晶体硅太阳电池组件的优化设计

晶体硅太阳电池组件的优化设计孔凡建江苏辉伦太阳能科技有限公司（ 210032）一般地认为，晶体硅太阳电池组件的制造技术比较简单，所以一些企业对组件制造过程的技术管理和控制并不十分重视，并且在某些方面存在着误解和错误，而且关于晶体硅太阳电池组件的相关文献十分缺少。笔者近几年相继发表了一些关于晶体硅太阳电池组件的研究报告 [1-3] 。本文的目的就是将这些报告中的一些成果和目前正在研究的成果做一个简要的介绍。1． 光路优化和光学增益文献 [1]于 2003 年发表，讨论了晶体硅太阳电池组件的光学增益问题。文献中记载的实验证明，好的光学匹配可以使光学增益达到 5.75%。但是，坏的光学匹配，也可以几乎不发生光学增益。怎样提高光学增益，是太阳电池组件制造过程中的一个重要技术。图 1. 玻璃花型形成的阴影图 1 中的深色斑点是玻璃压花在组件内部形成的阴影。这些阴影对照射到太阳电池表面上的光的均匀性产生了不良的影响，必然影响到太阳电池的转换效率。提高太阳电池组件的光学增益，另一个重要的方面是减少太阳电池组件对光线的反射。在垂直入射时，在两个透明介质分界面上的反射率 R 由下式 [4]决定：221221nnnnR （ 1）其中： n1 和 n2 分别是两个介质的折射率。已知空气的折射率 n0 = 1，如果光伏组件玻璃的折射率n1 = 1.45 ，则在空气玻璃界面的反射率为 3.4%。为了减少这个折射，光伏玻璃表面往往制作成绒面，可以使反射降低到 2%以下。在晶体硅太阳电池表面， 一般都镀有 SiN 减反射膜。 为了使太阳电池表面的反射率最小， SiN膜的几何厚度 d 一般满足：2234223422221211225102510 0 1111 nnnnnnnnnnnnnnnnR30n4d （ 2）其中： λ 0 是所选择的中心波长； n3 是 SiN 膜的折射率。以 n2 代表 EVA 的折射率， n4 代表 Si 材料的折射率。对于满足（ 2）式的 SiN 减反射膜，太阳电池组件中太阳电池表面对波长为 0 的光的反射率可以表达为 [4]：2234223420nnnnnnR （ 3）如果忽略二次反射，忽略各层介质对光的吸收，忽略玻璃的压花和太阳电池绒面效果，太阳电池组件表面的总反射率可以表达为：22342234222121210100nnnnnn1nnnn1nnnn11R （ 4）如果玻璃表面镀膜，膜的折射率为 n5，假设玻璃压花的减反射比为 η 1，太阳电池绒面的减反射比为 η 2，则（ 4）式可以修改为：（ 5）2． 串联电阻损失在实际的生产过程中，人们发现，通常制作的组件的实际输出功率要低于所使用的太阳电池的额定总功率。既然封装对于太阳电池组件有光学增益，为什么实际制造的组件的输出功率要下降呢？根本原因在于，太阳电池组件的制造过程增加了串联电阻。文献 [2] 专门讨论了这个问题。根据测量和计算， 例如， 一个 185W 的晶体硅太阳电池组件， 串联电阻的各个分项值分别为：a) 太阳电池自身的串联电阻 = 325.4 m Ωb) 互联条串联电阻 = 218.2 m Ωc) 互联条与电池电极的接触电阻 = 3.3m Ωd) 汇流带串联电阻 = 38.4m Ωe) 接线盒内接点串联电阻 = 20 m Ωf) 连接电缆串联电阻 = 9.2 m Ωg) 连接器串联电阻 = 10 m Ω其串联电阻的总和为： Rs = 625mΩ ，由此产生的功率损失为 16W，占 185W组件输出功率的 8.7%。其中，组件生产过程中增加的串联电阻为： R0 = 299mΩ ，增加的功率损失为 7.5W，占 185W组件输出功率的 4.1%。通过双辐照度方法 [5] 测量的额定功率为 185W的组件的串联电阻为 0.64 。这个数值与上述理论计算值大小接近，但是稍大于理论值，与通常的太阳电池组件测试设备测量的串联电阻大约1 的数值相比有比较大的差别。 文献 [2] 比较了几个不同功率组件的测量串联电阻和理论计算串联电阻之间的差别，见图 2。如图所示，随着组件功率的下降，实际测量值与理论计算值之间的差别增加。这表明，太阳电池组合过程中 I-V 特性曲线的不匹配产生了附加的串联电阻。这个不匹配部分来源于太阳电池自身之间的差别，部分来源于测试过程中光源的不均匀性。不匹配的现象越严重，所引入的附加串联电阻越大，匹配损失越大。当太阳电池效率低下时，太阳电池 I-V特性之间的差别比较大，从而带来的串联电阻损失比较大。随着太阳电池效率的增加，太阳电池组合对太阳电池组件串联电阻增加的影响要下降，因为高效率的太阳电池的 I-V 特性之间的差别比较小。图 2. 串联电阻随组件功率的变化3． 接线盒的影响不同形式的接线盒对太阳电池组件的可靠性和输出功率都产生重要的影响。文献 [3]专门讨论了不同接线盒对二极管工作温度的影响。实验表明， 体积小的接线盒对二极管的散热效果好，灌装有传导介质（硅胶）的接线盒对二极管的散热效果好。文献 [3]分别分析了接线盒内部的热传递过程，指出：热对流仅仅发生在以空气为介质的接线盒中，所散发的热量大约占二极管总散发热量的 5.6%--8.1% ，对二极管温度的影响很小；热辐射所散发的热量大约占二极管总散发热量的 15%--20%； 在接线盒内部， 对二极管散热最重要的是热传导。