2020年中國光伏技術(shù)發(fā)展報(bào)告
—— 晶體硅太陽電池研究進(jìn)展(9)

中國可再生能源學(xué)會(huì)光伏專業(yè)委員會(huì)

(中國可再生能源學(xué)會(huì)，北京 100190)

7 光伏組件技術(shù)的進(jìn)展

2019 年的光伏組件技術(shù)承接前2年的發(fā)展，仍舊聚焦在以下技術(shù)的大規(guī)模量產(chǎn)方面：半片技術(shù)(Half cut)、疊瓦技術(shù)(Shingle)、雙玻組件(Bifacial)，以及封裝材料的改進(jìn)以降低封裝損失(提高CTM)。但也出現(xiàn)了一些新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，如拼片技術(shù)、大硅片光伏組件，以及MBB光伏組件技術(shù)，包括SWCT技術(shù)。

通過不斷努力，一線大廠的60片版型單晶硅光伏組件最大功率已經(jīng)達(dá)到335～340 W，較2018年提升了10 W左右，光伏組件的最佳光電轉(zhuǎn)換效率在20.0%～20.5%之間。目前IBC光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率最高，新推出的基于6英寸大硅片的A系列光伏組件使用了66片電池，因此不能認(rèn)為這是純正的60片版型光伏組件，但其功率達(dá)到了425 W，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了22.8%。

純60片版型光伏組件的分類情況如下：

1)HJT光伏組件。最高功率來自REC公司的半片HJT光伏組件，該光伏組件的電池采用了SWCT技術(shù)，其功率達(dá)到了380 W，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了21.7%。鈞石公司的HJT光伏組件的功率只有335 W，光電轉(zhuǎn)換效率為20.37%。這種差異或許來自半片技術(shù)和SWCT 技術(shù)。

2)IBC光伏組件。LG公司的IBC光伏組件的功率達(dá)到了370 W，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了21.40%。中來公司的IBC光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了21.39%。

3)TOPCon光伏組件。TOPCon光伏組件一般都采取了MBB 技術(shù)。中來公司采用MBB 的TOPCon光伏組件功率達(dá)到345 W，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20.98%；天合公司的TOPCon-MBB光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20.60%，功率達(dá)到335 W。

4)疊瓦光伏組件。疊瓦光伏組件的功率較高，但由于其所用電池的數(shù)目達(dá)到66～68片，因此其光電轉(zhuǎn)換效率并非很高。塞拉弗的疊瓦光伏組件功率達(dá)到了370 W，光電轉(zhuǎn)換效率為20.5%；TW太陽能公司的疊瓦光伏組件功率達(dá)到360 W，光電轉(zhuǎn)換效率為20.4%；阿特斯公司的疊瓦光伏組件功率僅340 W，光電轉(zhuǎn)換效率為20.16%。這種光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率相差不大，但功率相差較大，主要是因?yàn)槭褂玫墓杵叽绱嬖诓町悺?/p>

5)PERC光伏組件。高效的PERC光伏組件幾乎都使用半片技術(shù)，功率也普遍在340 W左右，光電轉(zhuǎn)換效率在20.10%～20.45%之間。PERC光伏組件較少采用MBB 技術(shù)。

從以上結(jié)果來看，目前PERC光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率基本在20.1%左右，均采用了半片技術(shù)；采用疊瓦技術(shù)的光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率相差不多，只是功率密度有較大提升。HJT太陽電池不疊加MBB技術(shù)、半片技術(shù)，與PERC太陽電池疊加了高效組件技術(shù)后相比，二者的功率相差不大，優(yōu)勢(shì)不明顯。這就提示了未來HJT太陽電池必須疊加新的高效組件技術(shù)，如MBB、SWCT、半片、拼片等，比如REC公司，其組件的光電轉(zhuǎn)換效率提升了1%。TOPCon光伏組件也需要疊加MBB 技術(shù)才能比半片PERC光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率高，但仍不能與同樣疊加了MBB、SWCT、半片等技術(shù)的HJT光伏組件相比。

