半切片电池光伏组件: 光伏行业的新标准?

  • 2019年07月04日
  • 作者: Jens Schneider等

    Jens Schneider等

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图一:(a)电池切割造成效率下降,原因是(b)第二饱和电流密度J02的增加[2]。

图一:(a)电池切割造成效率下降,原因是(b)第二饱和电流密度J02的增加[2]。

图二:在标准测试条件下(STC),全尺寸电池和半切片电池小型组件的电学、光学以及总功率损耗分别与电池上焊带宽度之和的关系。

图二:在标准测试条件下(STC),全尺寸电池和半切片电池小型组件的电学、光学以及总功率损耗分别与电池上焊带宽度之和的关系。

图三:分别展示了全尺寸与半切片形态的电池和组件效率。虽然半切片电池的效率比全尺寸的稍低,但在STC下这一损失已经完全被组件层面的收益所补偿回来[11]。

图三:分别展示了全尺寸与半切片形态的电池和组件效率。虽然半切片电池的效率比全尺寸的稍低,但在STC下这一损失已经完全被组件层面的收益所补偿回来[11]。

图四:展示了分别对电池向阳面和激光开槽背面施加断裂应力的时候,全尺寸电池与半切片电池碎裂的次数。可以看到激光开槽边缘的碎裂应力值稍微更低一些。

图四:展示了分别对电池向阳面和激光开槽背面施加断裂应力的时候,全尺寸电池与半切片电池碎裂的次数。可以看到激光开槽边缘的碎裂应力值稍微更低一些。

图五:分别展示了热激光分离和激光开槽切割工艺下全尺寸电池与半切片电池碎裂的次数。可以看到热激光分离工艺下的半切片电池承受应力能力更强。

图五:分别展示了热激光分离和激光开槽切割工艺下全尺寸电池与半切片电池碎裂的次数。可以看到热激光分离工艺下的半切片电池承受应力能力更强。

图六:展示了组件进行层压碎裂测试后碎裂电池的EL成像(图片调整过对比度和亮度),其中全尺寸电池(a)和激光热分离切割半切片电池(b)的碎裂源是主栅,而激光开槽切割半切片电池(c)的碎裂源则是切割边缘[

图六:展示了组件进行层压碎裂测试后碎裂电池的EL成像(图片调整过对比度和亮度),其中全尺寸电池(a)和激光热分离切割半切片电池(b)的碎裂源是主栅,而激光开槽切割半切片电池(c)的碎裂源则是切割边缘[8]。

图七:由弗劳恩霍夫CSP制造的竖版排布半切片电池组件,可以看到内嵌在组件里的旁路二极管。

图七:由弗劳恩霍夫CSP制造的竖版排布半切片电池组件,可以看到内嵌在组件里的旁路二极管。

图八:分别展示了当半切片电池和全尺寸电池组件的一个完整电池或两个半切片电池以不同方向被遮挡70%入射光面积时的功率-电压曲线。其中半切片电池组件沿着x方向被遮挡时所有电池串都还仍然在工作[14]。

图八:分别展示了当半切片电池和全尺寸电池组件的一个完整电池或两个半切片电池以不同方向被遮挡70%入射光面积时的功率-电压曲线。其中半切片电池组件沿着x方向被遮挡时所有电池串都还仍然在工作[14]。

图九:安装在弗劳恩霍夫CSP

图九:安装在弗劳恩霍夫CSP"Halle户外光伏实验室"的半切片电池组件(左)全尺寸组件(右)。

图十:半切片电池组件相比于全尺寸电池组件的能量输出收益(Ehalf–Efull)/Efull。所测的每块组件能量输出值是根据辐射强度和温度计算后取平均值(读取数值间隔:辐射强度50W/m2,组件温度2

图十:半切片电池组件相比于全尺寸电池组件的能量输出收益(Ehalf–Efull)/Efull。所测的每块组件能量输出值是根据辐射强度和温度计算后取平均值(读取数值间隔:辐射强度50W/m2,组件温度2℃)。

摘要

由半切片太阳能电池制造的光伏组件有望成为行业的新标准。电池切割会导致电池层面的电流复合损失,但完全可以由降低的电阻损耗以及组件层面的电流收益所补偿回来,甚至超过损失大小。与此同时,切割工艺需要优化以避免出现机械损伤并导致组件内的电池碎裂。

