作者 ： 王祺、倪志春、任方星、趙建華、王艾華，中電電氣南京光伏有限公司研發(fā)中心

　　摘要:

　　晶體硅太陽電池封裝成組件后，其實際功率通常會小于理論功率，稱之為功率損失或封裝損失（powerloss）。本文對各種影響太陽能電池組件封裝損失的因素進(jìn)行了相應(yīng)的研究，包括電池片分檔方式、組件封裝材料、封裝工藝與電池片之間的匹配等，通過優(yōu)化這些影響因素可以有效提高組件的輸出功率，降低封裝損失。

　　前言

　　為了獲得所需的電流電壓和輸出功率，同時也為了保護(hù)電池不受機(jī)械損傷和環(huán)境損害，必須將若干單片電池串并聯(lián)連接并封裝成組件。一般情況下，封裝后的組件的輸出功率（實際功率）小于所有電池片的功率值之和（理論功率），我們稱之為封裝損失（powerloss），計算方法為：

　　封裝損失=(理論功率－實際功率)／理論功率
　　如果封裝損失值較高的話，制作出的組件的輸出功率達(dá)不到設(shè)計要求，有可能出現(xiàn)客戶投訴，對組件公司產(chǎn)生不良影響，造成經(jīng)濟(jì)損害。反之，如果能夠降低封裝損失，組件輸出功率的增加也會帶來收益的提高，組件配置的電池片所需效率可以減少，間接降低了生產(chǎn)成本。
　　本文分別從光學(xué)損失和電學(xué)損失兩方面分析和討論了可能影響封裝損失的因素，得到了一些初步的結(jié)論，可為組件公司提高產(chǎn)品性能提供參考。另外我們只針對組件封裝時的功率損失進(jìn)行了研究，未涉及電池片光致衰減（LID）導(dǎo)致的組件輸出功率下降等問題。

　　封裝損失的分析

　　常規(guī)晶體硅太陽電池組件的封裝結(jié)構(gòu)如圖一所示，自上而下的順序分別是鋼化玻璃-密封膠-晶體硅太陽電池-密封膠-背板；封裝之前的單焊、串焊工藝將電池片通過涂錫焊帶連接；組件層壓封裝好后，再組裝上接線盒、邊緣密封膠和邊框。因此，造成組件封裝損失的可能因素?zé)o外乎是太陽電池和組件的封裝材料。

　　我們把封裝損失的原因按照屬性不同分為兩大類：光學(xué)損失、電學(xué)損失。下面詳細(xì)討論這兩類中的各種影響因素。

　　光學(xué)損失

　　從理論上講，單結(jié)硅系太陽電池不能將所有光線都吸收轉(zhuǎn)換成電能，地面用硅太陽電池的光譜響應(yīng)范圍一般為300nm-1100nm，因此，任何使這一波段的光進(jìn)入電池減少的因素都會造成光學(xué)上的損失，可以從光的透射和反射兩方面進(jìn)行分析。

　　光從組件表面到硅體內(nèi)要依次經(jīng)過玻璃、密封膠（一般為EVA），所以玻璃和EVA會對光吸收產(chǎn)生影響，玻璃和EVA的透射率越高，組件的封裝損失也就越小。常規(guī)超白鋼化玻璃的透射率為92%左右，目前市場上已推出具有增透膜的鍍膜玻璃，透射率可高達(dá)96%，鍍膜玻璃一般可提高組件1%的輸出功率增益，但其長期穩(wěn)定性和可靠性需要進(jìn)一步的研究。圖二為不同廠家3.2mm布紋鋼化玻璃的透射率隨波長（波長范圍從300nm到1100nm）的變化，其中D樣品為鍍膜玻璃，其他三種為普通鋼化玻璃。從圖中可以看出，不同廠家的玻璃的透射率有很大區(qū)別，透射率越高則進(jìn)入到電池中的光也就越多，而電池的輸出功率與光強(qiáng)成正比的。在電池和其他輔材不變的情況下，使用透射率高的鋼化玻璃，組件的輸出功率增大，封裝損失減小。

　　EVA（乙烯-醋酸乙烯聚合酯）用于粘結(jié)鋼化玻璃、電池和背板，由于它是紫外不穩(wěn)定的，約占太陽光6%的紫外線長時間的照射可造成EVA膠膜的老化、龜裂、變黃，繼而降低其透光率，因此有些廠家的EVA中會添加抗紫外劑，這樣就會引起EVA在短波段的透射率的下降。圖三為四款不同廠家EVA在交聯(lián)后透射率曲線圖，其中D樣品未添加紫外吸收劑，300nm波長光的透射率為37.1%，而其他三種加入抗紫外劑的EVA對在360nm波長以下范圍內(nèi)的光是截止的。但現(xiàn)在電池廠家為提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，開始采用高方阻、密柵的工藝，高方阻電池和常規(guī)的P型電池的光譜響應(yīng)是不相同的，圖四顯示的是效率相近的常規(guī)電池（CellI）和高方阻電池（CellII）的內(nèi)量子效率曲線對比圖，可以看出，高方阻電池在短波段（<450nm）的IQE是要高于常規(guī)電池的，而如果采用對短波長光截止的EVA，則會造成這部分光不能被高方阻電池吸收，那么封裝損失肯定比同效率常規(guī)電池制作的組件的封裝損失要大。因此，使用不同工藝制作的太陽電池需要選擇與之相匹配的EVA，在透光率和抗紫外兩者之間找到折衷點，在不影響可靠性的基礎(chǔ)上降低組件的封裝損失。另外，有公司提出使用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐紫外、透射率高的透明硅膠做為組件的密封膠，可以有效避免密封膠黃化和電池不能接受到短波長光線的問題。

