光伏太阳电池组件封装损失的研究

　　作者 ： 王祺、倪志春、任方星、赵建华、王艾华，中电电气南京光伏有限公司研发中心

　　摘要:

　　晶体硅太阳电池封装成组件后，其实际功率通常会小于理论功率，称之为功率损失或封装损失（powerloss）。本文对各种影响太阳能电池组件封装损失的因素进行了相应的研究，包括电池片分档方式、组件封装材料、封装工艺与电池片之间的匹配等，通过优化这些影响因素可以有效提高组件的输出功率，降低封装损失。

　　前言

　　为了获得所需的电流电压和输出功率，同时也为了保护电池不受机械损伤和环境损害，必须将若干单片电池串并联连接并封装成组件。一般情况下，封装后的组件的输出功率（实际功率）小于所有电池片的功率值之和（理论功率），我们称之为封装损失（powerloss），计算方法为：

　　封装损失=(理论功率－实际功率)／理论功率
　　如果封装损失值较高的话，制作出的组件的输出功率达不到设计要求，有可能出现客户投诉，对组件公司产生不良影响，造成经济损害。反之，如果能够降低封装损失，组件输出功率的增加也会带来收益的提高，组件配置的电池片所需效率可以减少，间接降低了生产成本。
　　本文分别从光学损失和电学损失两方面分析和讨论了可能影响封装损失的因素，得到了一些初步的结论，可为组件公司提高产品性能提供参考。另外我们只针对组件封装时的功率损失进行了研究，未涉及电池片光致衰减（LID）导致的组件输出功率下降等问题。

　　封装损失的分析

　　常规晶体硅太阳电池组件的封装结构如图一所示，自上而下的顺序分别是钢化玻璃-密封胶-晶体硅太阳电池-密封胶-背板；封装之前的单焊、串焊工艺将电池片通过涂锡焊带连接；组件层压封装好后，再组装上接线盒、边缘密封胶和边框。因此，造成组件封装损失的可能因素无外乎是太阳电池和组件的封装材料。

　　我们把封装损失的原因按照属性不同分为两大类：光学损失、电学损失。下面详细讨论这两类中的各种影响因素。

　　光学损失

　　从理论上讲，单结硅系太阳电池不能将所有光线都吸收转换成电能，地面用硅太阳电池的光谱响应范围一般为300nm-1100nm，因此，任何使这一波段的光进入电池减少的因素都会造成光学上的损失，可以从光的透射和反射两方面进行分析。

　　光从组件表面到硅体内要依次经过玻璃、密封胶（一般为EVA），所以玻璃和EVA会对光吸收产生影响，玻璃和EVA的透射率越高，组件的封装损失也就越小。常规超白钢化玻璃的透射率为92%左右，目前市场上已推出具有增透膜的镀膜玻璃，透射率可高达96%，镀膜玻璃一般可提高组件1%的输出功率增益，但其长期稳定性和可靠性需要进一步的研究。图二为不同厂家3.2mm布纹钢化玻璃的透射率随波长（波长范围从300nm到1100nm）的变化，其中D样品为镀膜玻璃，其他三种为普通钢化玻璃。从图中可以看出，不同厂家的玻璃的透射率有很大区别，透射率越高则进入到电池中的光也就越多，而电池的输出功率与光强成正比的。在电池和其他辅材不变的情况下，使用透射率高的钢化玻璃，组件的输出功率增大，封装损失减小。

　　EVA（乙烯-醋酸乙烯聚合酯）用于粘结钢化玻璃、电池和背板，由于它是紫外不稳定的，约占太阳光6%的紫外线长时间的照射可造成EVA胶膜的老化、龟裂、变黄，继而降低其透光率，因此有些厂家的EVA中会添加抗紫外剂，这样就会引起EVA在短波段的透射率的下降。图三为四款不同厂家EVA在交联后透射率曲线图，其中D样品未添加紫外吸收剂，300nm波长光的透射率为37.1%，而其他三种加入抗紫外剂的EVA对在360nm波长以下范围内的光是截止的。但现在电池厂家为提高太阳电池的转换效率，开始采用高方阻、密栅的工艺，高方阻电池和常规的P型电池的光谱响应是不相同的，图四显示的是效率相近的常规电池（CellI）和高方阻电池（CellII）的内量子效率曲线对比图，可以看出，高方阻电池在短波段（<450nm）的IQE是要高于常规电池的，而如果采用对短波长光截止的EVA，则会造成这部分光不能被高方阻电池吸收，那么封装损失肯定比同效率常规电池制作的组件的封装损失要大。因此，使用不同工艺制作的太阳电池需要选择与之相匹配的EVA，在透光率和抗紫外两者之间找到折衷点，在不影响可靠性的基础上降低组件的封装损失。另外，有公司提出使用化学性质稳定、耐紫外、透射率高的透明硅胶做为组件的密封胶，可以有效避免密封胶黄化和电池不能接受到短波长光线的问题。

