異構(gòu)焊帶在光伏組件中的應(yīng)用

■ 孫建洋 徐躍進(jìn) 陳喜平 * 黃緯 李俊斐 何勝 張馳

（1．浙江正泰太陽(yáng)能科技有限公司；2．海寧正泰新能源科技有限公司）

0 引言

提升光伏組件功率可有效降低光伏發(fā)電成本，常見(jiàn)的提升功率手段有電學(xué)提升功率和光學(xué)提升功率兩種。其中，光學(xué)提升功率主要是通過(guò)優(yōu)化光伏組件的內(nèi)部光路結(jié)構(gòu)，從而提升光伏組件功率。通常情況下，玻璃減反射膜層、異構(gòu)焊帶、EVA透光率調(diào)控、電池片制絨與減反、電池光譜響應(yīng)，以及背板增反處理都是光伏組件各部分常用的光學(xué)優(yōu)化手段。

焊帶作為光伏組件主要的電氣連接部件，通過(guò)焊接在電池片主柵上來(lái)收集電池片的電流。常用的焊帶表面為近似平面結(jié)構(gòu)，其造成的光損失約占光伏組件功率整體的3%[1]，因此，優(yōu)化焊帶表面結(jié)構(gòu)，減小遮光損失，具有非常重要的意義。焊帶部分的光路優(yōu)化主要有以下兩個(gè)方向：1)反光膜材料：通過(guò)將鋸齒狀、弧形或V型結(jié)構(gòu)反光膜材料粘貼在焊帶表面，改變光線入射角度，增加光伏組件功率；2)異構(gòu)焊帶[2]：通過(guò)重新設(shè)計(jì)和處理焊帶表面的結(jié)構(gòu)，并減少反光面的錫層厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)光線入射角度的改變，從而實(shí)現(xiàn)光路優(yōu)化的效果。

本文主要研究了不同表面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)焊帶對(duì)光伏組件功率提升的影響，結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得合適的異構(gòu)焊帶光伏組件的安裝方式，從而提升光伏組件的發(fā)電性能。

1 異構(gòu)焊帶優(yōu)化光伏組件內(nèi)部光路的原理

1.1 異構(gòu)焊帶提升光伏組件功率的原理

光伏組件主要由玻璃、EVA、太陽(yáng)電池、焊帶、EVA、背板封裝而成，其中，太陽(yáng)電池和焊帶被EVA包裹。由于常規(guī)焊帶表面近似平面，因此垂直或小角度入射到焊帶上的光，大多會(huì)被焊帶反射后穿過(guò)EVA和玻璃進(jìn)入空氣中損失掉，降低了光的利用率，從而降低了光伏組件功率。光線的傳輸路徑如圖1所示。

圖1 光路簡(jiǎn)化圖

光線由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角增大到某臨界角時(shí)，會(huì)產(chǎn)生全反射現(xiàn)象。對(duì)于光伏組件而言，EVA、玻璃的折射率n1、n2相近(分別為1.5、1.48，假設(shè)二者相等)，遠(yuǎn)高于空氣的折射率n3(n3=1)。因此，如圖1所示，β為入射光經(jīng)焊帶反射后在EVA和玻璃界面處的入射角，βTIR為反射光在EVA和玻璃界面處的臨界角，若經(jīng)焊帶反射后的光能以大于等于βTIR的角度進(jìn)入EVA和玻璃界面，其在界面處就會(huì)被反射回電池上，實(shí)現(xiàn)光線的二次利用，從而提升光伏組件功率。

其中，βTIR應(yīng)滿足式(1)：

1.2 異構(gòu)焊帶設(shè)計(jì)原理

因自然界中光線入射情況比較復(fù)雜，故將光路簡(jiǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光伏組件受光情況。按照IEC 61215測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，模擬器發(fā)出的光垂直入射到焊帶表面，通過(guò)改變焊帶表面結(jié)構(gòu)來(lái)改變焊帶表面光線的反射路徑，如圖2所示。

