晶體硅太陽電池組件的優(yōu)化設(shè)計

1、晶體硅太陽電池組件的優(yōu)化設(shè)計孔凡建 江蘇輝倫太陽能科技有限公司（210032）一般地認(rèn)為，晶體硅太陽電池組件的制造技術(shù)比較簡單，所以一些企業(yè)對組件制造過程的技術(shù)管理和控制并不十分重視，并且在某些方面存在著誤解和錯誤，而且關(guān)于晶體硅太陽電池組件的相關(guān)文獻(xiàn)十分缺少。筆者近幾年相繼發(fā)表了一些關(guān)于晶體硅太陽電池組件的研究報告1-3。本文的目的就是將這些報告中的一些成果和目前正在研究的成果做一個簡要的介紹。1 光路優(yōu)化和光學(xué)增益文獻(xiàn)1于2003年發(fā)表，討論了晶體硅太陽電池組件的光學(xué)增益問題。文獻(xiàn)中記載的實驗證明，好的光學(xué)匹配可以使光學(xué)增益達(dá)到5.75%。但是，壞的光學(xué)匹配，也可以幾乎不發(fā)生光學(xué)增益。怎樣

2、提高光學(xué)增益，是太陽電池組件制造過程中的一個重要技術(shù)。 圖1. 玻璃花型形成的陰影圖1中的深色斑點是玻璃壓花在組件內(nèi)部形成的陰影。這些陰影對照射到太陽電池表面上的光的均勻性產(chǎn)生了不良的影響，必然影響到太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。提高太陽電池組件的光學(xué)增益，另一個重要的方面是減少太陽電池組件對光線的反射。在垂直入射時，在兩個透明介質(zhì)分界面上的反射率R由下式4決定： （1）其中：n1和n2分別是兩個介質(zhì)的折射率。已知空氣的折射率n0 = 1，如果光伏組件玻璃的折射率n1 = 1.45，則在空氣玻璃界面的反射率為3.4%。為了減少這個折射，光伏玻璃表面往往制作成絨面，可以使反射降低到2%以下。在晶體硅太陽電

3、池表面，一般都鍍有SiN減反射膜。為了使太陽電池表面的反射率最小，SiN膜的幾何厚度d一般滿足： （2）其中：0是所選擇的中心波長；n3是SiN膜的折射率。 以n2代表EVA的折射率，n4代表Si材料的折射率。對于滿足（2）式的SiN減反射膜，太陽電池組件中太陽電池表面對波長為的光的反射率可以表達(dá)為4： （3）如果忽略二次反射，忽略各層介質(zhì)對光的吸收，忽略玻璃的壓花和太陽電池絨面效果，太陽電池組件表面的總反射率可以表達(dá)為： （4）如果玻璃表面鍍膜，膜的折射率為n5，假設(shè)玻璃壓花的減反射比為1，太陽電池絨面的減反射比為2，則（4）式可以修改為： （5） 2 串聯(lián)電阻損失在實際的生產(chǎn)過程中，人們發(fā)

4、現(xiàn)，通常制作的組件的實際輸出功率要低于所使用的太陽電池的額定總功率。既然封裝對于太陽電池組件有光學(xué)增益，為什么實際制造的組件的輸出功率要下降呢？根本原因在于，太陽電池組件的制造過程增加了串聯(lián)電阻。文獻(xiàn)2專門討論了這個問題。根據(jù)測量和計算，例如，一個185W的晶體硅太陽電池組件，串聯(lián)電阻的各個分項值分別為：a) 太陽電池自身的串聯(lián)電阻 = 325.4 mb) 互聯(lián)條串聯(lián)電阻 = 218.2 mc) 互聯(lián)條與電池電極的接觸電阻 = 3.3md) 匯流帶串聯(lián)電阻 = 38.4me) 接線盒內(nèi)接點串聯(lián)電阻 = 20 mf) 連接電纜串聯(lián)電阻 = 9.2 mg) 連接器串聯(lián)電阻 = 10 m其串聯(lián)電阻的

