根據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)30年，石油需求將呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，以太陽(yáng)能為首的可再生能源將成為增長(zhǎng)最為迅速的能源。隨著習(xí)近平總書(shū)記提出“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)，并將之列為未來(lái)重點(diǎn)任務(wù)之一，我國(guó)光伏發(fā)電技術(shù)步入新時(shí)代。在光伏產(chǎn)業(yè)新時(shí)代背景下，“降本提效”成為主體趨勢(shì)。光伏組件作為光伏發(fā)電的核心部件，是降低光伏成本，提高發(fā)電效率的基礎(chǔ)。因此，研發(fā)低成本、高效率的光伏組件是光伏產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的必由之路。隨著光伏研發(fā)人員和生產(chǎn)企業(yè)對(duì)光伏組件“降本提效”技術(shù)的不斷探索，高效光伏組件層出不窮。
羅學(xué)濤、牛海燕團(tuán)隊(duì)結(jié)合光伏組件發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)各項(xiàng)組件新技術(shù)的生產(chǎn)制備、可靠性性能、輸出性能進(jìn)行了詳細(xì)研究，并結(jié)合產(chǎn)線設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室分析儀器與計(jì)算機(jī)模擬，從微觀分析、數(shù)據(jù)模擬以及儀器測(cè)試等方面給予了較為全面的分析。下面，本文對(duì)各項(xiàng)組件新技術(shù)的研究成果進(jìn)行總結(jié)。
柵線在電池中起到收集和匯流電流的作用，但會(huì)形成一定遮擋面積從而影響電池效率。無(wú)主柵技術(shù)的本質(zhì)是通過(guò)優(yōu)化電池片電極、焊條和組件來(lái)提效降本。該項(xiàng)技術(shù)具有三大顯著優(yōu)勢(shì)：一是降低電池片材料成本，二是降低遮光面積，三是提升電池片的電流收集能力。
焊接型無(wú)主柵組件技術(shù)僅改造焊接設(shè)備，即不改變電池片結(jié)構(gòu)及組件制作工藝。對(duì)于此類組件技術(shù)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注焊接穩(wěn)定性和組件失效機(jī)理，即焊接時(shí)電池片的失效、組件濕熱老化過(guò)程中的失效、組件熱循環(huán)過(guò)程中的失效。
羅學(xué)濤、牛海燕團(tuán)隊(duì)于實(shí)驗(yàn)分析并結(jié)合組件制作水平，設(shè)計(jì)出一款符合現(xiàn)階段發(fā)展現(xiàn)狀的無(wú)主柵焊接型組件，針對(duì)此類型組件的穩(wěn)定性和失效機(jī)理展開(kāi)了深入研究，其所用材料和結(jié)構(gòu)為：多晶硅電池片基底、正面電極、四段背面電極、矩形截面焊條、雙玻組件結(jié)構(gòu)。主要成果如下：
焊接過(guò)程電池片的失效形式及焊接技術(shù)
晶硅電池片在焊接過(guò)程的主要失效形式是裂紋和虛焊，裂紋發(fā)生的比率遠(yuǎn)高于虛焊，并且裂紋對(duì)電池片或組件存在長(zhǎng)期影響。在焊接過(guò)程中，電池片受到外部機(jī)械力或內(nèi)應(yīng)力，繼而在電池片中產(chǎn)生裂紋。其中有些裂紋存在于銀電極、Sn37Pb合金及背鋁層中，當(dāng)吸收足夠的能量，將有可能擴(kuò)展至電池片內(nèi)部，導(dǎo)致電池片破裂。
焊接過(guò)程中電池片中材料產(chǎn)生的裂紋缺陷
（a）銀電極的斷口；（b）依附于銀電極的硅片中的裂紋；（c）Sn37Pb合金中的裂紋；（d）背鋁層中的裂紋；（e）背鋁層中的裂紋；（f）硅片中的裂紋
晶硅電池片中裂紋的擴(kuò)展形貌
