優(yōu)化背接觸式光伏電池

1、 本文由davendeng貢獻 doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 電池/模塊設計的新方法 優(yōu)化背接觸式 PV 電池 模塊設計的新方法 摘要:本文介紹了一種用于優(yōu)化背接觸 c-Si 太陽能電池和模塊設計的新方法， 該方法業(yè)已 摘要 展現(xiàn)了性能上的優(yōu)勢，而且還將能夠更加容易地針對未來的要求，更大和更薄的電池、更容 易地實現(xiàn)生產(chǎn)工具產(chǎn)能的擴大等進行調(diào)整。 本文介紹了一種用于優(yōu)化背接觸 c-Si 太陽能電池和模塊設計的新方法，該方 法業(yè)已展現(xiàn)了性能上的優(yōu)勢，而且還將能夠更加容易地針對未來的要求，更大和 更薄的電池、更容易地實現(xiàn)生產(chǎn)工具產(chǎn)能的擴大等進行

2、調(diào)整。 晶體硅（c-Si）太陽能電池和模塊是光伏（PV）產(chǎn)業(yè)的基礎，說它是推進 PV 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動力也未嘗不可。從直覺上判斷，也許晶體硅并不是預期的適合于光 伏能量轉(zhuǎn)換的理想材料。它具有一個間接帶隙，這意味著它的光吸收能力相對較 弱，因而需要采用厚（現(xiàn)今通常140m）基板來實現(xiàn)上佳的效率水平。由于 此類基板的成本較高，因此促使人們大規(guī)模開展面向 PV 的薄膜半導體和其他材 料系統(tǒng)的研發(fā)活動。 然而，由于晶體硅也許是目前最為人所了解的 PV 工藝材料了，可以從電子 行業(yè)借鑒大量的技術成果，從而導致 c-Si 作為一種 PV 材料的領先地位和獨特優(yōu) 勢。結(jié)果是：晶體生成法被業(yè)界所廣泛接受，而且摻雜

3、物、雜質(zhì)、晶體缺陷、吸 氣和鈍化的作用和影響也都比較為世人所熟悉。同樣，有關硅加工的知識和信息 也非常豐富。例如：用于摻雜、退火、化學和物理汽相淀積、蝕刻、圖形化和接 觸等眾多生產(chǎn)工藝已可使用并日臻完善，包括形成了一個龐大的供應商群體。此 外，晶體硅 PV 產(chǎn)品還憑借其可靠性和耐用性以及出眾的能量轉(zhuǎn)換效率而贏得了 極佳的口碑。 此外，晶體硅 PV 在連續(xù)降低成本方面創(chuàng)造了記錄，而且，憑借其較高的效 率，它將在這個規(guī)模龐大且技術多樣化的產(chǎn)業(yè)中保持自身在市場上的強勢地位。 在 2007 年銷售的 PV 產(chǎn)品當中， 大約 89%采用的都是晶體硅材料。 正如本文下面 重點闡述的那樣，由于能夠分享電子行

4、業(yè)的大量技術成果，因而為運用晶體硅來 實現(xiàn)新穎的太陽能技術改進提供了新一輪的發(fā)展良機。 傳統(tǒng)設計與基于技術架構(gòu)的設計的比較 當今的大多數(shù) cSi 產(chǎn)品采用的是一種傳統(tǒng)設計，30 年前首度開發(fā) cSi PV 電池 和模塊的工程師們對于這種設計是很熟悉的。在本文中，“傳統(tǒng)”指的是在前表 面、絲網(wǎng)印刷的 Ag 網(wǎng)格上具有一個 n 型擴散區(qū)，并在后表面上具有一個鋁合金 背面電場和觸點的獨立、p 型硅晶圓片。前網(wǎng)格（front grid）具有一個眾所周知 的性能折衷，即需要在“減小串聯(lián)電阻”和“降低光遮蔽損耗”兩者之間進行權 衡?？偲饋碚f，前網(wǎng)格的光學損耗和阻性損耗8%。 有一點也許不太為人所了解， 那

5、就是存在于前表面和后表面上的觸點會對模 塊工藝產(chǎn)生影響，導致性能和成本指標均有所下降。傳統(tǒng)的太陽能電池“串”利 用焊接加工來實現(xiàn)“電串聯(lián)”，并使用特殊工具（串接機）與 Cu 排線串接起來。 1 然而，這種帶狀線的截面積是有限度的較粗的線過于堅硬，而細、寬的帶狀 線將遮蔽過多的光。最終結(jié)果是：互連線電阻損耗有可能導致性能再下降 4%。 串焊工藝（stringing process）本身在幾何結(jié)構(gòu)上是“非平面”的，難以實現(xiàn)自動 化，因而限制了每個工具的生產(chǎn)率。另外，該工藝也很難和薄型電池一起使用， 原因是最后制成的電池串聯(lián)線很脆，極易損壞。 盡管傳統(tǒng) c-Si PV 技術在性能和成本方面將進一步改