　　太阳电池的表面沉积了一层氮化硅结构的减反射膜，折射率约为2.1，其上有EVA和钢化玻璃（两者的折射率约为1.48左右），为使组件的透射率达到最大的减反效果，还需要使SiNx膜的厚度、EVA和玻璃厚度得到最好的匹配结果和最佳的光学上的减反射效果，可以有效增加组件的输出功率。

　　太阳电池组件的背板用来防止水汽进入组件，常采用TPT（Tedler-PET-Tedler）膜。常规白色TPT其与EVA接触面的反射率曲线见图五，可见在中长波段具有高达80%左右的反射率。白色的TPT膜对入射到太阳电池间未被电池吸收的太阳光具有反射作用，这部分光在空气与玻璃的界面处被反射向太阳电池，增加入射到太阳电池组件上的光的利用率。一般的，使用白色的TPT比黑色的TPT能增加组件1%的输出功率增益，有利于降低组件的封装损失。

　　太阳电池被焊带覆盖部分无法吸收太阳光，某些焊带公司推出了反光焊带，焊带的正面镀银并压延出纵向沟槽状结构，这种结构能将入射到焊带上的光线以一定角度反射到组件的玻璃层内表面，在玻璃-空气界面上全反射后投射回电池表面。捕捉到的光能让组件产生额外增加的功率，理论上可以提高组件效率2%左右。

　　电学损失

　　实际应用中，太阳电池通常以串联、并联或串并联相间的混联方式形成组件，满足所需的电流、电压，但是由于太阳电池的参数不一致，串并联后的组件的输出功率可能小于各单个太阳电池的最大输出功率之和。电池串联时，两端电压为各单体电池中电压之和，电流等于各电池中最小的电流；并联时，总电流为各单体电池电流之和，电压取平均值。常见的组件一般为串联结构，若在串联的正常电池中混入一片低电流的电池，根据电流取小原则，组件的输出电流由这片最小电池的电池决定，组件的输出功率会降低，造成较高的封装损失。要减少电池匹配损失获得最大的输出功率，需要选择相同或相近电性能参数的电池串联成组件，这就要求在电池分选时应选择合适的分档方式，防止电池失配情况的发生。

　　组件中的太阳电池由焊带相连接导通，焊带一般为表面镀锡的铜带，锡层含Sn/Pb、Sn/Pb/Ag或Sn/Pb/Bi等。焊带的电阻主要受铜带影响，如果电阻值太高的话，组件输出电压会有一部分消耗在焊带上，造成电学上的封装损失。金属的电阻值等于电阻率乘以金属长度再除以金属横截面积。由于电阻率和长度值固定、不易改变，要降低焊带的电阻应考虑增加焊带的宽度和厚度。若焊带宽度宽于电池的主栅线，会造成遮光面积的增多，降低电池效率，所以焊带宽度也不应变化。因此考虑增加铜带的厚度，而焊带变厚会带来焊接时电池碎片问题。因此，需要选用适合宽度和厚度的焊带制作组件，才能防止过多的组件功率损失在焊带上。

　　焊接工艺也严重影响组件的功率，如果组件焊接过程中存在虚焊、漏焊等焊接不良的问题，会造成较高的接触电阻，降低组件的输出电流；不合适的焊接工艺还有可能造成电池的电极与硅片脱落，无法收集电流，从而造成封装损失的增加。