(a)單晶電池片中的裂紋；(b) 多晶電池片中的裂紋；(c) 裂紋的擴(kuò)展軌跡；(d) 破碎的電池片
統(tǒng)計(jì)分析電磁感應(yīng)焊接和紅外加熱焊接產(chǎn)生裂紋、虛焊電池片的數(shù)量，來(lái)衡量電磁感應(yīng)的焊接質(zhì)量。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)對(duì)不同的材料具有不同的加熱效率，不同的加熱效率將引起材料間的溫度差，繼而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。但電磁感應(yīng)焊接技術(shù)焊接質(zhì)量良好，引起的缺陷占電池片總數(shù)的0.4%，裂紋電池片占據(jù)了缺陷電池片的66.7%。
無(wú)主柵雙玻晶硅組件虛焊裂紋比例
對(duì)柵線焊接過(guò)程中，晶硅電池產(chǎn)生的裂紋情況進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)得出：?jiǎn)尉Ч璞榷嗑Ч桦姵馗菀桩a(chǎn)生裂紋缺陷。相同的電磁感應(yīng)焊接工藝，單晶電池中裂紋占缺陷總數(shù)的80.2%，斜裂紋是主要裂紋且占據(jù)比例為44.9%。多晶電池中裂紋占缺陷總數(shù)的59.4%，與主柵垂直的短裂紋是主要裂紋且占據(jù)比例為46.8%。此外，交叉裂紋在兩種電池片中出現(xiàn)的頻率也較高，在單晶硅和多晶硅電池片中分別占比為25.9%和17.6%。
不同裂紋類型占總裂紋比例
組件抗?jié)駸崂匣芰Α⒖篃嵫h(huán)老化能力
對(duì)該組件的抗?jié)駸崂匣芰?、抗熱循環(huán)老化能力進(jìn)行測(cè)試得出：無(wú)主柵雙玻組件的抗?jié)駸崂匣芰?yōu)于無(wú)主柵單玻組件。在3000小時(shí)的濕熱老化過(guò)程中，雙玻組件輸出功率衰減率穩(wěn)定維持在每500小時(shí)0.07%~0.16%。而單玻組件輸出功率衰減率最大時(shí)達(dá)到1.63%。并且，無(wú)主柵雙玻組件的抗熱循環(huán)老化能力也明顯優(yōu)于無(wú)主柵單玻組件。400次熱循環(huán)老化過(guò)程，雙玻組件輸出功率的最終衰減率為4.41%，而單玻組件在227次熱循環(huán)就已失效且其輸出功率衰減率為10.75%。
各實(shí)驗(yàn)組件在濕熱老化過(guò)程的輸出功率衰減曲線比較
（a）單玻組件和雙玻組件；（b）不同單玻組件；（c）不同雙玻組件較多學(xué)者研究了組件中電池片在濕熱老化環(huán)境下的失效機(jī)理，但幾乎都是關(guān)注電池片前表面而很少關(guān)注背面的失效特性。因此，對(duì)電池片背面和焊接處的失效特性分析和觀察具有現(xiàn)實(shí)意義。首先對(duì)比電池片中背鋁層、背面電極和焊接處在不同濕熱環(huán)境下的腐蝕特性。研究發(fā)現(xiàn)，在不同環(huán)境下無(wú)主柵組件中電池片的失效機(jī)理不同。
濕熱過(guò)程中多晶硅電池的腐蝕規(guī)律為：背鋁層的腐蝕導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)變疏松及Al-Si共晶層變薄，并產(chǎn)生表面光滑的鋁氧化物；背電極的腐蝕導(dǎo)致其表面變色并產(chǎn)生表面光滑的鋁氧化物；焊接處的腐蝕最先發(fā)生于邊緣部分且腐蝕區(qū)域沿著Ag電極和Sn37Pb合金間的界面向中心擴(kuò)展。
背鋁層在高乙酸濃度環(huán)境（25°C，85%濕度）處理前后的斷面圖
（a）實(shí)驗(yàn)前;（b）實(shí)驗(yàn)處理后
室溫環(huán)境（25°C，45%濕度，0~2個(gè)月）處理后背電極不同變化情況
（a）背電極出現(xiàn)黃色和靛藍(lán)色；（b）背電極出現(xiàn)黃色；（c）出現(xiàn)靛藍(lán)色
放置于高乙酸環(huán)境下（25°C，85%濕度）不同時(shí)間后焊接處微觀結(jié)構(gòu)圖