5、總和為：Rs = 625m，由此產(chǎn)生的功率損失為16W，占185W組件輸出功率的8.7%。其中，組件生產(chǎn)過程中增加的串聯(lián)電阻為：R0 = 299m，增加的功率損失為7.5W，占185W組件輸出功率的4.1%。通過雙輻照度方法5測量的額定功率為185W的組件的串聯(lián)電阻為0.64。這個數(shù)值與上述理論計算值大小接近，但是稍大于理論值，與通常的太陽電池組件測試設(shè)備測量的串聯(lián)電阻大約1的數(shù)值相比有比較大的差別。文獻(xiàn)2比較了幾個不同功率組件的測量串聯(lián)電阻和理論計算串聯(lián)電阻之間的差別，見圖2。如圖所示，隨著組件功率的下降，實際測量值與理論計算值之間的差別增加。這表明，太陽電池組合過程中I-V特性曲線的不匹配

6、產(chǎn)生了附加的串聯(lián)電阻。這個不匹配部分來源于太陽電池自身之間的差別，部分來源于測試過程中光源的不均勻性。不匹配的現(xiàn)象越嚴(yán)重，所引入的附加串聯(lián)電阻越大，匹配損失越大。當(dāng)太陽電池效率低下時，太陽電池I-V特性之間的差別比較大，從而帶來的串聯(lián)電阻損失比較大。隨著太陽電池效率的增加，太陽電池組合對太陽電池組件串聯(lián)電阻增加的影響要下降，因為高效率的太陽電池的I-V特性之間的差別比較小。182W 184W 186W 188W圖2. 串聯(lián)電阻隨組件功率的變化3 接線盒的影響不同形式的接線盒對太陽電池組件的可靠性和輸出功率都產(chǎn)生重要的影響。文獻(xiàn)3專門討論了不同接線盒對二極管工作溫度的影響。實驗表明，體積小的接線

7、盒對二極管的散熱效果好，灌裝有傳導(dǎo)介質(zhì)（硅膠）的接線盒對二極管的散熱效果好。文獻(xiàn)3分別分析了接線盒內(nèi)部的熱傳遞過程，指出：熱對流僅僅發(fā)生在以空氣為介質(zhì)的接線盒中，所散發(fā)的熱量大約占二極管總散發(fā)熱量的5.6%-8.1%，對二極管溫度的影響很??；熱輻射所散發(fā)的熱量大約占二極管總散發(fā)熱量的15%-20%；在接線盒內(nèi)部，對二極管散熱最重要的是熱傳導(dǎo)。因此，熱傳導(dǎo)介質(zhì)的導(dǎo)熱特性對二極管散熱的影響最大。而空氣屬于不良的熱傳導(dǎo)介質(zhì)。圖3 接線盒A（左）和接線盒B（右）的外形尺寸文獻(xiàn)3給出的實驗結(jié)果證實了上述結(jié)論。在25恒溫環(huán)境中，使用直流恒流電源給接線盒中的二極管通5A電流，如圖所示的接線盒A和接線盒B之間

8、的比較見表：表1 5A電流5小時實驗結(jié)果編號Tm（）Td（）T=TdTm（）Tj（）備注A36.092.656.698.5沒有灌膠B53.573.419.979.3灌膠其中，Td為安裝在盒體內(nèi)中心位置的二極管的表面溫度；Tm為盒蓋表面該二極管正上方m點的溫度，也是盒蓋表面的最高溫度；Tj是二極管結(jié)溫。在實際的應(yīng)用中，我們可以發(fā)現(xiàn)，接線盒燒毀的原因大多不是二極管燒毀，而是插接式結(jié)構(gòu)接線盒的二極管插座燒毀，如圖4所示。這表明，處于工作狀態(tài)的二極管經(jīng)常的發(fā)熱和冷卻，使得二極管插腳的接觸電阻逐漸增大，最終打火并燒毀接線盒。而焊接的二極管管腳則不會產(chǎn)生這樣的問題。圖4 接線盒燒毀的典型事例不同形式的接線

