优化背接触式光伏电池

1 优化背接触式 PV 电池 /模块设计的新方法摘要 :本文介绍了一种用于优化背接触 c-Si 太阳能电池和模块设计的新方法， 该方法业已展现了性能上的优势， 而且还将能够更加容易地针对未来的要求， 更大和更薄的电池、 更容易地实现生产工具产能的扩大等进行调整。本文介绍了一种用于优化背接触 c-Si太阳能电池和模块设计的新方法，该方法业已展现了性能上的优势， 而且还将能够更加容易地针对未来的要求， 更大和更薄的电池、更容易地实现生产工具产能的扩大等进行调整。晶体硅（ c-Si）太阳能电池和模块是光伏（ PV）产业的基础，说它是推进 PV产业发展的动力也未尝不可。 从直觉上判断， 也许晶体硅并不是预期的适合于光伏能量转换的理想材料。 它具有一个间接带隙， 这意味着它的光吸收能力相对较弱，因而需要采用厚（现今通常＞ 140μ m）基板来实现上佳的效率水平。由于此类基板的成本较高，因此促使人们大规模开展面向 PV的薄膜半导体和其他材料系统的研发活动。然而，由于晶体硅也许是目前最为人所了解的 PV工艺材料了，可以从电子行业借鉴大量的技术成果，从而导致 c-Si作为一种 PV材料的领先地位和独特优势。结果是：晶体生成法被业界所广泛接受，而且掺杂物、杂质、晶体缺陷、吸气和钝化的作用和影响也都比较为世人所熟悉。 同样， 有关硅加工的知识和信息也非常丰富。例如：用于掺杂、退火、化学和物理汽相淀积、蚀刻、图形化和接触等众多生产工艺已可使用并日臻完善， 包括形成了一个庞大的供应商群体。 此外，晶体硅 PV产品还凭借其可靠性和耐用性以及出众的能量转换效率而赢得了极佳的口碑。此外，晶体硅 PV在连续降低成本方面创造了记录，而且，凭借其较高的效率，它将在这个规模庞大且技术多样化的产业中保持自身在市场上的强势地位。在 2007 年销售的 PV产品当中， 大约 89%采用的都是晶体硅材料。 正如本文下面重点阐述的那样， 由于能够分享电子行业的大量技术成果， 因而为运用晶体硅来实现新颖的太阳能技术改进提供了新一轮的发展良机。传统设计与基于技术架构的设计的比较当今的大多数 cSi产品采用的是一种传统设计， 30 年前首度开发 cSi PV电池和模块的工程师们对于这种设计是很熟悉的。在本文中， “传统”指的是在前表面、丝网印刷的 Ag网格上具有一个 n 型扩散区，并在后表面上具有一个铝合金背面电场和触点的独立、 p 型硅晶圆片。前网格（ front grid ）具有一个众所周知的性能折衷，即需要在“减小串联电阻”和“降低光遮蔽损耗”两者之间进行权衡。总起来说，前网格的光学损耗和阻性损耗＞ 8%。有一点也许不太为人所了解， 那就是存在于前表面和后表面上的触点会对模块工艺产生影响，导致性能和成本指标均有所下降。传统的太阳能电池“串”利用焊接加工来实现“电串联”，并使用特殊工具（串接机）与 Cu 排线串接起来。2 然而， 这种带状线的截面积是有限度的——较粗的线过于坚硬， 而细、 宽的带状线将遮蔽过多的光。最终结果是：互连线电阻损耗有可能导致性能再下降 4%。串焊工艺（ stringing process）本身在几何结构上是“非平面”的，难以实现自动化，因而限制了每个工具的生产率。另外，该工艺也很难和薄型电池一起使用，原因是最后制成的电池串联线很脆，极易损坏。尽管传统 c-Si PV技术在性能和成本方面将进一步改进，但为了获得实质性的改善， 它将需要对电池和模块的基本架构做出改变。 产品的更新换代免不了采用精细复杂的技术， 且常常涉及到技术架构， 元件、 标准和接口均借助技术架构来协调，以实现最佳的系统性能。