多晶黑硅太阳能组件性能的优化

杨晓君　徐振华　陈冲　韩玉杰　任现坤

摘      要：研究了组件封装材料对黑硅组件输出性能的影响。以P 型多晶黑硅电池片为原材料，通过常规晶硅组件制作工艺，分别对比了不同钢化玻璃透过率、EVA截止波长以及互联条的厚度对黑硅组件输出功率的影响。结果表明：通过增加钢化玻璃和EVA的透过率、增加互联条的厚度、减少组件的串联电阻等技术方案的应用，分别实现了黑硅组件输出功率2.17、1.38、0.45 W的提升。

关  键  词：封装材料;黑硅;透过率;串联电阻;输出功率

中图分类号：TM914.4        文献标识码： A       文章编号：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

隨着人类社会的持续进步，能源匮乏和生态环境问题已经成为人们所面临的两大难题^[1-3]。在化石能源日益枯竭的大背景下，作为绿色和可再生能源的太阳能受到了世界各国的广泛关注。太阳能电池发电的原理是半导体的光电效应，主要是利用光电材料受光照射后发生光电效应，实现能量转换。硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。当太阳光照射到晶体硅太阳能电池上时，电池吸收光能产生“光生电压”，即电池两端出现异号电荷的积累，形成“光生伏特效应”。

在太阳能发电领域，主要以晶体硅太阳能电池为主。晶体硅太阳能电池按照制备工艺可以分为单晶硅和多晶硅两种电池结构^[4]。在过去的5-10年，多晶硅由于具有制造工艺简单，能耗低的优势，得到巨大发展。随着光伏技术的不断发展，尤其是PERC （Passivated Emitter and Rear Cell）技术的日益成熟，使得单晶和多晶在单瓦成本的差距逐渐缩小。而在电站端，使用单晶高功率组件可以减少支架、汇流箱、电缆等成本，从而摊薄单瓦系统成本，使得单晶电池具有更大的优势。因此，在2019年单晶硅得到了巨大的发展。

在当前形势下，多晶硅电池产业如何保证可持续性健康的发展主要取决于以下两个方面，一是要不断地提升转化效率，二是降低成本。光伏产业过去数十年的发展中，降本增效一直是整个产业链的核心，如今降本已经进入了瓶颈期。在多晶硅电池提效方面，黑硅技术的应用使得多晶电池转化效率取得巨大提升。与传统多晶电池相比，黑硅电池具有较优的表面陷光结构^[5-8]。因此，黑硅电池的效率增加主要来自短路电流的提升^[9-10]，如何把黑硅电池短流电流的提升更多地转换到黑硅组件功率的增加上，成为本文的主要研究内容。

晶体硅太阳能电池可利用的光谱响应波长范围为300～1 200 nm^[11]，也就是说硅太阳能电池可以在这个波段范围吸收太阳光转化为电能。太阳能组件的结构从上至下严格按照钢化玻璃、EVA（Ethylene- Vinyl Acetate Copolymer）、电池片、EVA、背板的顺序排列，如图1所示。因此，对太阳能组件来说，太阳光到达电池表面前要先穿过钢化玻璃和EVA，在这个过程中，太阳光要受到空气和钢化玻璃、钢化玻璃和EVA等多个界面的反射和折射的作用;另外，钢化玻璃和EVA等材料对太阳光存在吸收的不利影响。所以，太阳光到达太阳能电池表面之前产生了一定反射和被吸收的损失，也就是说封装材料的表面结构和透过率对组件输出功率的大小存在较大的影响^[12]。太阳能组件的封装损失除了光学损失外，还存在一定的电学损失，其电学损失主要包括以下两部分：一是组件本身的串联电阻导致的功率损失;二是组件用不同电池片间存在电流差异，电池片串联时引起的电流不匹配损失^[13]。组件的串联电阻主要包括电池片、互联条、汇流条和接线盒的电阻以及它们之间的相互接触时的接触电阻。鉴于此，本文通过优化黑硅太阳能组件的封装材料，分析了多晶黑硅组件功率提升的方法。

