晶矽電池組件光利用之大揭秘

2020-12-04 全國能源信息平臺

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北極星太陽能光伏網訊:近年來,在光伏產業鏈的成本下降路線圖中,高效組件技術被寄予厚望。半片、雙玻、多主柵、疊片、拼片等頗具革命性的高效技術層出不窮,尤其是2019年崛起的拼片技術,在MBB技術的基礎上對光伏組件的互聯材料和電池間距進行了大變革,在行業內掀起了各種討論浪潮。本文從另一個角度著手,主要探討如何優化晶矽電池組件中的間隙光利用,在組件高功率和高密度之間取得平衡。

「疊片和拼片有別於常規組件中利用電池間隙光的方式,拼命將電池間距壓縮甚至是疊合,來達到高密度高效率組件的目的。電池間的間距到底是該利用還是捨去,兩種技術方案有何優缺點?」

1、剖析各類組件結構對光的利用

根據電池間距和光利用方式的不同,可將組件分為:疊片、拼片、普通高透組件和間隙光利用組件技術,不同類型組件對電池間隙光的利用情況也不一樣。

①疊片組件技術:將電池片切片後,再用專用的導電膠把電池片連成串。並採用疊片的連接方式,直接消除片間距甚至達到了負片間距,充分利用了組件上有限的受光面積,提升組件效率。但由於其負片間距的特點,電池與電池拼接處無光利用,同時重疊部分的電池因此也無法利用。

圖1 疊片組件光照示意圖

②拼片組件技術:通過三角焊帶增加光利用和增加電池排布密度,達到組件效率最大化。它將組件的片距大幅縮小至0~0.5mm,減小片間距焊帶帶來的電阻,將由縮小片距而省出來的空間,多放置電池片,實現在最小的面積裡放置最多的電池片,達到組件效率最大化。但由於其電池零間隙的特點,電池與電池拼接處無光利用。

圖2 拼片組件光照示意圖

③普通高透組件技術:組件電池片的片間和串間有1~4mm的間隙空間,這些間隙佔光伏組件3-10%的面積,照射到這些間隙的光直接穿透組件,很難被吸收或利用。

圖3 普通高透組件光照示意圖

④間隙光利用組件:通過在光伏組件電池間距內設置漫反射結構,使照射到電池間距處的光二次反射到電池片上,充分利用了間隙光。該技術可通過使用白色高反背玻、白色背膠膜、反光膜等方式達到。

圖4 間隙光利用組件光照示意圖

綜上,疊片、拼片組件通過縮短電池片間距來增加電池排布密度,達到高密度高功率高效率組件,但是縮減了電池片間距也就拋棄了間隙光反射到電池片的光線,僅僅靠照射到電池片的光線發電,這就導致疊片、拼片的光線吸收率與普通高透組件的光線吸收率相當。而如果能將佔組件面積3%-10%的間隙處的光線充分利用起來,對於組件功率的提升非常大,間隙光利用組件相比普通高透組件、疊片、拼片組件的功率可以提升2~3%。

2、電池間距的變化對組件串阻的影響

晶矽太陽能電池經封裝後,組件的功率一般會小於所有電池片的功率之和。這個差值,就稱為組件封裝功率損失。如何降低功率損失,是優化組件製造工藝的重要內容。一般認為,組件功率損失主要與以下三點有關:電池串聯引起的電流失配、串聯電阻損耗和光學損耗。

同等條件下電池間距的變化對組件串阻有多大影響?我們設計實驗:使用相同電池,常規0.27x1.0mm普通焊帶(銅基材厚度0.22~0.23mm,電阻率在0.021mΩ·m)進行60版型組件測試,分別對比片間距為0/3/6/9/12mm對間距處電阻以及組件功率的影響,如下表1:

表1 不同片間距對應電阻值以及組件功率損耗

以上數據可以看出,0mm片間距與3mm片間距相比,組件內阻僅相差3.31mΩ,換算成功率僅增加0.17W。而拉大片間距所帶來的功率增益要比這大得多,而且工藝更加簡單,焊接破片率更低。

因此通過電池緊密排布所減小的電阻損耗其實可以基本忽略。

3.電池間距的大小和漫反光材料對光利用的變化

①高漫反射率材料

在已知間隙光能夠大大增加電池片光線利用率的情況下,增加間隙光的反射率就是我們當前要解決的問題。目前常見的用於間隙光利用的有塗於玻璃表面的白色高反材料,白色背板,以及白色膠膜。白色背板反射率在75%左右,白色高反塗料反射率大於80%,白色膠膜的反射率在85%左右,反光膜的反射率在90%左右。於是我們設計了如下實驗:

使用相同多晶電池,製作60版型組件,其中變量分別為普通高透、高反玻璃、白色EVA和間隙處張貼反光貼膜,片間距3mm與片間距5mm,下表2為不同反射率材料對組件功率的影響:

根據實驗數據:片間距為3mm時,使用白色高反可比普通高透組件功率提升2.51%,使用白色EVA的組件可比普通高透組件功率提升3.3%,間隙處張貼反光膜功率更優。間隙處張貼反光膜情況下,片間距從3mm增加到5mm,功率又可以增加0.76%。

表2 不同反射率材料對組件功率的影響

反光率越高的材料,功率增益越大。反光膜優於白色EVA,優於普通白色背板或白色高反玻,但是目前反光膜間隙處張貼工藝技術不穩定,易偏移,量產困難。現階段綜合評估:間隙處搭配白色EVA最優。

②間距

根據以上數據,我們也可以看到,在增加間距的情況下,同類型組件的功率也能夠繼續提升。於是我們設計實驗,驗證光線利用率最高的組件片間距。

實驗條件為:P型PERC電池5.32W電池片,白色EVA膠膜,製作60版型組件。實驗中的變量為電池片間距,實驗數據如下表3:

表3 不同片間距對組件功率的影響

對比可得出,片6比片3功率增加1.2W,片9比片6增加0.8W,增加相同片間距情況下,片6組件的功率提升更高,而片9組件的功率提升開始下降。

根據以上數據,片6相比片3的白色EVA組件,功率可提升0.5%左右,白色EVA組件相比普通高透組件提升3.3%左右。可以推斷,在電池片數量相同情況下,片6白色EVA組件相比0片距的拼片組件功率可提升3.8%。

4.優化晶矽電池組件的光利用

根據以上數據,我們可以看到:影響間隙光利用率的主要因素為電池間距的大小和漫反光材料,為了進一步驗證這兩者對組件效率和功率的影響,我們採用158.75mm的大單晶電池片進行72版型驗證。圖4和圖5為不同間隙光利用率組件的效率和功率的變化。

圖4 組件功率分布圖

圖5 組件效率分布圖

從上圖可以看出,高光利用組件不管是組件功率和組件效率都是表現最高的,從功率上看,當片間距越大,間隙處反射率越高時,組件功率也就越高。但這種功率增長速度會隨著片間距的提升而放緩。從組件效率上看,間隙光反射率越高的材料,組件效率也就越高,並且組件效率在片間距為2~4mm時達到最高。

結語:

拼片與疊片技術增加組件效率的同時,也增加了工藝難度,降低了合格率,增加了生產成本。而通過擴大片間距,提升間隙處的反射率,充分利用間隙處的光線等手段,不僅可以充分提升組件每一塊電池片的發電量,有效提升組件功率,還能相應地降低組件成本。並且只要能夠持續提升間隙處的反射率,就能使組件功率更高,成本壓得更低。

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