背接觸電池組件封裝損失研究

摘 要：本文對光伏行業(yè)高度關注的高效電池組件封裝損失進行了研究，通過比較雙面電池組件與背接觸電池組件封裝損失的全影響因素和差異，提出不同結構的高效電池對降低封裝損失的材料和工藝有適配需求。并通過試驗驗證采用不同類型的光伏玻璃、膠膜與背板封裝材料，并采用不同的電池片間隙、多主柵焊接封裝工藝以降低背接觸電池組件封裝損失的實際效果，同時提出了生產焊接工藝對確保組件功率的重要性。

關鍵詞：背接觸電池；封裝損失；光學損失；電學損失；光學增益；失配

中圖分類號：TK 511" " " " 文獻標志碼：A

光伏組件輸出功率與電池片功率總和的百分比CTM（Cell to module）是衡量組件封裝功率損失程度的重要參數(shù)，CTM值越高表示組件封裝功率損失越低。目前，隨著PERC、TOPCon、HJT和XBC等高效電池的推廣應用，與各類電池相匹配并用于提升組件CTM的新型封裝材料與工藝成為研究重點。陳雨等人采用MATLAB軟件對影響雙面電池組件封裝損失的各因素進行模擬研究，得出影響因素從大到小的依次排序[1]。Nicolas Guillevin等人采用導電背板封裝IBC電池小組件進行驗證，得出間隙反光貼膜對小組件CTM有5.1%的提升效果。Ingrid Haedrich等人比較了多晶硅、PERC和IBC電池組件CTM，發(fā)現(xiàn)光學增益從大到小的排序為多晶硅、PERC和IBC電池組件。

目前，行業(yè)中對背接觸（BC）電池組件的CTM研究仍較少，由于BC電池正面無柵線需要采用全背面互連，因此與PERC、TOPCon、HIT電池雙面互連有本質差別。本文以IBC晶硅電池為代表，對雙面電池組件和IBC電池組件CTM的全影響因素進行了分析，并驗證了多種提效封裝材料和工藝對IBC電池組件CTM的提升效果。

1 封裝損失分析

用于提升電池組件CTM的技術主要包括高透光率玻璃和膠膜、高反射率背板、圓形或異形焊帶、多主柵MBB（Multi-Busbars）互連、間隙貼膜、負間距互連、0間距互連以及疊瓦工藝等，各種技術與各類電池存在適配性，同一技術應用于不同結構電池的組件，其CTM提升效果也不同，需要分析影響組件封裝損耗的各種因素。

1.1 CTM影響因素分析

長期以來，雙面電池組件CTM的影響因素主要歸結為光學損失與電學損失2個部分[2]。隨著高密度封裝技術的應用，由組件設計尺寸帶來的CTM影響也需要充分考慮。雙面電池組件與IBC電池組件的CTM影響因素可分為設計損失、光學增益[3]、光學損失和電學損失4個部分，每部分均有多個影響因素，見表1。

1.2 CTM影響因素比較

光伏組件具有多層封裝結構，其CTM受光學因素的影響[4]比受電學因素的影響更顯著和復雜，尤其對雙面電池組件來說，光學增益對組件CTM有更顯著的提升效果。雙面電池組件、IBC電池組CTM的全影響因素分別如圖1、圖2所示。

雙面電池組件CTM增益主要來自光照射在組件正面焊帶、電池細柵線和匯流帶后的散射以及通過電池片、電池串間隙照射在背板上的反射。當光的散射角或反射角超過空氣和玻璃界面、玻璃和膠膜界面的全內反射角時，就有可能再次返回電池正表面并被吸收利用，該影響因素體現(xiàn)于K2、K4和K5。而IBC電池的正負電極、細柵線全部印刷于電池片背面，焊帶全部在電池片背面連接，缺少了正面焊帶與細柵線的光散射增益k2和k4，也消除了正面焊帶與細柵線的遮光損失k10。由于電極結構的差異，對雙面電池普遍適配的提效封裝材料和封裝工藝不一定完全適用于IBC電池，因此需要通過試驗驗證其適配性。

2 驗證與分析

2.1 玻璃的影響

試驗采用效率為23.7%的158.75mm×158.75mm（G1規(guī)格）IBC電池，與不同鍍膜的光伏玻璃、相同型號的白色背板封裝成60片版型的半片電池組件。前玻璃分別采用3.2mm厚度的單層減反射鍍膜ARC（Anti-reflective coating）玻璃、雙層無色ARC玻璃和雙層高透ARC玻璃，并使用奧博泰（AOPTEK）測試儀測量3種玻璃在波長380nm～1100nm的透光率。

光伏玻璃透光率曲線如圖3所示，不同ARC玻璃的對比見表2。由圖3和表2可知，雙層無色ARC玻璃與單層ARC玻璃透光率基本相近。雙層無色ARC玻璃透光率小于560nm左右波長時低于單層ARC玻璃，高于560nm左右波長時高于單層ARC玻璃，但對組件功率影響不大。雙層高透ARC玻璃在全波長范圍內的透光率比其他玻璃有所增加，組件功率也有明顯增益。但制作全黑IBC電池組件必須使用雙層無色ARC玻璃，才能達到全黑外觀要求，因此CTM無法達到理論最優(yōu)值。

2.2 封裝膠膜的影響

試驗采用效率為23.7%、24.0%的G1規(guī)格IBC電池，并分別采用POE膠膜、3層結構EPE膠膜（EVA-POE-EVA），與厚度為3.2mm的單層ARC玻璃、相同型號的透明背板封裝成72片版型的半片電池組件。