1  实验部分

本实验选用的P型多晶电池片尺寸为157 mm×157 mm，转化效率为19.0%，共3 600片，实验共分6组，每组600片，按照图2所示的组件版型设计进行封装，每组10板，每板60片电池片。所有实验组和对比组均在同一时间段按照相同的组件生产工艺产出;每组实验组件封装材料如表1所示，除了表1中所示材料外的其他封装材料各组均保持一致。

2  结果与讨论

2.1  玻璃透过率对黑硅组件封装功率的影响

图3给出了按照实验组一和对比组一两组实验材料封装后的太阳能组件封装功率的对比图。从图中可以看出，实验组一较对比组一的组件输出功率明显提升，功率增幅达到2.17 W（ΔP_mpp = 2.17 W）。这是由于封装组件常用的超白钢化玻璃的透过率基本上在91.5%上下，而镀膜玻璃由于在超白钢化玻璃的基础上增加了一层纳米级的减反射氧化硅膜，其透过率达到了94%^[14]。图4给出了普通超白钢化玻璃与镀膜玻璃的透过率对比图。玻璃的透过率直接影响到达太阳能组件上的光的多少，从而影响组件的光电流，降低了组件的输出功率。玻璃的透过率较低时，对于电流相对较高的黑硅电池来说，封装损耗被扩大。所以，提高玻璃的透过率对黑硅组件的输出功率的提升有明显作用。

2.2  EVA截止波长对黑硅組件封装功率的影响

图5给出了按照实验组二和对比组二两组实验材料封装后的太阳能组件封装功率的对比图。从图中可以看出，实验组二较对比组二的组件输出功率提升了1.38 W，ΔP_mpp = 1.38 W。这是由于两组实验用封装组件封装材料EVA分别为F406ps和F806ps，两种EVA封装胶膜由于工艺材料的差异（不同的紫外线吸收剂添加量），导致了EVA对太阳光紫外线的吸收程度不一样，从而影响了太阳能组件在太阳光紫外波段的吸收。图6给出了镀膜玻璃和F406ps、镀膜玻璃和F806ps的透过率对比图。可以看出，F806ps在波长400 nm时透过率开始降低，而F406ps出现降低的波长在300 nm左右。所以，F406ps能够提升太阳能组件对300～400 nm波段的吸收，从而提升输出功率。图7给出了多晶黑硅与多晶常规电池反射率的对比图，可以看出多晶黑硅电池在太阳光波长300～500 nm时，吸收特性明显高于多晶常规电池，也就是说多晶黑硅电池短路电流的提升主要来自对该部分波段太阳光的吸收。显而易见，黑硅组件封装时采用F406ps可以降低光学损失，提升组件输出功率。

2.3  互联条厚度对黑硅组件封装功率的影响

表2给出了按照实验组三和对比组三两组实验材料封装后的太阳能组件封装电性能的对比数据。从表中可以看出，实验组三较对比组三的组件串阻降低0.05 Ω，组件输出功率提升了0.45 W，ΔP_mpp = 0.45 W。这是由于互联条的高度增加降低了互联条的电阻，在太阳能组件串联封装后减小了串阻，从而减少了因组件串联电阻引起的热损耗，提升了组件输出功率。所以，增加互联条的厚度对黑硅组件功率的提升具有很大的贡献。

3  结 论

1）在太阳光的吸收方面，采用镀膜玻璃增加了多晶黑硅组件在整个吸收波段的透过率，黑硅组件功率提升2.17 W;采用在紫外波段透过率较优的EVA（F406ps），增加了多晶黑硅组件在300～400 nm波段的太阳光吸收，使黑硅组件输出功率提升了1.38 W。

2）在电学损耗方面，通过增加互联条的高度减小组件的串联电阻的方案，降低了黑硅组件的热损耗，组件功率提升了0.45 W。

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基金项目：山东省2019年度新旧动能转换重大工程重大课题攻关项目计划（高效钝化接触太阳能电池片的技术研发）。

收稿日期：2020-03-18

作者简介：杨晓君（1979-），男，工程师，2002年毕业于青岛大学，研究方向：从事太阳能电池技术工作。

通讯作者：徐振华（1984-），男，工程师，主要从事电子信息工程教学与半导体材料研究。