　　太陽電池的表面沉積了一層氮化硅結(jié)構(gòu)的減反射膜，折射率約為2.1，其上有EVA和鋼化玻璃（兩者的折射率約為1.48左右），為使組件的透射率達(dá)到最大的減反效果，還需要使SiNx膜的厚度、EVA和玻璃厚度得到最好的匹配結(jié)果和最佳的光學(xué)上的減反射效果，可以有效增加組件的輸出功率。

　　太陽電池組件的背板用來防止水汽進(jìn)入組件，常采用TPT（Tedler-PET-Tedler）膜。常規(guī)白色TPT其與EVA接觸面的反射率曲線見圖五，可見在中長波段具有高達(dá)80%左右的反射率。白色的TPT膜對入射到太陽電池間未被電池吸收的太陽光具有反射作用，這部分光在空氣與玻璃的界面處被反射向太陽電池，增加入射到太陽電池組件上的光的利用率。一般的，使用白色的TPT比黑色的TPT能增加組件1%的輸出功率增益，有利于降低組件的封裝損失。

　　太陽電池被焊帶覆蓋部分無法吸收太陽光，某些焊帶公司推出了反光焊帶，焊帶的正面鍍銀并壓延出縱向溝槽狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能將入射到焊帶上的光線以一定角度反射到組件的玻璃層內(nèi)表面，在玻璃-空氣界面上全反射后投射回電池表面。捕捉到的光能讓組件產(chǎn)生額外增加的功率，理論上可以提高組件效率2%左右。

　　電學(xué)損失

　　實際應(yīng)用中，太陽電池通常以串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)相間的混聯(lián)方式形成組件，滿足所需的電流、電壓，但是由于太陽電池的參數(shù)不一致，串并聯(lián)后的組件的輸出功率可能小于各單個太陽電池的最大輸出功率之和。電池串聯(lián)時，兩端電壓為各單體電池中電壓之和，電流等于各電池中最小的電流；并聯(lián)時，總電流為各單體電池電流之和，電壓取平均值。常見的組件一般為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，若在串聯(lián)的正常電池中混入一片低電流的電池，根據(jù)電流取小原則，組件的輸出電流由這片最小電池的電池決定，組件的輸出功率會降低，造成較高的封裝損失。要減少電池匹配損失獲得最大的輸出功率，需要選擇相同或相近電性能參數(shù)的電池串聯(lián)成組件，這就要求在電池分選時應(yīng)選擇合適的分檔方式，防止電池失配情況的發(fā)生。

　　組件中的太陽電池由焊帶相連接導(dǎo)通，焊帶一般為表面鍍錫的銅帶，錫層含Sn/Pb、Sn/Pb/Ag或Sn/Pb/Bi等。焊帶的電阻主要受銅帶影響，如果電阻值太高的話，組件輸出電壓會有一部分消耗在焊帶上，造成電學(xué)上的封裝損失。金屬的電阻值等于電阻率乘以金屬長度再除以金屬橫截面積。由于電阻率和長度值固定、不易改變，要降低焊帶的電阻應(yīng)考慮增加焊帶的寬度和厚度。若焊帶寬度寬于電池的主柵線，會造成遮光面積的增多，降低電池效率，所以焊帶寬度也不應(yīng)變化。因此考慮增加銅帶的厚度，而焊帶變厚會帶來焊接時電池碎片問題。因此，需要選用適合寬度和厚度的焊帶制作組件，才能防止過多的組件功率損失在焊帶上。

　　焊接工藝也嚴(yán)重影響組件的功率，如果組件焊接過程中存在虛焊、漏焊等焊接不良的問題，會造成較高的接觸電阻，降低組件的輸出電流；不合適的焊接工藝還有可能造成電池的電極與硅片脫落，無法收集電流，從而造成封裝損失的增加。

　　封裝實驗及討論

　　不同氮化硅膜厚電池的封裝對比

　　選取三組不同氮化硅膜厚、效率17.25%檔的單晶S125-D165（對角線165mm）電池制作組件（板型：4×9=36片串聯(lián)），在板式PECVD時，調(diào)節(jié)氮化硅膜厚分別為70-75、80-85、90-95（nm），三組電池各制作5塊組件，組件的其他輔材相同。組件的理論功率為96.15W，封裝結(jié)果見表一。從數(shù)據(jù)上看，氮化硅膜越厚的組件的輸出功率越高，封裝損失越小，應(yīng)該屬于光學(xué)方面的損失，可能是因為厚的氮化硅膜與EVA、玻璃三者的匹配效果最好，具有較好的減反射效果，從而有助于提高組件的功率。