本文将介绍具备热点保护、阴影保护和能量输出优化特性的组件设计。通过调整电池切割、串焊、层压和接线等额外的设备投入,组件功率可以提升5%-8%。半切片电池技术对于新的光伏组件产能来说是极具吸引力的。

动机

如今越来越多的光伏组件生产商开始提供半切片电池组件。根据ITRPV2018[1]的信息,半切片电池光伏组件在未来10年的市场份额将接近40%。但半切片电池组件变得日益重要的原因是什么?其带来的性能增长有多高?需要多大的额外投入?需要注意哪些事项?又有哪些负面效应?本文将带着这些问题对半切片电池组件进行整体概述。

总的来说,半切片电池组件的作用是通过降低电阻损耗来提高发电功率的。根据欧姆定律可知,太阳能电池互连电损耗是与电流大小的平方成正比的。将电池切割成两半后,电流大小也降低了一半,则电损耗也随之降低至全尺寸电池损耗的四分之一[2,3]。但需要注意的是,只有电池层面的串联电阻损失受到影响。而在电池层面的串联电阻损耗并没有减少,因为单个半切片电池的串联电阻等于全尺寸电池电阻的两倍,与此同时,组件内电池数量变成了两倍,两者刚好抵消。

为什么半切片电池组件到现在才为行业所关注呢?其中一个原因是电池硅片的尺寸从156mm(M1)扩大到了161.7mm(M4),硅片面积和电流提高了大约7%,而电损耗更是增加了15%。这充分激发了行业对降低电流相关损失的热情。另外,降低来自电池金属电极的遮光损失和提升主栅的数量也能进一步提升电池电流。另外,随着硅片和电池工艺的进步,如今只需对全尺寸电池进行筛选操作,而不用在切割工艺后再次测量半切片电池,从而减少与半切片电池组件相关操作步骤的数量。接下来我们将对半切片电池组件进行更详细的探讨。

电池切割技术

所有商用半切片电池尺寸的硅太阳能电池都是采用两步生产工艺制造的。首先是制造标准全尺寸太阳能电池;在这一步中无需改变任何工艺,除了可能会对金属电极图案进行修改之外。第二步,就是对电池进行切割,目前主要有两种切割工艺: 激光开槽+(紧接着)切割(LSC)工艺和热应力电池分离(TMC)工艺。

第一种工艺-LSC-依赖于激光烧蚀技术,沿着半切片电池边缘形成全长度划槽。在某些情况下,划片没有完全使电池分离,但会在表面留下深度约等于电池厚度一半的划槽。随后电池会沿着激光划槽方向机械性断裂。由于激光工艺会导致材料出现结构损伤[4],划槽操作通常会从电池背面进行,以避免p-n结出现分流通路;如果背面金属层有一道小的开口,激光工艺可以采用更为高效的方式进行。对于采用完整背面金属化的钝化发射极和背电极(PERC)太阳能电池,在背面金属层开一道小口完全不会引起任何功率损失。因此,弗劳恩霍夫CSP开发了一种更为先进的LSC工艺版本,并申请了专利。该弗劳恩霍夫CSP版本依赖于对轻微弯曲太阳能电池应用激光工艺;这一机械预载荷实现了一站式工艺,即激光开槽和断裂在同一个工艺站内完成[5]。

第二种工艺-TMC-不是基于会引起微裂纹的烧蚀技术,而是通过沿着半切片电池边缘的材料表面施加高度集中的热梯度;这种热梯度会在电池内部引起局部机械应力,从而导致开裂。在该工艺里,有一些半切片电池设备是已经可以商用的(或者在开发中),例如德国激光设备供应商3D-Micromac AG或者Innolas Solutions GmbH。由于这些TMC工艺是无需消融且降低了总的热副作用,一旦对系列工艺参数进行优化后将有效降低硅片的结构损伤。