6、進，但為了獲得實質(zhì)性 的改善，它將需要對電池和模塊的基本架構(gòu)做出改變。產(chǎn)品的更新?lián)Q代免不了采 用精細復雜的技術，且常常涉及到技術架構(gòu)，元件、標準和接口均借助技術架構(gòu) 來協(xié)調(diào)，以實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。 背接觸電池（Back-contact cell）運用了一種新型晶體硅光伏架構(gòu)，該架構(gòu)在 電池、模塊、甚至系統(tǒng)級上都提供了優(yōu)勢。而且，第一代 c-Si PV 技術利用的是 電子行業(yè)的半導體加工能力， 而下一代的 c-Si 技術則將利用來自電子封裝領域的 相關原理和工藝。 電池/模塊設計的架構(gòu)法 電池 模塊設計的架構(gòu)法 架構(gòu)法可同時解決電池和模塊設計中的性能、可制造性和可擴縮性問題。這 里的“可擴縮性”

7、指的是調(diào)整基板（大小或厚度）、模塊尺寸和功能以及制造規(guī) 模（每個工具的生產(chǎn)率）的能力。最終的結(jié)果是：新型架構(gòu)應能夠更加容易地滿 足未來市場的要求。 電子封裝行業(yè)提供了一種能夠更加容易地針對性能和成本來做相應調(diào)整的 架構(gòu)實例。最初的做法是將細導線焊接至半導體裸片上。這種工藝是連續(xù)的，且 面向低效率的芯片設計， 因為必需將所有的外部連接線都排布至半導體裸片的邊 緣。倒裝片技術將鍵合點分布在整個半導體裸片上。這些鍵合點被涂覆了一種焊 料，然后通過一個匹配電路把裸片排列成行，這樣裸片在再流焊中將在所有的鍵 合點上同時實現(xiàn)電連接。 通過改變半導體裸片的基礎幾何結(jié)構(gòu)以更好地與最終產(chǎn) 品（封裝電子元件）相匹

8、配，倒裝片工藝提供了性能、成本和尺寸擴縮方面的優(yōu) 勢。 傳統(tǒng)太陽能電池的性能和制造局限性源自其采用的前面網(wǎng)格幾何結(jié)構(gòu)。 背接 觸電池提供了一種旨在優(yōu)化電池和模塊設計的全新方法。 背接觸電池的互連線不 再受光學損耗的約束。因此，可以使用寬而細的互連線，從而最大限度地減小了 電阻和硬度（應力）?，F(xiàn)在，負極性觸點和正極性觸點位于同一個表面上，所以 如今的裝配工藝其幾何結(jié)構(gòu)更具平面性，能夠采用速度更快的“拾取-擺放”型 工具。 平面幾何結(jié)構(gòu)還將能夠更好地與薄型電池相兼容， 且便于縮小模塊內(nèi)部各電 池之間的間隔。共平面觸點也為實現(xiàn)一種全新的裝配工藝創(chuàng)造了條件，在該工藝 中，太陽能電池的互連在層壓工序中進

9、行。這種工藝需要一個具電路的模塊太陽 能電池背膜和一種在層壓操作過程中進行鍵合的電連接材料（圖 1）。事實上， 串焊工序和工具如今已被連續(xù)滾壓工藝（用于制作帶電子電路的太陽能電池背 2 膜）所取代。由于該工藝將灌封和電子裝配整合成單步工序，因此被稱為單片式 模塊裝配（monolithic module assembly，MMA）。 Advent Solar 公司推出了一種被稱為“Ventura Technology”的集成背接觸電 池和模塊架構(gòu)。它把采用 emitter-wrap-through（簡稱 EWT）的背接觸電池技術 與一種高度自動化的平面制造工藝（MMA）組合起來。EWT 電池是一

10、種特別有 利于采用太陽能級硅基板的背接觸太陽能電池。 在與 MMA 進行架構(gòu)集成的過程中，對 EWT 電池所做的最重要的添加就是 分布式接觸點（圖 2）。這些分布式觸點減小了太陽能電池中的電阻，并將昂貴 太陽能電池鍍金屬（Ag）的使用量以及由此產(chǎn)生的應力減小到最低限度。這種電 池/模塊設計是采用架構(gòu)集成所產(chǎn)生的結(jié)果類型一例快速地把電流從昂貴的 太陽能電池鍍金屬轉(zhuǎn)移至太陽能電池背膜電路中較便宜的金屬將最大限度地降 低成本，同時實現(xiàn)性能的最大化。利用這種新型幾何結(jié)構(gòu)生產(chǎn)出來的早期電池獲 得了超過 17%的效率。更加重要的是，EWT 與 MMA 的架構(gòu)集成保持了成品模塊 中更多的電池功率。灌封損耗指