封裝膠膜對組件CTM的影響主要由透光率造成，POE膠膜與EPE膠膜的透光率差異如圖4所示。在290nm～380nm波段，POE膠膜透光率略高于EPE膠膜；在380nm～1100nm波段，EPE膠膜透光率比POE高約0.6%。從整體來看EPE膠膜透光率更具優(yōu)勢。采用2種膠膜封裝組件并驗證功率，EPE膠膜封裝組件的功率略高，原因為EPE膠膜為3層結構，上、下層均采用EVA，而EVA透光率比POE高約1%。

2.3 背板的影響

試驗采用效率為23.7%的G1規(guī)格IBC電池，并分別采用白色背板、黑色背板和高反射率黑背板，與厚度為3.2mm的單層ARC玻璃封裝成72片版型的半片電池組件。不同背板與電池片間距對比見表4。

背板對組件CTM的增益主要由背板內表面的反射率造成。白色背板內表面反射率普遍穩(wěn)定，在500nm～1100nm波段內可達80%以上，制作全黑組件的黑色背板內表面基本無反射率。因此，采用高反射率的黑色背板對全黑組件CTM有明顯增益，但增益量也取決于電池片、電池串之間的間隙。間隙越大，可重復利用的反射光越多，組件功率和CTM增益也越大。

2.4 焊帶的影響

雙面電池主要采用多主柵、圓焊帶或異形焊帶提升組件CTM，原理是增加組件正面光散射并降低焊帶電阻損耗，對應CTM影響因素為K2、K4與K10、K12。雙面電池組件由正面焊帶光散射帶來的組件功率增益可達2%以上，但IBC電池正面焊帶光散射增益k2、細柵線光散射增益k4均不存在，由正面焊帶和細柵線遮擋的光學損失k10也不存在。但是，雙面電池由正面焊帶、細柵線遮擋造成的CTM損失僅約0.16%，IBC電池由缺少k2、k4增益造成的CTM損失明顯大于對k10損失的降低。不同主柵線IBC電池組件對比見表5。

試驗采用效率分別為23.7%、23.9%的12BB、18BB G1規(guī)格的IBC電池，與厚度為3.2mm的單層ARC玻璃、黑色背板封裝成72片版型的半片電池全黑組件。電池效率相同時，18BB比12BB電池組件功率高約1W～2W。通過增加IBC電池主柵線數(shù)量、縮短電流傳輸距離，可以降低電學損失，提升組件CTM。但同是G1規(guī)格的雙面電池，當單面主柵線數(shù)量由5BB增至9BB時，組件功率可提升5W以上。

2.5 電池失配的影響

隨著G1規(guī)格以上電池片的應用，組件制造都采用半切片電池焊接技術，電路連接由整片電池全串聯(lián)變?yōu)榘肫姵亍按?lián)-并聯(lián)-串聯(lián)”方式。以60片電池組件為例，60片整片電池組件由6個整片電池串組成，60片半片電池組件由12個半片電池串組成，組件中電池片和電池串數(shù)量都增加1倍，并且由于半切片電池的效率測試分檔仍未得到普遍應用，因此增加了電池失配概率。IBC電池失配的功率影響見表6。

經試驗驗證，采用G1規(guī)格IBC電池并按每隔0.2%效率分檔，66片版型半片電池全黑組件功率數(shù)據(jù)離散度明顯升高，功率極差值達15W以上。而按每隔0.1%效率分檔，組件功率極差值在10W以內，可見電池失配對組件功率有明顯影響。

2.6 工藝缺陷的影響

上文對組件CTM全影響因素分析均以組件制程良好為前提。在降本趨勢下，為降低銀漿耗量，電池片主柵線、細柵線的印刷寬度和高度均下降，焊接穩(wěn)定性成為影響組件功率的重要因素。經試驗驗證，虛焊會造成組件CTM顯著下降，體現(xiàn)在輸出參數(shù)FF、Vpmax和Ipmax下降。不良IBC電池組件功率對比見表7。

3 結論

本文通過對雙面晶硅電池組件、IBC晶硅電池組件的CTM影響因素進行分析和對比，并對IBC電池與不同類型封裝材料和提效技術進行適配驗證，所得結論如下。

IBC晶硅電池的全背面焊接結構導致正面焊帶和細柵線光散射光學增益缺失、遮光光學損失缺失。相比而言，IBC電池組件因缺少光學增益造成的CTM損失，明顯大于對遮光損失缺失的增益。

IBC晶硅電池采用雙高透玻璃、EPE膠膜、高反射背板、寬電池片間隙和多主柵焊接后，組件CTM均有所提升。由于IBC電池全黑組件外觀要求較高，這幾項提效技術不能同時用于IBC電池全黑組件，導致全黑組件CTM提升受限。

組件CTM與電池焊接質量有較大關聯(lián)，加強電池焊接質量把控，電池組件CTM會有明顯改善。

參考文獻

[1]陳雨.光伏組件封裝功率損失的研究[D].蘇州：蘇州大學，2019.

[2]馬昀峰，左燕.光伏組件制造過程封損控制方法的研究[J].電子世界，2018（2）：5-7.

[3]李全強.太陽能晶體詰電池片封裝功率損失研究與優(yōu)化改進[D].蘇州：蘇州大學，2015.

[4]吳建東，嚴迎燕，張艷林，等.層壓和儲存條件對太陽能電池用聚烯烴封裝膠膜透光率的影響研究[J].中國膠黏劑，2021，30（7）：34-37.