电学特性

半切片电池工艺需要考虑两个主要的质量问题。首先,必须将电池边缘数量的增加带来的电损耗降低到最小。其次,机械应力及其影响的可靠性问题需要保持不变。关于电特性,据研究发现即使对半切片电池进行优化依然会导致0.5%rel.左右的轻微损失,这是由半切片电池边缘增加的复合过程引起的[6-8]。这一现象会反应在电流损失之一的J02电流的增加上(如图一所示)。

虽然半切片电池的效率有轻微下降,在组件层面的提升却超过了电池层面的损失;这些组件层面的提升主要分为三种物理机制。第一种,电池电流的减小也降低了串联电阻损耗,降低至全尺寸电池的四分之一。根据电池类型的不同,这些损耗累积起来可以达到组件功率的3%,现在可以减小到0.75%,减小幅度高达2.25%。最终得到的功率提升大小与串联电阻的减小幅度以及组件填充因子的提升幅度有关。

第二种,电池数量的增加也会相应增加电池间隙的数量。通过来自组件背板的反射,这些电池间隙有助于提高短路电流[9]。虽然电池间隙数量的增加也会导致组件尺寸的增加和材料成本的增加,但这些参数会再次优化。当半切片电池与全尺寸电池组件之间的电池间隙保持不变,可以发现短路电流提高了3%[3]。通过使用弗劳恩霍夫ISE的 Smart.Calc设备可以轻易地完成组件功率与尺寸之间的优化[10](或者参考www.cell-to-module.com)。

第三种提升方法是优化电池焊带的宽度。众所周知,电池焊带的横截面积应该尽可能做大以减小电损耗。然而电池焊带厚度受到机械特性影响限制在200um左右(尤其是对电池碎裂的影响),因此需要在增加焊带宽度以降低电损耗和减小焊带宽度以减小遮光损失之间进行优化平衡。当电损耗减小时,优化宽度也随之显著改变。图二展示了一个单全尺寸电池小型组件和与之相对的双半切片电池小型组件在标准测试条件(STC)下的光学和电学损失。其中,上述两种小型组件的光学损失都是相同的。然而在电学损失方面,半切片电池小型组件却比全尺寸电池组件小,原因是流经焊带的电流更小。基于总损耗优化的半切片电池焊带最优宽度在0.8mm左右,相当于全尺寸电池组件1.7mm最优宽度值的50%左右。因此,光学和电学的综合损失将从10.5%降低到8%,降低了2.5%rel。(如图二)

因此,虽然太阳能电池功率降低了超过0.5%rel,但组件功率却增加了,且超过了所有的损失大小;图三展示了全尺寸和半切片电池及其组件的效率(需要注意的是:组件效率是根据总电池面积计算得到的)。从图中可以看到,半切片电池组件能显著提升电池到组件(CTM)的功率比至100%以上[10]:当全尺寸电池组件的CTM比例只有93%,半切片电池组件的CTM比例值能达到101%。也就是说,经过电池间隙和焊带宽度优化,半切片电池组件的效率相对于全尺寸电池组件提高了8%rel。(见图三)

机械特性

半切片电池的机械强度是影响产能和组件可靠性的关键参数。电池机械强度的任何降低都会导致组件在户外发电期间发生碎裂概率的提高。半切片电池的特性强度比全尺寸的更低。通过测试从电池向光面到背光面的强度(如图四所示),我们发现电池的机械损伤是从背面开始的;因此是激光开槽而不是切割操作导致的机械损失。(见图四)

半切片电池工艺细节和全尺寸电池本身的机械特性以非常微妙的方式影响着半切片电池的机械特性。不过,研究发现TMC工艺带来的机械损伤通常比LSC方法的更小[6,8]。在图五中,我们分别可以看到使用热激光分离(TLS,属于TMC的一种)和LSC方法切割的电池以及参考电池的结构应力。其中TLS工艺没有降低任何结构应力;这意味着有可能在切割电池的时候不发生任何机械损失。

太阳能电池失效比例的增加与组件内电池的失效增加有直接关系[8]。使用安装了原位电致发光(EL)成像仪[12]的四点弯设备(4-PB)对组件进行检测,可以发现采用LSC工艺切割的半切片电池在进行层压封装后,在激光开槽边缘更容易发生碎裂,而采用优化TLS工艺切割的半切片电池更容易在主栅位置处发生开裂,如图六所示; 该现象可以在4-PB试验下的EL成像上看到。在低应力下LSC电池的碎裂发生在激光开槽边缘,这与风载和雪载相关。因此非常有必要优化和控制半切片电池切割后的机械特性,以避免户外工作时因过多电池碎裂造成的潜在失效。