因此，热传导介质的导热特性对二极管散热的影响最大。而空气属于不良的热传导介质。图 3 接线盒 A（左）和接线盒 B（右）的外形尺寸文献 [3] 给出的实验结果证实了上述结论。在 25℃恒温环境中，使用直流恒流电源给接线盒中的二极管通 5A 电流，如图所示的接线盒 A和接线盒 B 之间的比较见表：表 1 5A 电流 5 小时实验结果编号 Tm（℃） Td（℃） Δ T=Td－ Tm（℃） Tj （℃） 备注A 36.0 92.6 56.6 98.5 没有灌胶B 53.5 73.4 19.9 79.3 灌胶其中， Td 为安装在盒体内中心位置的二极管的表面温度； Tm 为盒盖表面该二极管正上方 m 点的0.60.620.640.660.680.71 11 21 31 41 51 61 71串联电阻理论计算值的拟合曲线串联电阻实际测量值的拟合曲线182W 184W 186W 188W 温度，也是盒盖表面的最高温度； Tj 是二极管结温。在实际的应用中，我们可以发现，接线盒烧毁的原因大多不是二极管烧毁，而是插接式结构接线盒的二极管插座烧毁，如图 4 所示。这表明，处于工作状态的二极管经常的发热和冷却，使得二极管插脚的接触电阻逐渐增大，最终打火并烧毁接线盒。而焊接的二极管管脚则不会产生这样的问题。图 4 接线盒烧毁的典型事例不同形式的接线盒对组件实际输出功率的影响主要表现在组件实际工作温度的差别。使用两个 185W的晶体硅太阳电池组件，如图 5 所示，在日光下测量组件接线盒安装位置的温度。测试条件和结果见表 2。图 5 组件 A（左）和组件 B（右）接线盒安装位置实际工作温度测量显然，安装接线盒 A的组件的实际工作温度要高于安装接线盒 B 的组件的实际工作温度。因此，对于同等测试功率的组件，安装接线盒 A 的组件的实际工作输出功率要低于安装接线盒 B 的组件的实际工作输出功率。50.1℃ 49.8℃61.3℃ 58.4℃50.4℃ 50.1℃58.8℃ 59.1℃表 2：不同接线盒对组件实际工作温度的影响接线盒形式 A B 组件测试功率 180.2W 179.8W 光照时间 10 min 组件短路电流 0.86 A 换算阳光辐照 165 W/m2风力 1 级环境温度 37 ℃组件前表面接线盒安装位置各点温度℃55.8 49.8 56.8 49.6 57.6 49.8 57.6 49.8 56.4 49.6 56.4 49.8 56.8 49.8 59.4 49.6 59.8 47.8 61.8 48.4 55.4 48.1 56.6 48.8 59.6 59.2 53.6 52.8 56.6 56.4 56.1 56.7 平均温度 57.07 49.24 4． 组件寿命的保证对于正常生产过程生产的组件， 我们最关心的质量问题是： 是否可以保证 10 年衰降 10%以内，25 年衰降 20%以内。如果组件的工作温度过高，必然影响到 EVA的老化过程，加速 EVA的老化。即使对于接线盒这样局部的高温状态， EVA的局部快速老化，也将影响到 EVA与玻璃之间的黏结力。这个影响，对于组件 25 年的寿命保证是一个未知因素。TPE结构的背板，是由氟塑料薄膜、 PET薄膜、 EVA三层材料复合形成的，在抵抗紫外线辐射能力上存在弱点。在太阳电池组件中， TPE 背板的迎光面没有氟材料的保护。当阳光从组件的正面照射进入组件后，在电池片的间隔处，大约 80%的紫外线透过玻璃和 EVA进入背板，直接照射到背板的 EVA和 PET薄膜上。在长期的紫外线的照射下， PET会逐渐脆化龟裂。这将严重地威胁到组件的使用寿命。5． 讨论实际生产结果表明，太阳电池组件的组合过程并不一定要造成功率损失，在某些条件下可以获得增益。目前影响太阳电池组合效果的主要原因是串联电阻损失，在 156mm 太阳电池上表现非常明显。对于一般的两条主栅线的 156mm 太阳电池，组合后的正常损失大约是 2%。如果将主栅线的数量改变为 3 条，可以克服这个问题。行业内对于接线盒的误解是十分深的，而实际的实验数据完全与感官上的理解不同。另一个重要的问题是接线盒材料可能对环境的影响。实际上，小型接线盒所使用的材料的数量远远少于大接线盒，更有利于环境保护。接线盒内二极管的损毁， 已经不是一个简单的修理就能够解决的问题。 这涉及到产品的安全，可能引起火灾，并威胁到人身安全。而且发生此类问题的组件必须为客户全部更换。参考文献：[1] 陈如龙，汪义川，孔凡建等 . 封装材料对太阳电池组件输出影响的初步研究 [J]. 太阳能学报， 2003. Supplement; 28-30. [2] 孔凡建，段永波，严荣飞 . 晶体硅组件的串联电阻损失及改善 [R]. [3] Fanjian Kong, Jiames Zhao, Jibo Cai. Study on the Heat Dissipation Performance of Different Types of Junction Boxes[C].2009,Proc. Of SPIE Vol.7412 74120H-1. [4] 母国光，战元龄 . 光学 [M]. P304-317. 高等教育出版社， 2009. [5] GB/T6495.4-1996 晶体硅光伏组件的 I-V 实测特性的温度和辐照度修正方法 [S]