關(guān)于減少晶體硅太陽能電池板串聯(lián)電阻的探索

張奚語

（湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410006）

關(guān)于減少晶體硅太陽能電池板串聯(lián)電阻的探索

張奚語

（湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410006）

簡(jiǎn)述了晶體硅太陽能電池組件原理及結(jié)構(gòu)，講解了電池組件內(nèi)部串聯(lián)電阻的影響因素，提出了降低電池組件內(nèi)部串聯(lián)電阻的技術(shù)途徑，并介紹了驗(yàn)證效果。

晶體硅電池組件；封裝損耗；內(nèi)部串聯(lián)電阻

通常情況下晶體硅太陽能電池板封裝后的實(shí)際輸出功率將小于電池片的功率值之和，這種功率差值稱為封裝損耗，封裝損耗中電路內(nèi)部串聯(lián)電阻引起的熱損耗一般占封裝損耗比例達(dá)80%以上，這樣減少電池板內(nèi)部串聯(lián)電阻，降低電路損耗就成為提高光伏組件發(fā)電效率有效的辦法：

式中，Is為硅電池片在光照下產(chǎn)生的電流，Rs為組件內(nèi)部串聯(lián)電阻，本文主要從電學(xué)方面分析影響電路內(nèi)部串聯(lián)電阻的因素，并根據(jù)理論推算提出降低光伏組件內(nèi)部串聯(lián)電阻的幾項(xiàng)技術(shù)措施，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　晶體硅電池板的發(fā)電原理及封裝結(jié)構(gòu)

1.1光伏效應(yīng)

光伏電池發(fā)電的原理是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換為電能。在晶體中電

圖1　光伏效應(yīng)示意圖

1.2光伏組件結(jié)構(gòu)

晶體硅太陽能電池板主要由疊層板、接線盒、鋁邊框等部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，疊層板中的電池串由硅電池片、涂錫互連銅帶、涂錫匯流銅帶在高溫狀態(tài)下串聯(lián)錫焊而成。接線盒的主要作用是兩方面，一方面將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電流引出，另一方面對(duì)電池串進(jìn)行熱斑保護(hù)。電氣原理圖見圖3。

圖2　晶體硅電池板結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　晶體硅電池板電氣原理圖

2　晶體硅電池板內(nèi)部串聯(lián)電阻的影響因素

2.1硅電池片電極的影響

晶體硅太陽能電池板的主要材料為晶體硅電池片，電池片主要由四層結(jié)構(gòu)組成，分別是背接觸層、基區(qū)、擴(kuò)散層和柵線，電池片柵線的分布及生長(zhǎng)效果、合金層的厚度、擴(kuò)散層的特性等為電池片及電池板的內(nèi)部串聯(lián)電阻產(chǎn)生的重要因素，其中柵線的分布及柵線的生長(zhǎng)質(zhì)量造成電池板整體內(nèi)部串聯(lián)電阻的變化對(duì)電池板功率輸出尤為明顯。

2.2電池片間聯(lián)接的影響

晶體硅太陽能電池板內(nèi)部電池片之間的聯(lián)接主要采用鍍錫銅帶，鍍錫銅帶的材質(zhì)、截面積、長(zhǎng)度等因素決定電池片之間的電氣連接串聯(lián)電阻，串聯(lián)電阻的大小影響電池板的功率輸出，串聯(lián)電阻越小，功率輸出越高。

2.3光伏接線盒的影響

光伏接線盒金屬基座的結(jié)構(gòu)、基座的材料及基座與電纜的連接方式、基座的截面積等對(duì)光伏板電路內(nèi)部串聯(lián)電阻會(huì)產(chǎn)生重要影響；接線盒上光伏電纜的材質(zhì)、截面積、長(zhǎng)度對(duì)電路串聯(lián)電阻有一定的影響；光伏電纜插接頭的材料及接觸方式對(duì)電路串聯(lián)電阻的產(chǎn)生也有一定的影響；

3　晶體硅光伏組件減少內(nèi)部串聯(lián)電阻的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1電池柵線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

主柵線的優(yōu)化選擇：選擇三種柵線156多晶硅電池進(jìn)行比對(duì)，分別為三主柵線、四主柵線、五主柵線，見圖4；設(shè)156多電池硅電池除柵線數(shù)量變化外，其它性能參數(shù)不變，單片156硅電池電流為I，156 mm長(zhǎng)的匯流條電阻為R，在60片156多晶電池板里三種柵線的匯流條的功率損耗：

三柵線P1=2I2R

四柵線P2=1.5I2R

五柵線P3=1.2I2R/5

四主柵電池板比三主柵電池板減少功率損耗0.5I2R，五主柵電池板比三主柵電池板減少功率損耗0.8I2R。即五主柵電池板及四主柵電池板比三主柵電池板的內(nèi)部串聯(lián)電阻分別小0.5R和0.8R。一般情況下銅基材的電阻率為0.025 Ω·mm2/m，硅電池片主柵的增加在整體上實(shí)現(xiàn)電池板內(nèi)部串聯(lián)電阻降低0.01～0.04 Ω，減少封裝損耗約0.7 W，硅電池板自發(fā)熱減少約0.7 W。