11、的是模塊功率與電池功率之比。對于那些采用傳 統(tǒng)電池的模塊而言，該損耗項通常約為 4%5%。運用這種新技術的早期生產(chǎn)模 塊其灌封損耗不到上述數(shù)值的 1/2；各種生產(chǎn)和性能優(yōu)勢列于表 1 中。 3 基于科學的可靠性方法 MMA 工藝涉及一種新的裝配方法，該方法使用了一種新型電接觸材料 導電型膠粘劑。PV 模塊預期將實現(xiàn) 25 年的超長使用壽命。對于長壽命而言，導 電型膠粘劑的靈活性可能是一種優(yōu)勢， 而且它們已在某些特別苛刻的應用 （比如： 汽車電子）中得到使用。傳統(tǒng)的模塊技術經(jīng)歷了大量的加速環(huán)境應力測試和現(xiàn)場 測試，從而使得大眾對其可靠性有了信心。 業(yè)界已經(jīng)制定了加速測試的統(tǒng)一標準，旨在幫助確保一

12、致且可靠的產(chǎn)品性 能。雖然采用新型 MMA 工藝和設計的測試樣品和全尺寸模塊已經(jīng)通過了 IEC 認 4 證測試程序的所有主要部分（熱循環(huán)、濕凍和濕熱），但業(yè)界還是啟動了一項更 為細致的研究，以使人們對于其長期現(xiàn)場可靠性建立起更強的信心。 采用新工藝和新材料的產(chǎn)品的認證可以利用基于科學的可靠性測試方法來 加快進度（見圖 3）。傳統(tǒng)上，可靠性測試需要用到大量的統(tǒng)計樣本，以使加速 測試與現(xiàn)場測試相關聯(lián)?；诳茖W的方法運用了建模和仿真（以幫助確定性能特 征）、特殊的測試結(jié)構(gòu)（用于隔離不同的元件）、失效模式和機理的識別、預測 可靠性模型的開發(fā)以及新型質(zhì)量保證測試和程序的開發(fā)。 目前正在進行中的工作包括

13、MMA 模塊構(gòu)造的詳細有限元模型的開發(fā)、模塊 材料黏彈性的特性分析、模塊組中各種元件的粘附力和電阻的測試樣本的開發(fā)、 用于檢查新產(chǎn)品的失效分析方法的開發(fā)以及新型質(zhì)量評估程序的開發(fā)。 這樣一項 計劃的實施結(jié)果將是人們對于新產(chǎn)品的可靠性和在生產(chǎn)中維持該工藝的能力擁 有更強的信心。 EWT 背接觸太陽能電池 背接觸硅太陽能電池在研究團體中受到了諸多的關注。 其主要優(yōu)勢包括通過 減少光遮蔽而提升的效率、 較為簡單的模塊裝配自動化以及憑借更加統(tǒng)一的外觀 而獲得強化的美學效果。近一段時間，它們贏得了大量的商業(yè)關注。SunPower 公司提供了一款采用 n 型多晶硅基板和一種專有加工工藝的高效太陽能電池。

14、Kyocera、PhotoVoltech、Sollhand 和 Q-Cells 公司則提供或公開展示了采用 p 型多 5 晶硅和一種鍍金屬穿孔卷繞（metallization wrap-through，MWT）設計的背接觸 太陽能電池。MWT 經(jīng)由數(shù)目有限的小孔將金屬從前表面卷繞至后表面，因此在 前表面上仍然存在一些網(wǎng)格遮蔽和電阻損耗以及由附加的絲網(wǎng)印刷工序所產(chǎn)生 的額外成本。 發(fā)射極穿孔卷繞（Emitter wrap-through，EWT）太陽能電池是一種頗具前途 的背接觸電池方案。這種太陽能電池通過激光鉆孔將 n+發(fā)射極從前表面卷繞至 后表面，以形成導電通路（見圖）。與 MWT 電池不同，這種設計完全消除了網(wǎng) 格遮蔽損耗，進一步改善了效率和美學效果。而且，由于在前后兩個表面上均存 在一個 n 型發(fā)射極，因此該電池結(jié)構(gòu)還具備雙面集電的固有特征。 雙面集電意味著 p 型硅基板塊當中的光電載流子可由前表面或后表面發(fā)射 極來收集，從而有效地提升了內(nèi)部集電效率。內(nèi)部集電效率的改善意味著 EWT 電池可以使用成本較低的硅材料（比如：經(jīng)改良的冶金級硅），而由此造成的性 能損失則較少。另外，由于 B 摻雜物原子和填隙 O 雜質(zhì)之間的一種相互作用的 緣故，EWT 電池所遭受的光致劣化也將較少，而這種劣化在 p 型單晶硅電池中 卻是很常見的。單晶硅 EWT 電池的