　　封装实验及讨论

　　不同氮化硅膜厚电池的封装对比

　　选取三组不同氮化硅膜厚、效率17.25%档的单晶S125-D165（对角线165mm）电池制作组件（板型：4×9=36片串联），在板式PECVD时，调节氮化硅膜厚分别为70-75、80-85、90-95（nm），三组电池各制作5块组件，组件的其他辅材相同。组件的理论功率为96.15W，封装结果见表一。从数据上看，氮化硅膜越厚的组件的输出功率越高，封装损失越小，应该属于光学方面的损失，可能是因为厚的氮化硅膜与EVA、玻璃三者的匹配效果最好，具有较好的减反射效果，从而有助于提高组件的功率。

　　Eff与Iap分档方式对比

　　太阳电池一般用效率（Eff）分档，由1.2节的分析可知，串联电池的电流应越接近越好，所以我们考虑使用工作电流（Iap）方式来对电池进行分档。选择效率17.75%档的单晶S156电池，分别采用Eff与Iap两种分档方式进行分档，制作成组件（板型：6×10=60片串联），电池分别在两条生产线生产，组件的理论功率是254.4W，计算组件的平均功率、每组组件功率的标准偏差、每组的平均封装损失。
从表二的实验数据中可以看出，同一生产线（A线）生产的S156电池，Eff分档较Iap分档的封装损失低0.39%；不同生产线产出S156电池采用相同分档方式（Iap），封装损失存在一定差异。Iap分档对封装损失的改善不明显，但组件输出功率的一致性较好。

　　不同电池生产线对比

　　在Eff与Iap分档方式对比实验中，不同生产线生产的电池的封装损失有很大区别，为此我们从两条不同的生产线选取S125电池，分别用单条生产线线的电池封装成组件、两条生产线电池相混封装成组件（板型：6×12=72片串联），测试组件功率，计算标准偏差和平均封装损失。电池的效率为17.5%档,组件的理论功率为195.08W。

　　从表三的测试结果来看，单线电池封装出的组件的封装损失较混线的要小，且混线电池的组件功率的一致性要差一些。从组件封装功率偏差均值来看，A线要比B线小，A线的封装损失较低，说明不同电池生产线之间存在一定的差异，可能与校准和设备的差别有关。

　　电池电流细分实验

　　将17.25%效率档S125电池按照电流每25mA一个区间细分成三组I1:5.274～5.299mA、I2:5.249～5.274mA、I3:5.224～5.249mA，再加一电流未细分组作为对比组。四组组件的理论功率192.3W。

　　结果见表四，电流细分对改善封装损失效果不明显，电池按电流细分后能看出功率渐变的现象，I1最大，I3最小，以功率偏差均值来说，电流细分电池封装后，未细分电流组的组件功率一致性较差。

　　不同规格焊带对封装损失的影响

　　使用不同规格的焊带，厚度和宽度分别为：0.15×1.6、0.18×1.6、0.20×1.6（单位为mm），由1.2节的分析可知，三组焊带的电阻值为从大到小，选取17.50%效率档S156电池，各做若干块组件（板型：6×10=60片串联），理论功率为250.8W。

　　从表五中可以看出，焊带越厚，组件的输出功率越高，封装损失也越低；但焊带增厚，会提高焊带成本，还使得人工焊接时的焊接碎片率有所提高。但若采用自动焊接生产线，使用厚焊带可以有效地降低碎片率，增加组件的输出功率，降低封装损失；长远看来，也有助于控制组件的质量，提高组件的成品率，降低生产成本。

　　结论
　　[1]组件的封装损失可分为光学损失和电学损失两种。前者主要包括玻璃、密封胶的透射率限制导致的光的损耗，焊带、背板的反射产生的光的二次利用得到的额外附加功率；后者来源于电池失配、焊带电阻、焊接不良等形成的电流损失。
　　[2]与按效率分档相比，电池按工作电流分档时，组件的功率没有太大区别，电流细分分档对封装损失也没有很大影响，但组件功率的一致性更好。由于电池生产线之间存在差异，单个生产线电池封装的组件比混线电池生产的组件的功率损失要小。
　　[3]对电池的氮化硅膜与EVA、玻璃之间的匹配进行优化后，组件具有较好的减反射效果，有利于提高组件的输出功率。

　　[4]在不影响组件的长期稳定性和可靠性的前提下，组件的封装材料应选择有助于增加功率输出的辅材，如高透射率的玻璃和密封胶、高电导的焊带等，能够进一步降低组件的封装损失。