圖2 異構(gòu)焊帶反射光路圖

計(jì)算公式為：

其中，α為異構(gòu)焊帶與電池表面的夾角；C為入射光線經(jīng)異構(gòu)焊帶反射后反射光的出射角；D 為異構(gòu)焊帶的結(jié)構(gòu)角。β應(yīng)滿足 41.6°≤β＜ 90°，反射光線才能在EVA/玻璃界面實(shí)現(xiàn)全反射。因此，焊帶表面的異構(gòu)形態(tài)需要滿足90°≤D≤138.4°。

2 理論研究與實(shí)驗(yàn)分析

目前市面上的異構(gòu)焊帶結(jié)構(gòu)不盡相同，為了研究異構(gòu)焊帶表面結(jié)構(gòu)對(duì)光伏組件提升功率的影響，本文選用以下3種結(jié)構(gòu)的異構(gòu)焊帶進(jìn)行理論模擬，并選用1個(gè)常規(guī)焊帶作為對(duì)比樣。幾種焊帶結(jié)構(gòu)及參數(shù)如表1所示，外觀如圖3所示。

表1 不同表面結(jié)構(gòu)的焊帶參數(shù)

圖3 常規(guī)焊帶及異構(gòu)焊帶外觀圖

從圖3可以看出，常規(guī)焊帶①的表面光滑、平緩、有光澤，當(dāng)光線垂直入射時(shí)，其反射光線基本經(jīng)過(guò)EVA和玻璃重新反射回空氣中。異構(gòu)焊帶②、③、④的紋路方向、壓花循環(huán)寬度、壓花深度各有不同(具體見(jiàn)表1數(shù)據(jù))，當(dāng)光線垂直入射至異構(gòu)焊帶表面時(shí)，通過(guò)表面的紋路以一定角度反射至EVA和玻璃界面；當(dāng)滿足全反射條件后，光線重新進(jìn)入電池中，從而實(shí)現(xiàn)光線的二次利用。

2.1 焊帶提升光伏組件功率的理論分析

利用理論模擬的方式，我們對(duì)采用以上4種焊帶制備的光伏組件進(jìn)行了分析。表2給出了采用以上4種焊帶制備光伏組件后其內(nèi)部的光路優(yōu)化引起的電流提升。

表2 4種焊帶的理論電流提升

從表2可以看出，異構(gòu)焊帶為完美斜面時(shí)，相較于常規(guī)焊帶①，采用異構(gòu)焊帶②、③、④制備的光伏組件電流提升分別為0.98%、1.29%和2.84%。然而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，異構(gòu)焊帶的斜面并不完美。我們采用近似圓弧面代替三角面進(jìn)行模擬，可以看出，在斜面非完美時(shí)，光伏組件電流提升率下降，分別為0.62%、1.16%和2.27%。

2.2 異構(gòu)焊帶光伏組件的制備

為了和理論對(duì)比，避免其他因素對(duì)光伏組件功率造成影響，在保證電池和封裝材料一致的基礎(chǔ)上，分別利用上述4種焊帶制備多晶硅光伏組件①～組件④，每種類型的光伏組件各10塊。

對(duì)光伏組件①～組件④進(jìn)行功率測(cè)試，結(jié)果如圖4所示，光伏組件功率從大到小依次為④、③、②、①。結(jié)合表1可知，這4種光伏組件采用焊帶結(jié)構(gòu)的焊帶線電阻率的大小滿足：④等于②，且大于③和①。由此可以判定，異構(gòu)焊帶光伏組件的功率增益主要來(lái)源于焊帶表面結(jié)構(gòu)變化引起的光路優(yōu)化。同時(shí)，光伏組件④和組件②的焊帶線電阻率相同，但功率提升④大于②，說(shuō)明豎紋結(jié)構(gòu)的光路優(yōu)化效果比斜紋結(jié)構(gòu)更加有效；對(duì)于焊帶紋路方向相同的光伏組件③和組件④，焊帶線電阻率④大于③，而功率提升同樣是④大于③，這說(shuō)明密豎紋焊帶的光路優(yōu)化效果更好。