　　Eff與Iap分檔方式對比

　　太陽電池一般用效率（Eff）分檔，由1.2節(jié)的分析可知，串聯(lián)電池的電流應(yīng)越接近越好，所以我們考慮使用工作電流（Iap）方式來對電池進(jìn)行分檔。選擇效率17.75%檔的單晶S156電池，分別采用Eff與Iap兩種分檔方式進(jìn)行分檔，制作成組件（板型：6×10=60片串聯(lián)），電池分別在兩條生產(chǎn)線生產(chǎn)，組件的理論功率是254.4W，計算組件的平均功率、每組組件功率的標(biāo)準(zhǔn)偏差、每組的平均封裝損失。
從表二的實驗數(shù)據(jù)中可以看出，同一生產(chǎn)線（A線）生產(chǎn)的S156電池，Eff分檔較Iap分檔的封裝損失低0.39%；不同生產(chǎn)線產(chǎn)出S156電池采用相同分檔方式（Iap），封裝損失存在一定差異。Iap分檔對封裝損失的改善不明顯，但組件輸出功率的一致性較好。

　　不同電池生產(chǎn)線對比

　　在Eff與Iap分檔方式對比實驗中，不同生產(chǎn)線生產(chǎn)的電池的封裝損失有很大區(qū)別，為此我們從兩條不同的生產(chǎn)線選取S125電池，分別用單條生產(chǎn)線線的電池封裝成組件、兩條生產(chǎn)線電池相混封裝成組件（板型：6×12=72片串聯(lián)），測試組件功率，計算標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均封裝損失。電池的效率為17.5%檔,組件的理論功率為195.08W。

　　從表三的測試結(jié)果來看，單線電池封裝出的組件的封裝損失較混線的要小，且混線電池的組件功率的一致性要差一些。從組件封裝功率偏差均值來看，A線要比B線小，A線的封裝損失較低，說明不同電池生產(chǎn)線之間存在一定的差異，可能與校準(zhǔn)和設(shè)備的差別有關(guān)。

　　電池電流細(xì)分實驗

　　將17.25%效率檔S125電池按照電流每25mA一個區(qū)間細(xì)分成三組I1:5.274～5.299mA、I2:5.249～5.274mA、I3:5.224～5.249mA，再加一電流未細(xì)分組作為對比組。四組組件的理論功率192.3W。

　　結(jié)果見表四，電流細(xì)分對改善封裝損失效果不明顯，電池按電流細(xì)分后能看出功率漸變的現(xiàn)象，I1最大，I3最小，以功率偏差均值來說，電流細(xì)分電池封裝后，未細(xì)分電流組的組件功率一致性較差。

　　不同規(guī)格焊帶對封裝損失的影響

　　使用不同規(guī)格的焊帶，厚度和寬度分別為：0.15×1.6、0.18×1.6、0.20×1.6（單位為mm），由1.2節(jié)的分析可知，三組焊帶的電阻值為從大到小，選取17.50%效率檔S156電池，各做若干塊組件（板型：6×10=60片串聯(lián)），理論功率為250.8W。

　　從表五中可以看出，焊帶越厚，組件的輸出功率越高，封裝損失也越低；但焊帶增厚，會提高焊帶成本，還使得人工焊接時的焊接碎片率有所提高。但若采用自動焊接生產(chǎn)線，使用厚焊帶可以有效地降低碎片率，增加組件的輸出功率，降低封裝損失；長遠(yuǎn)看來，也有助于控制組件的質(zhì)量，提高組件的成品率，降低生產(chǎn)成本。

　　結(jié)論
　　[1]組件的封裝損失可分為光學(xué)損失和電學(xué)損失兩種。前者主要包括玻璃、密封膠的透射率限制導(dǎo)致的光的損耗，焊帶、背板的反射產(chǎn)生的光的二次利用得到的額外附加功率；后者來源于電池失配、焊帶電阻、焊接不良等形成的電流損失。
　　[2]與按效率分檔相比，電池按工作電流分檔時，組件的功率沒有太大區(qū)別，電流細(xì)分分檔對封裝損失也沒有很大影響，但組件功率的一致性更好。由于電池生產(chǎn)線之間存在差異，單個生產(chǎn)線電池封裝的組件比混線電池生產(chǎn)的組件的功率損失要小。
　　[3]對電池的氮化硅膜與EVA、玻璃之間的匹配進(jìn)行優(yōu)化后，組件具有較好的減反射效果，有利于提高組件的輸出功率。

　　[4]在不影響組件的長期穩(wěn)定性和可靠性的前提下，組件的封裝材料應(yīng)選擇有助于增加功率輸出的輔材，如高透射率的玻璃和密封膠、高電導(dǎo)的焊帶等，能夠進(jìn)一步降低組件的封裝損失。