值得注意的是，HJT太陽電池采用半片技術(shù)后其光電轉(zhuǎn)換效率也不是很高，僅為20.54%，雖優(yōu)于60片版型的全片HJT光伏組件的20.37%，但該數(shù)據(jù)還是令人失望，唯有采用MBB或SWCT技術(shù)才能使HJT光伏組件的功率和光電轉(zhuǎn)換效率提升。中來公司的疊加了MBB、半片技術(shù)后的TOPCon光伏組件的最高功率達(dá)到460 W、光電轉(zhuǎn)換效率為21.21%。晶澳公司的疊加半片技術(shù)、MBB技術(shù)后的PERC光伏組件的最高功率達(dá)到445 W、光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20.5%，這或許是目前PERC太陽電池所能達(dá)到的最好結(jié)果。

用戶更關(guān)注的是光伏組件的功率，對(duì)其光電轉(zhuǎn)換效率并不十分關(guān)注。因此許多組件供應(yīng)商采取了大硅片技術(shù)以提升組件功率，比如72片版型的光伏組件。隆基公司的型號(hào)為L(zhǎng)R4-72HPH的光伏組件僅采用半片PERC技術(shù)就可將組件功率提升至440 W，而其他PERC電池廠商將PERC半片、MBB等技術(shù)疊加才使組件功率達(dá)到405～410 W，這是因?yàn)槁』臼褂昧烁蟪叽绲?66 mm硅片，而其他企業(yè)主流采用的是158.75 mm硅片。但硅片尺寸較大導(dǎo)致隆基公司的光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率并不高。阿特斯公司使用166 mm的多晶硅片，疊加了半片、MBB等技術(shù)，最終將組件功率提升至425 W 和430 W，使PERC多晶硅太陽電池的功率達(dá)到了最大。

中來公司將TOPCon太陽電池用于72片版型光伏組件時(shí)，組件功率為415 W，但并不像其在60 片版型光伏組件那樣搶眼，功率只比同樣的PERC組件高出5～10 W。鈞石公司的HJT太陽電池使用了半片技術(shù)，但是未使用MBB技術(shù)，其功率比中來公司的TOPCon光伏組件(半片+MBB)低5 W。

從這些對(duì)比分析來看，TOPCon與HJT太陽電池在光伏組件端必須疊加現(xiàn)有所有的高端光伏組件技術(shù)才能具有功率或光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢(shì)。這些高端光伏組件技術(shù)包括半片技術(shù)+MBB 技術(shù)+大硅片技術(shù)，否則與PERC電池相比無較大優(yōu)勢(shì)。因?yàn)榇蟛糠諴ERC電池均已疊加了這些技術(shù)中的1種或2種，雖然在2019年時(shí)MBB技術(shù)還未普及于PERC電池，但到2020年MBB將會(huì)在PERC電池中得到普及。

所有光伏組件廠家在使用上述技術(shù)的同時(shí)還需要不斷提高從太陽電池到光伏組件封裝過程中的組件功率與電池功率之間的比率(CTM)，即降低光伏組件的封裝損失。德國Fraunhofer研究所開發(fā)了一種計(jì)算光伏組件封裝之后各種損失的軟件SmartCalc.CTM，按照該軟件給出的測(cè)算結(jié)果，光電轉(zhuǎn)換效率為20.75%的太陽電池封裝成組件后的光電轉(zhuǎn)換效率降為17.48%，降低了3.27%。

影響光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的因素包括：組件邊框損失(K1)、電池間空白損失(K2)、前蓋板玻璃的反射(K3)、前蓋板玻璃對(duì)光線的吸收(K4)、封裝材料的反射(K5)、封裝材料對(duì)光線的吸收(K6)、因焊帶造成的陰影遮擋(K7)、封裝材料匹配性(K8)、細(xì)柵耦合度(K9)、主柵聯(lián)線的匹配(K10)、背板間的耦合匹配(K11)、電池連接造成的損失(K12)、接觸引線造成的損失(K13)、電池間的電學(xué)失配(K14)、接線盒和導(dǎo)線損失(K15)，雖然大部分因素會(huì)導(dǎo)致光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的下降，但也有一些因素會(huì)促成光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率提升(如K8～K11)。

值得注意的是，許多導(dǎo)致光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率損失的因素并不會(huì)導(dǎo)致CTM的損失，比如K1、K2和K7。因此，CTM并不像光電轉(zhuǎn)換效率那樣相差那么大。

據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)的調(diào)查，2019年P(guān)ERC單晶硅光伏組件的CTM平均值約為97.4%，中位值約為97.5%，而BSF多晶硅光伏組件的CTM平均值為99.6%，中位值為99.5%。