圖4 常規(guī)及異構(gòu)焊帶光伏組件功率圖

圖5 常規(guī)及異構(gòu)焊帶光伏組件功率提升圖

對(duì)圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和表2的理論數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5所示。分析結(jié)果表明，異構(gòu)焊帶光伏組件②、③、④的實(shí)驗(yàn)功率較常規(guī)焊帶光伏組件①分別高了0.5%、1.18%、2%； 該值遠(yuǎn)低于完美斜面下的理論值，但接近非理想斜面下的理論值。這一結(jié)果說(shuō)明，異構(gòu)焊帶的斜面本身是不完美的，并在焊接過(guò)程中加劇了這種不完美。

2.3 異構(gòu)焊帶光伏組件的戶外發(fā)電量

因之前的理論分析及功率測(cè)試都是在光線垂直入射于光伏組件的條件下進(jìn)行的，而在戶外的實(shí)際使用環(huán)境中，不同角度的入射光線在異構(gòu)焊帶表面反射時(shí)的光路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，較難進(jìn)行計(jì)算分析。因此，在戶外安裝常規(guī)焊帶光伏組件①、斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件②和密豎紋異構(gòu)焊帶光伏組件④各6塊，監(jiān)控光伏組件的發(fā)電量。對(duì)比不同時(shí)間段，即入射光線不同角度時(shí)，異構(gòu)焊帶光伏組件功率與常規(guī)焊帶光伏組件功率的差異。

持續(xù)監(jiān)控24天后，不同安裝方式下異構(gòu)焊帶光伏組件的發(fā)電量數(shù)據(jù)如圖6所示。相較于常規(guī)焊帶光伏組件，密豎紋異構(gòu)焊帶光伏組件④在橫裝、豎裝時(shí)發(fā)電量分別提升了1.60%、1.39%；斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件②在橫裝、豎裝時(shí)發(fā)電量分別提升了0.70%、0.69%。明顯可以看出，安裝方式對(duì)斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件發(fā)電量的影響不大，而對(duì)豎紋異構(gòu)焊帶光伏組件的影響明顯。

圖6 不同安裝方式下異構(gòu)焊帶光伏組件的戶外發(fā)電量

在安裝方式相同的情況下，橫裝、豎裝時(shí)密豎紋異構(gòu)焊帶光伏組件④比斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件②的發(fā)電量分別高0.9%、0.7%，均低于標(biāo)準(zhǔn)條件下的提升值(1%)。為了研究這一現(xiàn)象，在進(jìn)行監(jiān)控的24天采集時(shí)間內(nèi)，我們對(duì)以上兩種光伏組件同一日的發(fā)電量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖7所示。

圖7 不同光伏組件單日發(fā)電量提升監(jiān)控圖

從圖7可以看出，兩種安裝方式下，斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件②一天各時(shí)間段內(nèi)的發(fā)電量提升曲線基本相同。而豎紋異構(gòu)焊帶光伏組件④則相差較大，其豎裝時(shí)，一天內(nèi)發(fā)電量都比較平穩(wěn)；橫裝時(shí)，在9:00以前、14:00以后，發(fā)電量明顯偏低，但在陽(yáng)光近似直射(輻照度高)的中午時(shí)間段，較常規(guī)焊帶光伏組件約有2.5%的功率提升(功率=發(fā)電量/發(fā)電時(shí)間)，發(fā)電量增益明顯。

3 異構(gòu)焊帶光伏組件的可靠性研究

焊帶結(jié)構(gòu)的改變可能會(huì)影響到焊接拉力，從而影響光伏組件的長(zhǎng)期可靠性。因此，本文對(duì)以上3種異構(gòu)焊帶焊接的太陽(yáng)電池進(jìn)行了拉力測(cè)試，并和常規(guī)焊帶焊接的太陽(yáng)電池進(jìn)行了對(duì)比。如圖8所示，4種焊帶結(jié)構(gòu)與太陽(yáng)電池正面的焊接拉力結(jié)果基本一致，且均合格。

