簡稱“單個常規組件單元”)的成本；若相對成本為負值，則表明此種情況下單個SWCT組件單元的成本小于單個常規組件單元的成本。將單個組件單元的相對成本乘以電池數目即可得到這2種組件的相對成本。

因此，本文利用Griddler軟件，基于TOPCon太陽電池，建立了應用SWCT的TOPCon太陽電池等效模型(下文簡稱“SWCT等效模型”)，通過模擬的方法對SWCT光伏組件與常規光伏組件的光電轉換效率和成本進行了對比。

1 實驗

SWCT的關鍵主要在于細柵、焊帶與光電轉換效率之間的關系，其中細柵涉及到細柵高度和寬度，焊帶涉及到焊帶數目和焊帶直徑，這些參數影響到光生電流的產生、傳輸和損耗，不涉及電池內部的缺陷和復合；Griddler可通過有限元的方法[7]，將太陽電池劃分為許多個節點，在每個節點處采用雙二極管模型模擬太陽電池，同樣不用考慮電池內部的缺陷與光生載流子的復合，而且Griddler還可以對主柵與焊帶的數量等數據進行設置，因此采用Griddle模擬采用SWCT的太陽電池的性能較為合適。

1.1 模擬參數的設置

如前文所述，由于SWCT光伏組件與常規光伏組件的光電轉換率是以單個電池單元進行分析的，現對采用SWCT的電池單元(下文簡稱“SWCT電池單元”)和常規電池單元的模擬參數進行設置。SWCT電池單元的焊帶數目和直徑不受限制；而常規電池單元是應用焊接技術的電池，電池的細柵結構是目前量產時采用的結構，其主柵數目為9根(9BB)，對應9條焊帶，焊帶直徑為320 μm。2種電池單元的模擬參數設置如表1所示。

焊帶為具有表面涂層的銅線，截面為圓形，圓形焊帶的透光因子為25%[5]。由于在Griddler中焊帶截面默認為矩形，因此需要將圓形焊帶轉化為矩形焊帶，同時需要考慮透光因子的影響，得到矩陣焊帶時的有效高度和有效寬度，然后根據有效高度計算得到有效方阻，焊帶直徑、透光因子與各有效值之間的關系如表2所示。

表1 2種電池單元的模擬參數設置Table 1 Simulation parameters setting of two kinds of solar cell unit

表2 焊帶的直徑、透光因子與各有效值之間的關系Table 2 Relationship between diameter, transmittance factor and each effective value of ribbon

1.2 SWCT等效模型

在Griddler中，不設置焊帶的參數時，探針(Probe points)的設置可以理解為測試時的探針點數；設置焊帶的參數時，Probe points的設置可以理解為焊帶與主柵的焊點數。在利用Griddler模擬太陽電池的電流傳輸過程時，通常電流是先由細柵傳輸至主柵，再傳輸至Probe points；隨著Probe points數目的增多，電流在主柵上的傳輸距離逐漸縮短，傳輸電流也隨之減小，因此電阻的損耗也會逐漸減小，即Probe points的數目決定了電流在主柵上的傳輸距離。

由于在Griddler中必須對主柵的數量進行設置，且主柵的數目決定了焊帶的數目，因此不能取消主柵設置這一項而直接進行焊帶設置。從表1可知，常規電池單元的主柵方阻已設置為3 mΩ/□，但若將主柵方阻設置為無窮大，則此時主柵相當于斷路，這種情況下將無電流通過。因此主柵的方阻大小決定了電流在主柵上傳輸的難易程度。

將Probe points的數目設置為無窮大時，為保證每條細柵(Finger)上都具有1個Probe point，需將主柵的方阻數值設置為無窮大，那么電流將不會在主柵上傳輸，而是直接由細柵通過Probe point傳輸至焊帶，此時的狀態即為SWCT等效模型。Griddler中的SWCT等效模型如圖2所示。