组件再设计

半切片电池组件意味着电池数量是原来的两倍。为了利用旁路二极管保护20-24片电池不受热点效应损伤,需要对组件重新设计-即每两个并联电池串连接一个旁路二极管。与此同时,相比于全尺寸电池组件,这种组件设计的电流和电压更为接近。目前有两种半切片电池排列选择:竖版和横版,分别采用中央式和分散式的接线盒。

竖版设计

在竖版设计中,组件被分成上下两个板块;每版块由6路10-12块半切片电池串联而成的子电池串组成。上下版块也是并联连接的,每路子电池串都由一个旁路二极管保护。

大部分半切片电池组件都是采用竖版设计。BP 太阳能的组件使用了144块半切片电池,而Bosch太阳能则使用了120片半切片电池,都采用中央接线盒。REC太阳能提供了他们的'TwinPeak技术'半切片电池组件,采用竖版设计和分散式接线盒,组件内部只需要更少的焊带,而相邻组件间的电线长度也更短。弗劳恩霍夫CSP推出了将旁路二极管内嵌在层压材料内的半切片电池组件(如图七所示)。通过将旁路二极管内嵌到层压材料内可以将分散式接线盒的数量从3个减少到2个,从而降低材料成本。

横版设计

三菱推出了基于横版设计的120片半切片电池组件,而弗劳恩霍夫CSP和SERIS在2013年推出了采用横版设计的144片半切片电池组件。后者的组件有12路子电池串,每串有12片半切片电池,每两串并联连接然后再与相邻的串联。这种设计可以兼容标准72片全尺寸电池玻璃组件的尺寸。该组件是沿着横向排列,接线盒可以是中央式也可以是分散式的,但都是放在组件顶部。采用横版2x2互联设计的半切片电池组件比同等全尺寸电池组件的更能承受部分阴影影响[3,13,14]。

能量输出

所有前面的考量都与标准条件下的光伏组件能量输出有关,所以需要进一步详细讨论能量输出。关于半切片电池组件的能量输出,有三点需要注意:

1. 半切片电池组件受阴影影响更小;

2. 半切片电池组件的收益非常依赖于高绝缘;

3. 半切片电池组件的损耗更低,导致工作温度也稍微更低。

在全尺寸电池组件设计中,当太阳能电池被遮挡且遮挡面积超过一定比例时,相应的电池串将会被旁路二极管短路。这一过程决定于太阳能电池被遮挡面积的比例,与遮挡形状和方向无关。而采用横版设计的半切片电池组件对部分遮光条件有着更高的容忍度。在采用横版设计的半切片电池组件中,子电池串是并联连接的,因此在有子电池串被部分遮挡的情况下旁边的子电池串仍然能够持续发电工作。对阴影的容忍度很大程度上决定于阴影的方向。当阴影沿着y轴遮挡,并完全遮挡一半电池,则这一条子路停止工作,而另一条则能继续发电。而当阴影沿着x轴遮挡,且两半切片电池被遮住50%时,被影响的子电池串仍然能够发电[13,14]。图八显示了半切片和全尺寸电池组件在不同部分遮挡条件下的功率-电压曲线。半切片电池组件对遮光的高容忍度使得这些组件更适合应用在某些特殊条件下,例如灰尘累积遮挡了组件的角落。

我们对来自弗劳恩霍夫ISC的两块分别为72片全尺寸和144片半切片尺寸组件进行了户外测试,测试时间为08/2013到04/2014(如图九所示)。虽然在标准条件下的组件功率差异为4.6%,但平均能量输出差异却只有3%。