圖8 不同結(jié)構(gòu)焊帶與太陽(yáng)電池正面的焊接拉力圖

然而，不同焊帶結(jié)構(gòu)與太陽(yáng)電池背面的焊接拉力出現(xiàn)了較大差異。如圖9所示，斜紋異構(gòu)焊帶②與太陽(yáng)電池背面的焊接拉力較其他組合低了近5 N/mm。造成這一情況的主要原因是，不同于異構(gòu)焊帶③、④，異構(gòu)焊帶②的反光面無(wú)間斷性的涂錫工藝，導(dǎo)致其與背電極接觸的焊接面鍍錫層較薄(錫層厚度只有約9 μm)，無(wú)法使焊帶與太陽(yáng)電池背電極之間形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的合金層，從而導(dǎo)致背面焊接拉力偏低。

圖9 不同結(jié)構(gòu)焊帶與太陽(yáng)電池背面的焊接拉力圖

熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)最能體現(xiàn)焊接方面的可靠性，為滿足光伏組件在戶外的長(zhǎng)期使用，我們對(duì)以上4種焊帶結(jié)構(gòu)的光伏組件進(jìn)行了熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)果如圖10所示。

圖10 TC 200實(shí)驗(yàn)前后光伏組件功率衰減圖

從圖10可以看出，熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，4種焊帶結(jié)構(gòu)的光伏組件功率衰減從大到小依次為②、④、①、③。其中，斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件②的功率衰減大于5%，超出IEC 61215的要求，這和其背面焊接拉力偏低相對(duì)應(yīng)；其他3種焊帶結(jié)構(gòu)的光伏組件功率衰減相差不大，均小于2.5%，滿足IEC 61215的實(shí)驗(yàn)要求。

圖11為3種異構(gòu)焊帶光伏組件經(jīng)TC 200實(shí)驗(yàn)后的EL圖像。從圖中可以看出，斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件②實(shí)驗(yàn)后的EL圖像出現(xiàn)明顯的明暗片現(xiàn)象，說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，其焊帶和電池之間的結(jié)合出現(xiàn)了異常。結(jié)合光伏組件②制作過(guò)程中焊接拉力的異?，F(xiàn)象，可以判定是由于斜紋異構(gòu)焊帶②的錫層較薄，導(dǎo)致TC 200實(shí)驗(yàn)后光伏組件失效。豎紋異構(gòu)焊帶③、④則均滿足使用要求。

圖11 異構(gòu)焊帶光伏組件經(jīng)TC 200實(shí)驗(yàn)后的EL圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文分別從光伏組件的光路分析、生產(chǎn)應(yīng)用、功率、戶外發(fā)電量監(jiān)控4個(gè)方面分析了異構(gòu)焊帶提升光伏組件功率的原理及對(duì)光伏 組件可靠性的影響。結(jié)果表明，豎紋異構(gòu)焊帶對(duì)光伏組件功率的提升優(yōu)于斜紋異構(gòu)焊帶。同時(shí)，在戶外實(shí)際發(fā)電時(shí)，斜紋異構(gòu)焊帶光伏組件不受安裝方式的影響，豎紋異構(gòu)焊帶光伏組件橫裝時(shí)的發(fā)電性能優(yōu)于豎裝。對(duì)于密豎紋異構(gòu)焊帶光伏組件，在標(biāo)準(zhǔn)情況下功率可提升2%；在戶外橫向安裝時(shí)發(fā)電量可提升1.6%。目前，在光伏組件的應(yīng)用中，異構(gòu)焊帶在成本和可靠性方面都已經(jīng)具備產(chǎn)業(yè)化的條件。