9、盒對組件實際輸出功率的影響主要表現(xiàn)在組件實際工作溫度的差別。使用兩個185W的晶體硅太陽電池組件，如圖5所示，在日光下測量組件接線盒安裝位置的溫度。測試條件和結(jié)果見表2。50.149.861.358.450.450.158.859.1圖5 組件A（左）和組件B（右）接線盒安裝位置實際工作溫度測量顯然，安裝接線盒A的組件的實際工作溫度要高于安裝接線盒B的組件的實際工作溫度。因此，對于同等測試功率的組件，安裝接線盒A的組件的實際工作輸出功率要低于安裝接線盒B的組件的實際工作輸出功率。表2：不同接線盒對組件實際工作溫度的影響接線盒形式AB組件測試功率180.2W179.8W光照時間10 min組件短

10、路電流0.86 A換算陽光輻照度165 W/m2風(fēng)力1級環(huán)境溫度37 組件前表面接線盒安裝位置各點溫度55.849.856.849.657.649.857.649.856.449.656.449.856.849.859.449.659.847.861.848.455.448.156.648.859.659.253.652.856.656.456.156.7平均溫度57.07 49.24 4 組件壽命的保證對于正常生產(chǎn)過程生產(chǎn)的組件，我們最關(guān)心的質(zhì)量問題是：是否可以保證10年衰降10%以內(nèi)，25年衰降20%以內(nèi)。如果組件的工作溫度過高，必然影響到EVA的老化過程，加速EVA的老化。即使對于接線盒

11、這樣局部的高溫狀態(tài)，EVA的局部快速老化，也將影響到EVA與玻璃之間的黏結(jié)力。這個影響，對于組件25年的壽命保證是一個未知因素。TPE結(jié)構(gòu)的背板，是由氟塑料薄膜、PET薄膜、EVA三層材料復(fù)合形成的，在抵抗紫外線輻射能力上存在弱點。在太陽電池組件中，TPE背板的迎光面沒有氟材料的保護(hù)。當(dāng)陽光從組件的正面照射進(jìn)入組件后，在電池片的間隔處，大約80%的紫外線透過玻璃和EVA進(jìn)入背板，直接照射到背板的EVA和PET薄膜上。在長期的紫外線的照射下，PET會逐漸脆化龜裂。這將嚴(yán)重地威脅到組件的使用壽命。5 討論實際生產(chǎn)結(jié)果表明，太陽電池組件的組合過程并不一定要造成功率損失，在某些條件下可以獲得增益。目前

12、影響太陽電池組合效果的主要原因是串聯(lián)電阻損失，在156mm太陽電池上表現(xiàn)非常明顯。對于一般的兩條主柵線的156mm太陽電池，組合后的正常損失大約是2%。如果將主柵線的數(shù)量改變?yōu)?條，可以克服這個問題。行業(yè)內(nèi)對于接線盒的誤解是十分深的，而實際的實驗數(shù)據(jù)完全與感官上的理解不同。另一個重要的問題是接線盒材料可能對環(huán)境的影響。實際上，小型接線盒所使用的材料的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于大接線盒，更有利于環(huán)境保護(hù)。接線盒內(nèi)二極管的損毀，已經(jīng)不是一個簡單的修理就能夠解決的問題。這涉及到產(chǎn)品的安全，可能引起火災(zāi)，并威脅到人身安全。而且發(fā)生此類問題的組件必須為客戶全部更換。參考文獻(xiàn)：1 陳如龍，汪義川，孔凡建等. 封裝材料對太陽電池組件輸出影響的初步研究J. 太陽能學(xué)報，2003. Supplement; 28-30.2 孔凡建，段永波，嚴(yán)榮飛. 晶體硅組件的串聯(lián)電阻損失及改善R.3 Fanjian Kong, Jiames Zhao, Jibo Cai. Study