（a）60h;（b）120h;（c）180h;（d）240h對(duì)無(wú)主柵組件的熱循環(huán)過(guò)程中的失效形式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)熱循環(huán)過(guò)程中無(wú)主柵組件的主要失效形式是電池片兩端虛焊。原因在于：熱循環(huán)過(guò)程，溫度變化引起不同材料在不斷發(fā)生收縮和膨脹，這將在焊接處產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力從而導(dǎo)致疲勞破壞，由此使虛焊處惡化，最終焊條與電池片發(fā)生分離導(dǎo)致導(dǎo)電性能變差。熱循環(huán)過(guò)程組件中電池片出現(xiàn)的三種虛焊類型
（a）焊條部脫落分脫離；（b）焊條脫落且無(wú)電連接；（c）焊條脫落但存在電連接
研究發(fā)現(xiàn)，具有高達(dá)35%的反射率存在于未進(jìn)行表面處理的晶硅電池受光面，這導(dǎo)致大量的太陽(yáng)光在受光面被反射，直接影響光生載流子的產(chǎn)生，從而降低晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率。在晶硅電池表面制備一層或多層具有一定光學(xué)性質(zhì)的薄膜，即減反射膜（減反膜），可以增加透射進(jìn)入晶硅電池內(nèi)部的光子量，減少晶硅電池表面對(duì)光的反射損耗，提高晶硅電池光電轉(zhuǎn)換效率。羅學(xué)濤、牛海燕團(tuán)隊(duì)就減少太陽(yáng)光反射，設(shè)計(jì)出一款減反射膜雙玻晶硅組件，具體如下：
針對(duì)降低EVA/晶硅電池界面間光反射損失，設(shè)計(jì)一種TiO2-SiO2/SiO2/SiNx多層減反膜層型雙玻晶硅組件。經(jīng)初步分析，此類型減反膜能夠很好地與多晶硅基底結(jié)合。
多層減反膜設(shè)計(jì)示意圖
光伏組件結(jié)構(gòu)示意圖
02 TiO2-SiO2/SiO2/SiNx減反膜光學(xué)性能在220~1200nm的光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，采用TiO2-SiO2/SiO2/SiNx減反膜的光伏組件平均反射率低至7.67%，與采用SiNx和SiO2/SiNx減反膜的光伏組價(jià)平均反射率相比明顯得到優(yōu)化。在多晶硅電池的主要吸收光波長(zhǎng)范圍280~780nm范圍內(nèi)，采用TiO2-SiO2/SiO2/SiNx減反膜的光伏組件平均反射率低至6.54%，比采用SiNx和SiO2/SiNx減反膜的光伏組件反射率低了0.83%和0.49%。因此，SiNx、SiO2和TiO2-SiO2非常適合作為減反膜來(lái)降低晶硅電池的反射率，有利于構(gòu)建高性能的太陽(yáng)能晶硅電池。
不同減反膜多晶硅電池封裝反射率曲線
03 TiO2-SiO2/SiO2/SiNx減反膜組件的電學(xué)性能
采用TiO2-SiO2/SiO2/SiNx減反膜的光伏組件中，有88%的短路電流（Isc）大于9.20A。采用SiNx減反膜的光伏組件中，有72%的Isc≤9.15A，采用SiO2/SiNx減反膜的光伏組件，有72%位于9.15A<Isc≤9.20A。TiO2-SiO2/SiO2/SiNx減反膜的光伏組件短路電流（Isc）改善效果最好。
具有不同減反膜的光伏組件的短路電流分布情況
綜合各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)分析，TiO2-SiO2/SiO2/SiNx減反膜可以降低光伏組件中EVA與晶硅電池間界面的反射損耗，改善電路電流，使得光伏組件具有較高的轉(zhuǎn)換效率。但采用TiO2-SiO2/SiO2/SiNx減反膜結(jié)構(gòu)的光伏組件的平均填充系數(shù)改善不大，未來(lái)需對(duì)燒結(jié)和焊接工藝進(jìn)一步優(yōu)化。
未完待續(xù)：分片和貼膜雙玻晶硅組件技術(shù)、N型雙面半片雙玻晶硅組件技術(shù)、疊瓦雙玻晶硅組件技術(shù)、多主柵疊片雙玻晶硅組件技術(shù)的總結(jié)概述……