組件生產(chǎn)廠家和組件材料供應(yīng)商應(yīng)密切合作，不斷提高組件的CTM。目前正在使用的不斷提高CTM值的技術(shù)包括：1)在前蓋板玻璃上涂增透膜、采用超白玻璃(對(duì)應(yīng)K3、K4)；2)采用高透光的前表面封裝材料(高透光率的EVA、POE)(對(duì)應(yīng)K5、K6)；3)采用三角形或圓形焊帶，使之對(duì)于入射光形成散射，在前表面的封裝材料上形成折返入射(對(duì)應(yīng)K9、K10)；4)采用高反光的背板封裝材料( 如白色EVA，對(duì)于雙玻光伏組件不適用)(對(duì)應(yīng)K8)；5)采用高反射背板(對(duì)應(yīng)K11)；6)采用半片組件設(shè)計(jì)，減小柵線上的電流損失(對(duì)應(yīng)K2～K5)；7)采用疊瓦或拼片設(shè)計(jì)，減小電池之間的縫隙(對(duì)應(yīng)K2)；8)采用多主柵技術(shù)(對(duì)應(yīng)K10、K12)。

上述所有技術(shù)在近幾年都有較大的發(fā)展，2019年只是在產(chǎn)業(yè)的普及性上更進(jìn)一步發(fā)展，而且這些技術(shù)中的很大部分可以互相疊加使用。由于各種光伏組件技術(shù)需要各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的設(shè)備和原材料相互配合，因此并不容易直接導(dǎo)入到生產(chǎn)線中去。各種光伏組件技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如表24所示[35]。

表24 各種光伏組件技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)Table 24 Advantages and disadvantages of various PV module technologies

在組件產(chǎn)線導(dǎo)入這些技術(shù)時(shí)，會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)，下文進(jìn)行具體介紹。

1) 切半損失，主要包括2個(gè)方面。①切割損傷導(dǎo)致的功率損失，PERC太陽電池在這方面的損失已經(jīng)有了較大改進(jìn)，切割損失在0.1%之內(nèi)。但HJT太陽電池的切割損失相對(duì)較大，這主要是因?yàn)镠JT太陽電池的雙面都有金屬TCO，在切割時(shí)可能會(huì)造成邊緣短路；另外切割產(chǎn)生的鈍化損失也較大，目前已經(jīng)有企業(yè)在研究HJT太陽電池的無損切割。②在切割后會(huì)出現(xiàn)電池光電轉(zhuǎn)換效率不一致的情況，應(yīng)對(duì)半片電池進(jìn)行二次分選，但現(xiàn)在絕大部分企業(yè)未進(jìn)行切割后電池的二次分選。

2) MBB 串焊技術(shù)。由于MBB 的主柵很細(xì)，甚至采用點(diǎn)狀的銀漿電極點(diǎn)，這對(duì)于串焊機(jī)的對(duì)準(zhǔn)度要求很高；再加上這種超細(xì)主柵的焊接強(qiáng)度會(huì)下降很多，因此可能會(huì)采取ECA輔助焊接，但這對(duì)設(shè)備的改進(jìn)要求較大，對(duì)原材料也有新的要求。此外，對(duì)于HJT太陽電池而言，其采用MBB串焊技術(shù)的挑戰(zhàn)更大。采用SmartWire 連接技術(shù)(SWCT)還需要MB 公司的特殊封裝生產(chǎn)線。

3) 疊片技術(shù)。該技術(shù)需要將2個(gè)硅片的邊緣壓合在一起，但碎片率較高且應(yīng)力導(dǎo)致的電池隱裂較多，而且在電池邊緣使用了ECA 粘接，這種技術(shù)的未來可靠性尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，疊片技術(shù)會(huì)導(dǎo)致電池邊緣存在遮擋，因此其提高的只是電池的功率密度，而光電轉(zhuǎn)換效率并未得到提高，多投入的電池并不能得到同等功率的組件增益，經(jīng)濟(jì)性受到質(zhì)疑。

4) 大硅片技術(shù)。該技術(shù)在一定限度內(nèi)可以降低成本，目前主流廠家的設(shè)備最大可兼容尺寸為166 mm的硅片。對(duì)于尺寸為210 mm的硅片則需要全面設(shè)計(jì)新的版型，因此串焊機(jī)、布片機(jī)等都需要重新考慮；另外，為了減小電池的電流功耗，尺寸為210 mm 的硅片勢(shì)必會(huì)切割成更多的硅片，因此切割損失、切后的分選成為更需要考慮的因素。