圖2 Griddler中建立的 SWCT等效模型Fig.2 SWCT equivalent model established in Griddler

針對在Griddler中建立的SWCT等效模型，現代入具體數值進行該模型的可靠性驗證。

考慮到常規電池單元具有12個pad點，因此將常規電池單元的Probe points設置為12，通過調整常規電池單元的參數設置，得到不同設置條件下電池單元的J-V曲線及光電轉換效率情況，具體如圖3所示。由圖3a可知，在9BB、Probe points數目為12、無焊帶的條件下，電池單元的光電轉換效率(Eff)為23.53%；由圖3b可知，在同樣條件下，當引入焊帶后電池單元的光電轉換效率為22.28%，焊帶的引入使電池的光電轉換效率絕對值損失了約1%。但如圖3c、3d所示，無論是否引入焊帶，電池單元的光電轉換效率都會隨Probe points數目的增加而迅速增加，當Probe points數目達到一定程度后光電轉換效率的增加逐漸趨于平緩，最后達到飽和狀態；無焊帶和有焊帶情況下，當Probe points數目增至100時，電池單元的光電轉換效率極限值分別為23.71%和22.45%，這說明隨著Probe points數目的增多，主柵上電流的損耗降低。因此將Probe points設置為一定數目，主柵上的電流損耗可以忽略不計。綜上，將Probe points數目設置為Griddler中其可以設置的最大值800用于SWCT的模擬，同時將22.45%作為SWCT電池單元的光電轉換效率。

在9BB、Probe points數目為12的條件下，將常規電池單元的主柵方阻從原來的3 mΩ/□設置為1500 mΩ/□時，有、無焊帶時電池單元的J-V曲線及最大功率點(MPP)處的電流寬度分布情況如圖4所示。由圖4a可知，無論有、無焊帶，電池單元的性能都受到了嚴重影響，并由此可模擬得到有、無焊帶時電池單元對應的填充因子為分別為46.87%和49.41%。通過查看最大功率點處的電流密度分布情況，如圖4b、4c所示，Probe points均勻分布于每條主柵上，主柵沿著水平方向分布，其顏色越亮代表電流密度越高；從圖中可以看到，臨近Probe points的細柵的附近的電流密度明顯高于遠離Probe points時的，而此時2個Probe points之間的電流將幾乎無法有效傳輸至Probe points，這說明在該主柵方阻下，電流在主柵上的傳輸受到了嚴重阻礙。

圖4 當9BB、Probe points數目為12、主柵方阻設為1500 mΩ/□時，有、無焊帶的情況下電池單元的J-V曲線及MPP處的電流密度分布情況Fig.4 When 9BB、Probe points equal to 12、busbar sheet resistance is set to 1500 mΩ/□， J-V curve and current density distribution of solar cell unit with or without ribbon

在9BB、主柵方阻為1500 mΩ/□、Probe points數目由原來的12增加至800的條件下，有、無焊帶時電池單元的J-V曲線及MPP處的電流分布密度如圖5所示。

從圖5a可以看到，相較于圖4a，電池單元的性能得到了恢復，此種條件下有、無焊帶時電池單元的光電轉換效率分別為22.45%、23.71%，這與9BB、主柵方阻為3 mΩ/□、Probe points數目為100時有、無焊帶條件下的極限光電轉換效率一致。圖5b、5c顯示了電池單元MPP處的電流密度分布情況，與圖4b、4c相比，Probe points數目為800時可以收集到每條細柵的電流，可以完全避免前文描述的主柵方阻為1500 mΩ/□時的影響，可以認為電流都是從細柵直接傳輸至焊帶的，可等效于采用SWCT時無主柵的情況。因此，將Probe points數目設為800、主柵方阻設為1500 mΩ/□、有焊帶時的電池單元模型為SWCT等效模型。

圖5 在9BB、主柵電阻為1500 mΩ/□、Probe points數目為800的條件下，有、無焊帶時電池單元的J-V曲線及MPP處的電流密度分布Fig.5 When 9BB、busbar sheet resistance is equal to 1500 mΩ/□ and Probe points number is equal to 800，J-V curve and current density distribution of solar cell with or without ribbon

1.3 成本計算依據

如前文所述，本文以2種組件單個組件單元的相對成本作為成本衡量的依據。當相對成本為正值代表單個SWCT組件單元的成本高于單個常規組件單元的成本，相對成本為負值代表單個SWCT組件單元的成本低于單個常規組件單元的成本。