为了对比在不同辐射强度和组件温度条件下的半切片电池组件输出能量,我们每隔50W/m2辐射强度和2℃组件温度读取一次能量输出值。从图十可以看出,随着辐射强度和组件温度的上升,能量输出的差异逐渐变大。在较高的辐射条件下,半切片电池与全尺寸电池组件之间的能量输出差异可以高达6%。在低辐射条件下,能量输出差异则减小到2%以内[15]。因为辐射强度越高组件电流及其电流损耗也越大;从而在高辐射条件下半切片电池组件的收益是更大的。所以半切片电池组件非常适合于应用在太阳辐射高的阳光地带;例如,在摩洛哥的额外收益可以达到2.2%,相比之下德国只有1.55%[11]。

投资分析

假设一座光伏组件工厂一年365天每天24小时不间断地以每分钟生产1块功率为300W的半切片电池组件,则每年产能为158MW。如果半切片电池组件功率提升5%,则每年将额外增加7.9MW产能。如果以0.2美元/W的价格销售组件,则每年可以实现150万美元的销售增长;这一额外的收益将用来支付新增的电池切割设备、双焊线串焊设备和层压以及接线盒设备的修改。分散式接线盒的成本必须与中央式的相近。由于新增的电池切割设备和焊线串焊产能需要额外的生产车间空间,所以计划建造一座新的半切片电池设计组件产线比翻新现有产线要容易得多。对于新的太阳能电池组件产线,回本周期将少于1年,这就让半切片电池组件产线变得极具吸引力。

总结

半切片电池是光伏组件增加可观能量输出的一种简单方案。在不改变尺寸的情况下可以获得5%的功率增长,如果扩大组件尺寸则能达到8%。对于新的光伏组件产线,回本周期可以低于1年。

半切片电池组件非常适合于阳光充足的地区,因为只有在阳光辐射强度高的时候功率增益才能转化成能量输出增益,同时降低平准化电力成本(LCOE)。太阳能电池切割工艺必须对机械特性控制得特别好才能避免电池开裂及其带来的性能损耗。

一旦低损伤工艺得到有效控制,未来可以将电池切割成更小的尺寸和更多的电池数目,例如同一个方向切割的叠片电池和组件,或者沿两个方向切割的更加灵活的组件设计。

半切片电池组件带来的好处很多,有潜力在未来一段时间-至少在新的组件技术成熟之前成为新的标准技术。

作者简介

Jens Schneider拥有柏林工业大学和柏林哈恩·迈特纳研究所的博士学位。在2005年到2011年期间在CSG Solar AG从事工艺开发,之后加入弗劳恩霍夫CSP担任组件技术事业部总裁。在2014年被莱比锡应用科技大学聘用,从事光伏和交叉学科的教学工作。2019年他转到弗劳恩霍夫材料经济学中心,领导能源系统分析研究。

Hamed Hanifi在2015年取得位于德国科特布斯的勃兰登堡技术大学(BTU)的电力工程硕士学位。之后他开始攻读马丁路德·哈勒维腾贝格大学的博士学位,专业课题是应用在沙漠地区的光伏组件优化。从2015年开始,他就一直在弗劳恩霍夫CSP工作,同时担任位于德国Koethen的安哈特应用科学大学的科研人员,主要从事标准组件电池到组件功率比的优化,以及光伏组件在沙漠地区应用的优化。

David Dassler拥有莱比锡应用科技大学应用数学专业硕士学位。从2012年起他就在弗劳恩霍夫CSP的光伏组件与系统事业部从事可靠性和发电输出分析工作。在2015年他开始攻读课题为沙漠环境下的能量产出建模的博士学位。

Matthias Pander曾莱比锡应用科技大学攻读机械工程专业。他于2010年硕士毕业,硕士课题为封装太阳能电池的热机械应力研究。后来他加入弗劳恩霍夫CSP的太阳能电池组件和系统事业部从事光伏组件仿真与可靠性测试工作。

Felix Kaule曾在莱比锡应用科技大学学习机械工程专业。从2012年开始他加入弗劳恩霍夫CSP担任硅片与电池应力团队的一名研究人员。他的研究方向主要为基于有限元方法和统计方法的硅片与电池应力分析。

Marko Turek博士曾在德累斯顿大学学习物理学,并获得雷根斯堡大学凝聚态理论领域的博士学位。在弗劳恩霍夫CSP他带领太阳能电池与组件的电性能表征团队。他的研究重点涉及太阳能电池的损耗分析、先进表征方法和新测试方法与器件的开发。

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