8 封裝材料技術(shù)介紹

光伏組件的封裝材料分為2種類型。1) 密封材料：將光伏組件密封起來，與外部環(huán)境隔絕，如EVA膜和POE膜等。2)背板材料：通常用在光伏組件背表面的最外層，以便于進(jìn)一步隔絕外界的影響因素，包括電絕緣、水汽阻隔等。目前，光伏組件的背板材料包括塑料、玻璃等。

8.1 光伏組件背板

光伏組件背板也稱為太陽電池背板、太陽電池背板膜、光伏背板膜等，是一種位于光伏組件背面的封裝材料，在戶外環(huán)境下能夠保護(hù)光伏組件抵抗光、濕熱等環(huán)境因素對(duì)EVA膠膜、電池等材料的侵蝕，起到耐候、絕緣的保護(hù)作用。由于背板位于光伏組件背面的最外層，直接與外部環(huán)境大面積接觸，因此需具備優(yōu)異的耐高低溫、耐紫外輻照、耐環(huán)境老化和水汽阻隔、電氣絕緣等性能，以滿足光伏組件25年的使用壽命。

光伏組件對(duì)背板的厚度、斷裂伸長(zhǎng)率、收縮率、層間剝離力、與EVA 粘結(jié)強(qiáng)度等性能指標(biāo)的要求很高。GB/T 31034-2014《晶體硅太陽電池組件用絕緣背板》由國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)頒布，并于2015年7月1日正式實(shí)施，其中關(guān)于光伏組件背板的主要性能指標(biāo)如表25所示。

按照材料，光伏組件背板可分成有機(jī)高分子類和無機(jī)物類。有機(jī)高分子類包括雙面含氟、單面含氟和不含氟3類，無機(jī)物類主要為玻璃。按照生產(chǎn)工藝來分，光伏組件背板主要分為復(fù)合型、涂覆型和共擠型。目前，復(fù)合型背板占據(jù)光伏組件背板市場(chǎng)80%以上的份額，由于雙玻光伏組件的市場(chǎng)應(yīng)用增多，玻璃背板的市場(chǎng)占有率超過7%，而涂覆型背板的市場(chǎng)占有率約為5%。下文中所稱“背板”均指有機(jī)高分子類背板，不同分類方式下的背板分類如圖49和圖50所示。

圖49 按材料分類時(shí)光伏組件背板的分類情況Fig. 49 Classification of PV module backsheets by materials

圖50 按生產(chǎn)工藝分類時(shí)光伏組件背板的分類情況Fig. 50 Classification of PV module backsheets by production processes

1)復(fù)合型背板。復(fù)合型背板多是以PVF 或PVDF樹脂加工生產(chǎn)的氟膜，通過膠粘劑與PET基膜粘結(jié)復(fù)合而成，以TPT/TPE/KPK/KPF 結(jié)構(gòu)最為常見，是目前光伏組件背板產(chǎn)品的主要生產(chǎn)方式。由于氟膜屬于難粘結(jié)的材料，對(duì)膠粘劑的品質(zhì)要求較高，而光伏組件在戶外長(zhǎng)期使用過程中受光照、濕度和溫度等多重因素的綜合影響，易發(fā)生膠粘劑老化水解等現(xiàn)象，導(dǎo)致氟膜與PET基膜的層間剝離，失去氟膜保護(hù)的PET在受到紫外光照及水汽侵蝕等影響后，出現(xiàn)開裂，使整個(gè)光伏組件失去背板的保護(hù)，從而徹底失效。因此，采用復(fù)合型背板除關(guān)注PET基膜的質(zhì)量和外層氟膜的質(zhì)量外，膠粘劑的質(zhì)量和整個(gè)背板的復(fù)合加工工藝過程也非常關(guān)鍵。

表 25 光伏組件背板的主要性能指標(biāo)Table 25 Main performance indicators of PV module backsheets

2) 涂覆型背板。涂覆型背板主要是以FEVE、PVDF等為主體樹脂制備而成的氟碳涂料，采用特種涂覆方式與PET基膜通過化學(xué)鍵合成膜。該類產(chǎn)品的一體化程度較高、耐候性能優(yōu)異，突破了國外少數(shù)企業(yè)對(duì)氟膜與膠粘劑的壟斷，實(shí)現(xiàn)了光伏組件背板生產(chǎn)的低成本要求。復(fù)合型和涂覆型背板的對(duì)比如表26所示。