圖4　三種不同柵線電池片

3.2硅電池片互聯(lián)條的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在三主柵線156多晶電池板中互聯(lián)條選取0.21 mm×1.5 mm、0.23 mm×1.5 mm及0.25 mm× 1.5 mm截面積進(jìn)行設(shè)計(jì)上計(jì)算對(duì)比分析。電池片串聯(lián)示意圖見圖5，每片電池片前主柵線和背主柵線電阻計(jì)算：R為電阻值，L為互聯(lián)條長(zhǎng)度，ρ為單位長(zhǎng)度互聯(lián)條的電阻，N為硅電池片主柵線的數(shù)量。

按60片156 mm硅電池板計(jì)算0.21 mm× 1.5 mm對(duì)于電阻值為0.168 Ω；0.23 mm×1.5 mm對(duì)于電阻值為0.15 Ω；，0.25 mm×1.5 mm對(duì)于電阻值為0.138 Ω；相對(duì)于0.21 mm互聯(lián)條，0.23 mm 和0.25 mm電阻總值要減少0.018 Ω和0.03 Ω，電池板的熱損耗減少1.27 W和2.2 W。

圖5　電池片串聯(lián)示意圖

3.3接線盒的優(yōu)化設(shè)計(jì)

接線盒由銅基座、絕緣塑料組成，整個(gè)盒體會(huì)形成串聯(lián)電阻，外加到組件中會(huì)額外增加不必要的功率損失，這部分電阻需要越小越好。通常接線盒的串聯(lián)電阻在12.8 mΩ左右，每種接線盒的體電阻是不一樣的，以下是選擇3種不同聯(lián)結(jié)方式的接線盒所做試驗(yàn)，見圖6所示。

圖6幾種接線盒匯流條聯(lián)結(jié)示意圖

圖6（a）為彈性壓接式，（b）為螺釘固定式，（c）為錫焊式，3種接線盒進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試3種接線盒的串聯(lián)電阻后，分別連接在同一塊組件層壓件上進(jìn)行電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1　3種接線盒匯流條聯(lián)結(jié)方式的測(cè)試

以60片156 mm多晶電池組件層壓件為樣片的測(cè)試功率為255.9 W，結(jié)果顯示串聯(lián)電阻小的接線盒封裝組件后，功率損失越小，反之則越大。

錫焊分體式接線盒的應(yīng)用不僅保持了以上錫焊聯(lián)結(jié)擁有較小的串聯(lián)電阻優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又引入了分體接線盒所具有的較短匯流條電路的特點(diǎn)，整體上以60片156 mm多晶電池組件為例，分體式接線盒減少了電流傳輸匯流條長(zhǎng)度700 mm，減少匯流條串聯(lián)電阻0.01 Ω，減少封裝功率損耗0.7 W，見圖7。

圖7　整體式和分體式接線盒示意圖

4　優(yōu)化設(shè)計(jì)效果驗(yàn)證

考慮到大規(guī)模生產(chǎn)的適應(yīng)性，選取了600板60片156 mm多晶電池組件進(jìn)行批量實(shí)驗(yàn)，電池選用18.0%效率檔，采用傳統(tǒng)三柵線電池組件工藝與五柵線電池組件工藝比對(duì)，其中，傳統(tǒng)三柵線電池組件互聯(lián)條采用0.21 mm×1.5 mm，接線盒選擇彈性壓接整體模式，生產(chǎn)300塊；五柵線電池組件互聯(lián)條采用0.25 mm×1.5 mm，接線盒選擇錫焊分體式模式，生產(chǎn)300塊。傳統(tǒng)三柵電池組件平均功率為256.88 W，封裝損耗2.24%；五柵線電池組件平均功率為261.71 W，封裝損耗0.4%，在使用同效率檔硅電池片情況下，后一種方式功率提升效果明顯，組件內(nèi)部串聯(lián)電阻總體減少達(dá)70 mΩ以上，降低封裝損耗效果明顯。

5　結(jié)束語

我國(guó)光伏電站建設(shè)的規(guī)模越來越大，電站對(duì)光伏組件的質(zhì)量和技術(shù)要求越來越高，光伏組件效率的提升及生產(chǎn)成本的降低是提升光伏組件市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的有力途徑，自2014年以來，湖南紅太陽新能源科技有限公司與湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)合作采用以上所述多項(xiàng)精益技術(shù)研發(fā)措施并進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，順利通過了國(guó)家“領(lǐng)跑者”技術(shù)認(rèn)證，成效顯著。

［1］ 張希堂，任明淑.影響晶體硅太陽能電池片效率的因素分析及改善措施［J］.信息記錄材料，2013，（4）：36-42.

［2］ 張治，董鵬，呂欣，等.太陽電池I-V測(cè)試儀校準(zhǔn)實(shí)質(zhì)的研究［J］.太陽能，2013，（8）：133-137.

Research on Reducing the Series Resistance of PV Models

ZHANG Xiyu

（The High School Attached To Hunan Normal University，Changsha 410006，China）

This paper introduces the principle and structure of the PV modules.and explains the factors affecting the series resistance of the PV modules.Several technical ways to reduce the series resistance of the PV modules are proposed.And the verification results are introduced.

Crystalline PV modules；Package loss；The series resistance

TM914.4+1

B

1004-4507（2016）08-0035-04

2016-05-22子的數(shù)目總是與核電荷數(shù)相一致，光伏電池是一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴，電子-空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，建立一個(gè)與光照強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)的電動(dòng)勢(shì)，原理示意圖見圖1。

張奚語（1999－），男，湖南長(zhǎng)沙人，湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)學(xué)生，課余從事太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用研究。