晶體硅太陽電池組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、晶體硅太陽電池組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)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(cuò)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(bào)告1-3。本文的目的就是將這些報(bào)告中的一些成果和目前正在研究的成果做一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(gè)重要技術(shù)。 圖1. 玻璃花型形成的陰影圖1中的深色斑點(diǎn)是玻璃壓花在組件內(nèi)部形成的陰影。這些陰影對(duì)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(gè)重要的方面是減少太陽電池組件對(duì)光線的反射。在垂直入射時(shí)，在兩個(gè)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(gè)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)際的生產(chǎn)過程中，人們發(fā)

4、現(xiàn)，通常制作的組件的實(shí)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(duì)于太陽電池組件有光學(xué)增益，為什么實(shí)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(gè)問題。根據(jù)測量和計(jì)算，例如，一個(gè)185W的晶體硅太陽電池組件，串聯(lián)電阻的各個(gè)分項(xiàng)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(diǎn)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(gè)數(shù)值與上述理論計(jì)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(gè)不同功率組件的測量串聯(lián)電阻和理論計(jì)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(shí)際測量值與理論計(jì)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(gè)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(shí)，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(duì)太陽電池組件串聯(lián)電阻增加的影響要下降，因?yàn)楦咝实奶栯姵氐腎-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(duì)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(duì)二極管工作溫度的影響。實(shí)驗(yàn)表明，體積小的接線

7、盒對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)二極管溫度的影響很小；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(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)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(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果編號(hào)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(diǎn)的溫度，也是盒蓋表面的最高溫度；Tj是二極管結(jié)溫。在實(shí)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(huì)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(duì)組件實(shí)際輸出功率的影響主要表現(xiàn)在組件實(shí)際工作溫度的差別。使用兩個(gè)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(shí)際工作溫度測量顯然，安裝接線盒A的組件的實(shí)際工作溫度要高于安裝接線盒B的組件的實(shí)際工作溫度。因此，對(duì)于同等測試功率的組件，安裝接線盒A的組件的實(shí)際工作輸出功率要低于安裝接線盒B的組件的實(shí)際工作輸出功率。表2：不同接線盒對(duì)組件實(shí)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(shí)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(jí)環(huán)境溫度37 組件前表面接線盒安裝位置各點(diǎn)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(duì)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(duì)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(gè)影響，對(duì)于組件25年的壽命保證是一個(gè)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(diǎn)。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(huì)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(shí)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(duì)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(gè)問題。行業(yè)內(nèi)對(duì)于接線盒的誤解是十分深的，而實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全與感官上的理解不同。另一個(gè)重要的問題是接線盒材料可能對(duì)環(huán)境的影響。實(shí)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(gè)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(duì)太陽電池組件輸出影響的初步研究J. 太陽能學(xué)報(bào)，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