8.2 光伏組件背板的結(jié)構(gòu)

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)是一種合適的、性價(jià)比高的背板基材，具有良好的電氣絕緣和阻水特性；但純PET易水解且UV穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)決定了單一的PET很難保證光伏組件的長(zhǎng)期使用壽命。因此，光伏組件背板一般采用三層膜結(jié)構(gòu)，另外的2層膜將PET夾在中間，主要是保護(hù)中間的PET層免受水解和UV導(dǎo)致的衰減?；?層背板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，大多數(shù)背板供應(yīng)商以PET材料為中間層，不同的內(nèi)外層材料作保護(hù)層，開發(fā)出了多種類型的光伏組件背板。值得關(guān)注的是，隨著對(duì)背板材料認(rèn)識(shí)的深入，近些年來，越來越多的企業(yè)開始創(chuàng)新性的使用其他聚合物替代PET成為光伏組件背板的中間層，以降低背板水解和老化的風(fēng)險(xiǎn)。下面介紹目前市面上主流的光伏組件背板結(jié)構(gòu)。

表26 復(fù)合型背板和涂覆型背板的對(duì)比Table 26 Comparison of composite backsheet and coated backsheet

1) TPT。最早的光伏組件背板采用TPT結(jié)構(gòu)，即Tedlar/PET/Tedlar結(jié)構(gòu)。其中，Tedlar為杜邦公司所生產(chǎn)的聚氟乙烯(PVF)樹脂制成的膜，該樹脂一直被杜邦公司所壟斷，有一段時(shí)間，Tedlar甚至成了光伏組件背板的代名詞。

2) KPK。法國Arkema公司采用聚偏氟乙烯(PVDF)替代了PVF作為背板材料，但其3層結(jié)構(gòu)與TPT相同。該P(yáng)VDF膜的商業(yè)名稱為Kynar，因此該背板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為KPK。

3) TPE。2005～2006年，美國Madico公司開發(fā)了一款新型的聚乙烯層取代氟聚合物層，其商業(yè)名稱為E層或Primer(底層)，因此背板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為TPE。采用這種聚乙烯膜的初衷是考慮到內(nèi)層膜受到太陽輻照的紫外線強(qiáng)度已降至空間輻射的1/10，因此內(nèi)層膜的主要功能就是如何更好地與EVA封裝膜匹配，以增加其與EVA的粘結(jié)強(qiáng)度。因此采用E膜不但可以大幅降低背板成本，而且還彌補(bǔ)了當(dāng)時(shí)杜邦公司因產(chǎn)能不足而無法滿足光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展對(duì)背板需求的急劇擴(kuò)張。

4) KPE。在美國Madico公司之后，有公司也開始效仿此做法，在內(nèi)層采用低成本的聚乙烯膜取代相對(duì)昂貴的氟聚合物膜，如PVDF，因此開發(fā)出了KPE背板。

5) PPE。Tedlar的短缺和高價(jià)使研究人員考慮使用非氟材料徹底取代氟樹脂，這樣一方面可以降低成本，另一方面可使光伏產(chǎn)業(yè)更加“綠色”。意大利Coveme公司徹底摒棄了氟聚合物，改用PET底膜，并在最外側(cè)使用紫外輻照穩(wěn)定的聚酯膜(P)，由此形成了PPE背板，該類背板的結(jié)構(gòu)為改性聚酯/聚酯/聚乙烯。

6) CPC。為進(jìn)一步降低成本，研究人員使用涂敷技術(shù)直接將含氟或不含氟的材料涂敷在PET基板上，形成所謂的Coating/PET/Coating(CPC)結(jié)構(gòu)。中國的福斯特公司和中來公司提供含氟的CPC背板，德國Feron公司和比利時(shí)AGFA公司提供非氟涂層背板。

7) KPF。賽伍公司設(shè)計(jì)了一種將內(nèi)層氟膜改成非常薄的一層氟皮(Fluorine Skin)的新結(jié)構(gòu)，這樣既可以降低氟材料用量，又足以增加UV穩(wěn)定性。也有中國公司采用這一技術(shù)，比如浙江晶茂、杭州福斯特、樂凱膠片等公司。 (待續(xù))