本實驗的成本是根據現階段耗材的價格得到的。1)銀漿的成本按照7000元/kg計算。2)焊帶的成本需要根據焊帶數目與焊帶直徑進行計算，焊帶直徑與焊帶體積單價及焊帶重量單價之間的關系如圖6所示。3)EVA的成本隨著焊帶直徑的變化而變化，焊帶直徑與EVA單價及EVA相對成本之間的關系如圖7所示。4)附加膠膜的成本也隨著焊帶直徑的變化而變化，圖8為焊帶直徑與附加膠膜單價及附加膠膜相對成本之間的關系。由于單個SWCT組件單元比單個常規組件單元多了附和膠膜這一項，因此附加膠膜的相對成本全部為正值，即為單個SWCT組件單元增加的成本。

圖6 焊帶直徑與焊帶體積單價及焊帶重量單價之間的關系Fig.6 Relationship between diameter of ribbon and unit price of ribbon volume and unit price of ribbon weight

圖7 焊帶直徑與EVA單價及EVA相對成本之間的關系Fig.7 Relationship between diameter of ribbon and unit price of EVA and relative cost of EVA

圖8 焊帶直徑與附加膠膜單價及附加膠膜相對成本之間的關系Fig.8 Relationship between diameter of ribbon and unit price of additional film and relative cost of additional film prices

2 結果與討論

2.1 焊帶數目、直徑與光電轉換效率及相對成本的關系

按照上文得到的SWCT等效模型的參數進行相應設置后，模擬了單個SWCT電池單元的光電轉換效率與焊帶直徑和數目之間的關系，如圖9所示。單個常規電池單元的光電轉換效率為22.45%，圖9中22.45%對應曲線以上部分的數值是高于單個常規電池單元的光電轉換效率，以下部分是低于單個常規電池單元的光電轉換效率。

圖9 電池光電轉換效率與焊帶數目和焊帶直徑之間的關系Fig.9 Relationship between photoelectric conversion efficiency of solar cell and number and diameter of ribbon

單個SWCT組件單元在不同焊帶數目和焊帶直徑時的相對成本情況如圖10所示。對比圖9和圖10可以看到，相對成本與焊帶直徑和焊帶數目的關系同光電轉換效率與焊帶直徑和焊帶數目的關系正好相反。這意味著選取的光電轉換效率越高，相對于單個常規組件單元而言單個SWCT組件單元增加的成本越多，與降低成本的初衷相悖，因此選取比常規電池單元光電轉換效率高0.1%的22.55%作為SWCT電池單元的優選光電轉換效率。

圖10 單個SWCT組件單元在不同焊帶數目和焊帶直徑時的相對成本情況Fig.10 Relative cost of a single SWCT PV module unit with different numbers and diameters of ribbon

當光電轉換效率取22.55%時，可以選擇的焊帶設置條件較多，光電轉換效率曲線與相對成本零線所構成的區域如圖11中的紅線所示，藍色線的交點是光電轉換效率為22.55%時相對成本最低時的臨界點，該點所對應的數目為最低相對成本時的焊帶數目(24根)，超過這個焊帶數目，單個SWCT組件單元的成本將隨著焊帶數目的增多而增加。

圖11 22.55 %的光電轉換效率曲線及其對應的相對成本曲線Fig.11 22.55% photoelectric conversion efficiency curve and corresponding relative cost curve

在低于相對成本零線的情況下，可以選擇的焊帶數目在15～24條之間，對應的相對成本的邊界值分別為0元/片和-0.08元/片。由于18條焊帶的數目處于中間，既可以降低工藝難度，又可以減少焊帶間細柵的間距；因此選擇18條焊帶作為優選條件；另外，焊帶數目為18條時對應的焊帶直徑為260 μm，對應的光電轉換效率為22.55%，對應的相對成本為-0.07元/片。即在比單個常規電池單元光電轉換效率高0.10%的基礎上，單個SWCT組件單元可以節約0.07元/片的成本。

2.2 細柵高度、寬度與光電轉換效率及相對成本的關系

根據上述的模擬結果，SWCT等效模型的優選條件是18條焊帶、焊帶直徑為260 μm。由于單個SWCT電池單元的焊帶數是單個常規電池單元的2倍，電流在細柵上的傳輸距離也相應縮短一半，因此，細柵上的方阻損耗更小，這有利于繼續降低細柵的寬度和高度?；诖?，本文對單個SWCT電池單元的細柵高度和寬度的變化進行了模擬，考慮到降低電池前表面細柵寬度可以降低光遮擋比例，提高光生電流，而背面細柵寬度的降低必然導致光電轉換效率的下降，因此此處只優化前表面的細柵。