背接触电池（ Back-contact cell）运用了一种新型晶体硅光伏架构，该架构在电池、模块、甚至系统级上都提供了优势。而且，第一代 c-Si PV技术利用的是电子行业的半导体加工能力， 而下一代的 c-Si技术则将利用来自电子封装领域的相关原理和工艺。电池 / 模块设计的架构法架构法可同时解决电池和模块设计中的性能、 可制造性和可扩缩性问题。 这里的“可扩缩性”指的是调整基板（大小或厚度）、模块尺寸和功能以及制造规模（每个工具的生产率）的能力。最终的结果是：新型架构应能够更加容易地满足未来市场的要求。电子封装行业提供了一种能够更加容易地针对性能和成本来做相应调整的架构实例。 最初的做法是将细导线焊接至半导体裸片上。 这种工艺是连续的， 且面向低效率的芯片设计， 因为必需将所有的外部连接线都排布至半导体裸片的边缘。 倒装片技术将键合点分布在整个半导体裸片上。 这些键合点被涂覆了一种焊料， 然后通过一个匹配电路把裸片排列成行， 这样裸片在再流焊中将在所有的键合点上同时实现电连接。 通过改变半导体裸片的基础几何结构以更好地与最终产品（封装电子元件）相匹配，倒装片工艺提供了性能、成本和尺寸扩缩方面的优势。传统太阳能电池的性能和制造局限性源自其采用的前面网格几何结构。 背接触电池提供了一种旨在优化电池和模块设计的全新方法。 背接触电池的互连线不再受光学损耗的约束。 因此， 可以使用宽而细的互连线， 从而最大限度地减小了电阻和硬度（应力）。现在，负极性触点和正极性触点位于同一个表面上，所以如今的装配工艺其几何结构更具平面性，能够采用速度更快的“拾取 -摆放”型工具。平面几何结构还将能够更好地与薄型电池相兼容， 且便于缩小模块内部各电池之间的间隔。 共平面触点也为实现一种全新的装配工艺创造了条件， 在该工艺中， 太阳能电池的互连在层压工序中进行。 这种工艺需要一个具电路的模块太阳能电池背膜和一种在层压操作过程中进行键合的电连接材料（图 1）。事实上，串焊工序和工具如今已被连续滚压工艺（用于制作带电子电路的太阳能电池背3 膜） 所取代。 由于该工艺将灌封和电子装配整合成单步工序， 因此被称为单片式模块装配（ monolithic module assembly， MMA）。Advent Solar公司推出了一种被称为“ Ventura Technology”的集成背接触电池和模块架构。它把采用 emitter-wrap-through （简称 EWT）的背接触电池技术与一种高度自动化的平面制造工艺（ MMA）组合起来。 EWT电池是一种特别有利于采用太阳能级硅基板的背接触太阳能电池。在与 MMA 进行架构集成的过程中，对 EWT电池所做的最重要的添加就是分布式接触点（图 2）。这些分布式触点减小了太阳能电池中的电阻，并将昂贵太阳能电池镀金属 （ Ag） 的使用量以及由此产生的应力减小到最低限度。 这种电池 /模块设计是采用架构集成所产生的结果类型一例——快速地把电流从昂贵的太阳能电池镀金属转移至太阳能电池背膜电路中较便宜的金属将最大限度地降低成本， 同时实现性能的最大化。 利用这种新型几何结构生产出来的早期电池获得了超过 17%的效率。 更加重要的是， EWT与 MMA 的架构集成保持了成品模块中更多的电池功率。 灌封损耗指的是模块功率与电池功率之比。 对于那些采用传统电池的模块而言，该损耗项通常约为 4%～ 5%。运用这种新技术的早期生产模块其灌封损耗不到上述数值的 1/2；各种生产和性能优势列于表 1 中。4 基于科学的可靠性方法MMA 工艺涉及一种新的装配方法，该方法使用了一种新型电接触材料——导电型胶粘剂。 