需要注意的是，細柵透光因子對細柵高度和寬度變化時的模擬結果影響較大，由于細柵寬度是作為變量討論，因此此處采用更接近光伏組件中細柵真實透光因子的數值，取30%；在18條直徑為260 μm的焊帶情況下，透光因子為30%時單個SWCT電池單元對應的光電轉換效率為22.46 %，然后在此光電轉換效率的基礎上進行柵線高度與寬度變化的影響分析。

細柵高寬和寬度變化對光電轉換效率和銀漿相對成本的影響如圖12所示。

由圖12a可知，在垂直方向上，隨著細柵寬度逐漸降低，光電轉換效率先增加后降低。這是因為隨著細柵寬度降低，光生電流增加，因此光電轉換效率提升；但當細柵寬度降至一定程度后再繼續減小，會出現電阻增加、光電轉換效率下降的情況；而當細柵寬度與光電轉換效率達到平衡時，則會出現光電轉換效率極值。在平行方向上，當細柵寬度一定時，隨著細柵高度逐漸增加，細柵電阻減小，光電轉換效率會一直增加，因此在橫坐標方向上沒有極值，且光電轉換效率會隨著細柵高度的增加而增加。

由圖12b可知，隨著細柵高度和寬度的降低，銀漿相對成本的絕對值越來越大，說明銀漿用量越來越少，銀漿成本越來越低。隨著細柵寬度的降低，對應圖12a中光電轉換效率先增加后減小的趨勢，在銀漿相對成本降低與光電轉換效率減小引起的變相增加成本之間存在平衡關系，當兩者相抵時會出現極值，即細柵因素主導下的成本最優條件，此時對于單個SWCT組件單元而言，其銀漿成本最高可以節約0.34元/片。

圖12 光電轉換效率與銀漿相對成本隨著細柵高度和細柵寬度變化的模擬結果Fig.12 Simulation results of photoelectric conversion efficiency and silver paste relative cost height and width of finger changing

圖12 c中考慮了目前絲網印刷技術所能實現的細柵印刷條件，即細柵寬度為30 μm、高度為7 μm，此時對應的單個SWCT電池單元的光電轉換效率為22.53%，比單個常規電池單元光電轉換效率為22.46%時高0.07%，單個SWCT組件單元的成本節約0.21元/片。根據ITRPV2019對于2020年的預測，未來細柵寬度將降至20 μm，因此選取20 μm寬度作為終極目標，考慮到絲網印刷的高寬比，選取5 μm的高度與之匹配，此時單個SWCT電池單元對應的光電轉換效率為22.55%，比單個常規電池單元光電轉換效率為22.46%時高0.09%，單個SWCT電池單元成本節約0.33元/片。同時，選取細柵寬度為25 μm、高度為6 μm作為過渡條件，其單個SWCT電池單元對應的光電轉換效率為22.56%，單個SWCT組件單元成本節約0.28元/片。

3 結論

本文利用Griddler對采用SWCT的TOPCon光伏組件的光電轉換效率與成本進行了分析，通過對Griddler的參數進行設置，建立了SWCT等效模型，并基于此模型研究了焊帶數目與焊帶直徑對光電轉換效率的影響。研究發現，在焊帶目數超過9條的情況下，焊帶數目越少、焊帶直徑越大，采用SWCT的TOPCon太陽電池的光電轉換效率越高，且其對應的成本也越高。在光電轉換效率與成本的共同作用下，以18條直徑為260 μm的焊帶作為SWCT光伏組件的優選條件，其對應的光電轉換效率比常規光伏組件的光電轉換效率高0.10%，比常規光伏組件中單片電池的成本節約0.07元/片；在此優選條件下，通過優化SWCT太陽電池前表面細柵的高度和寬度，比常規光伏組件中單片電池的成本最高可節約0.33元/片，光電轉換效率提升范圍為0.05%～0.10%?？梢灶A見，針對采用SWCT的TOPCon太陽電池背面細柵進行優化也可以大幅降低銀漿用量，從而降低成本，然后通過細柵數目的優化，預計未來采用SWCT的TOPCon光伏組件在保證其光電轉換效率增益的條件下，可以使其組件內部單片電池成本降低0.50～0.60元/片。