PV模块预期将实现 25 年的超长使用寿命。对于长寿命而言，导电型胶粘剂的灵活性可能是一种优势， 而且它们已在某些特别苛刻的应用 （比如：汽车电子） 中得到使用。 传统的模块技术经历了大量的加速环境应力测试和现场测试，从而使得大众对其可靠性有了信心。业界已经制定了加速测试的统一标准，旨在帮助确保一致且可靠的产品性能。虽然采用新型 MMA 工艺和设计的测试样品和全尺寸模块已经通过了 IEC认5 证测试程序的所有主要部分（热循环、湿冻和湿热），但业界还是启动了一项更为细致的研究，以使人们对于其长期现场可靠性建立起更强的信心。采用新工艺和新材料的产品的认证可以利用基于科学的可靠性测试方法来加快进度（见图 3）。传统上，可靠性测试需要用到大量的统计样本，以使加速测试与现场测试相关联。 基于科学的方法运用了建模和仿真 （以帮助确定性能特征）、特殊的测试结构（用于隔离不同的元件）、失效模式和机理的识别、预测可靠性模型的开发以及新型质量保证测试和程序的开发。目前正在进行中的工作包括 MMA 模块构造的详细有限元模型的开发、 模块材料黏弹性的特性分析、模块组中各种元件的粘附力和电阻的测试样本的开发、用于检查新产品的失效分析方法的开发以及新型质量评估程序的开发。 这样一项计划的实施结果将是人们对于新产品的可靠性和在生产中维持该工艺的能力拥有更强的信心。EWT背接触太阳能电池背接触硅太阳能电池在研究团体中受到了诸多的关注。 其主要优势包括通过减少光遮蔽而提升的效率、 较为简单的模块装配自动化以及凭借更加统一的外观而获得强化的美学效果。近一段时间，它们赢得了大量的商业关注。 SunPower公司提供了一款采用 n 型多晶硅基板和一种专有加工工艺的高效太阳能电池。Kyocera、 PhotoVoltech、 Sollhand 和 Q-Cells公司则提供或公开展示了采用 p 型多6 晶硅和一种镀金属穿孔卷绕（ metallization wrap-through ， MWT）设计的背接触太阳能电池。 MWT 经由数目有限的小孔将金属从前表面卷绕至后表面，因此在前表面上仍然存在一些网格遮蔽和电阻损耗以及由附加的丝网印刷工序所产生的额外成本。发射极穿孔卷绕（ Emitter wrap-through ， EWT）太阳能电池是一种颇具前途的背接触电池方案。这种太阳能电池通过激光钻孔将 n+发射极从前表面卷绕至后表面，以形成导电通路（见图）。与 MWT 电池不同，这种设计完全消除了网格遮蔽损耗， 进一步改善了效率和美学效果。 而且， 由于在前后两个表面上均存在一个 n 型发射极，因此该电池结构还具备双面集电的固有特征。双面集电意味着 p 型硅基板块当中的光电载流子可由前表面或后表面发射极来收集，从而有效地提升了内部集电效率。内部集电效率的改善意味着 EWT电池可以使用成本较低的硅材料（比如：经改良的冶金级硅），而由此造成的性能损失则较少。另外，由于 B 掺杂物原子和填隙 O 杂质之间的一种相互作用的缘故， EWT电池所遭受的光致劣化也将较少，而这种劣化在 p 型单晶硅电池中却是很常见的。单晶硅 EWT电池的效率已经达到了 21%以上，多晶硅 EWT电池的预期效率则在 19%左右。结论在人们的预期中， 一个产业及其产品的发展通常将支持元件集成度更高的设计，以最大限度地提升系统的性价比。本文介绍了一种用于同时优化背接触 cSi太阳能电池和模块设计的新方法。 该方法业已展现了性能上的优势， 而且还将能够更加容易地针对未来的要求 （更大和更薄的电池、 更容易地实现生产工具产能的扩大等） 进行调整。 此外， 还介绍了一种用于加快新产品和过程认证的基于科学的可靠性方法。