无主栅技术在光伏电池封装中的应用-卢刚

无主栅技术在光伏电池封装中 的应用研究 黄河水电光伏产业技术有限公司 2018年 11月 08日 黄河水电光伏产业技术有限公司 目 录 无主栅技术概述及创新性一 研究成果及先进性二 适用范围及实用效果三 经济效益四 总结五 黄河水电光伏产业技术有限公司 一、无主栅技术概述及创新性 – 焊带替代主栅 – “主栅”数量增加到两位数，细 栅电流传导距离缩短 – “主栅”和细栅都可以做的更细 更薄 2010 2013 2015 1、光伏电池栅线发展状况 黄河水电光伏产业技术有限公司 2、无主栅技术形式 • 电池正面仅印刷细栅线、多根特殊镀层铜线 （主栅）、层压实现主栅与细栅的串焊及互 联； - 遮挡面积减少 25% - 低温焊接 - 银浆损耗减少 80% • 电池正面印刷细栅线，细栅与主栅交界处预 留焊盘，铺设特殊镀层铜线，焊接并层压实 现封装。 - 遮挡面积减少 10% - 常规焊接 +层压温度 - 银浆损耗减少 75% 一、无主栅技术概述及创新性 黄河水电光伏产业技术有限公司 ― 圆线，电池受光面积增加； ― 隐裂对电池性能影响减小； ― 焊带主要成份为铜，银浆使用 量减少、价格低 3、无主栅技术优点 一、无主栅技术概述及创新性 黄河水电光伏产业技术有限公司 主要的研究内容 电池结构理论模拟分析：遮光率计算、栅线根数的选择、图形设计 微米级焊带配方选择及优化、 拉拔工艺探索和优化 焊带覆膜的选择和工艺探索 无主栅电池相对三主栅电池的比较及其测试方法研究 无主栅层压工艺的探索和优化 1 2 3 4 5 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 相同副栅线设计及其他边界条件情况下，增加主栅线数量并减少主栅 线宽度，电极的功率损耗降低。 1、理论模拟电池主栅线与功率关系 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 1、 电池结构理论模拟分析 理论模拟电池主栅线与功率关系 方案 一 • 铜丝直径为 0.2mm时， 根数应 ≤22根 方案 二 • 当铜丝直径 为 0.25mm时， 根数应 ≤18根 方案 三 • 铜丝直径为 0.3mm时， 根数应 ≤15根 主栅数量： 3 主栅宽度： 1.5mm 综合考虑栅线遮光与电阻损耗因素，采用直径为 0.2mm、根数为 18根的铜丝。 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 • 栅线遮光率对比 主栅数 量 主栅宽 度 主栅高 度 副栅数 量 副栅宽 度 副栅间 距 副栅高 度 3根 1.5mm 15μm 90根 40μm 1.724mm 20μm 主栅数量 主栅宽度 主栅高度 副栅数量 副栅宽度 副栅间距 副栅高度 18根 0.2mm 0.2mm 90根 40μm 1.724mm 20μm 遮光率 5.137% 4.573% 相对于三主栅电池，无主栅电池遮光率降低 10.98%。 1、 电池结构理论模拟分析 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 2、 微米级焊带结构设计、低熔点焊带材料的选择 合金元素 熔点（ ℃ ） 价格（元 /kg） 特点 Bi 271.2 68 资源丰富，价格低，无毒无害，可替代铅，降低焊材熔点，但 Sn中 Bi的最大固溶度为 20%，多余的 Bi析出后使得材料脆化 Ag 961.8 3200 强化基体，细化晶粒，提高蠕变抗力，改善材料韧性 In 156.6 1150 大幅降低熔点，但晶粒会粗话，机械性能不佳 Pb 327.5 11.1 稳定性好，耐蚀性好，抗拉和耐疲劳性好，价格便宜 Ga 29.8 860 降低熔点，但是会增加 Bi的偏析 Tl 304 -- 抗氧化性强 Sb 630.5 43.0 提高硬度，改善润湿性及 Sn-Bi合金的脆性 Cd 321 15 耐蚀性强，但有毒性 Zn 419.5 14.8 提高耐蚀性 Cu 1083 39.2 与基体润湿性好 稀 土 元 素 Ce 799 200 能够提高可焊性，细化晶粒， 改善润湿性 ， 改善外观，提高韧性 Pr 931 650 Nd 1024 315 La 1409 220 表 1. 合金元素对焊料性能的影响 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 2、 微米级焊带结构设计、低熔点焊带材料的选择 类型 代表性合金 配比 熔点（ ℃ ） 使用温度 （ ℃ ） 价格（ US$/kg） 特点 Sn-Bi Sn-57Bi 138 160-180 7.79 熔点较低，蠕变抗力和拉伸强度较高，但延 伸率低，加工性差，脆性大 Sn-Ag Sn-3.5Ag 221 250-270 13.73 有较高的拉伸强度、剪切强度、疲劳强度和 蠕变抗力，但熔点较高 ,对 Cu 基体的润湿性 稍差 Sn-Zn Sn-9Zn 199 220-240 7.99 较高的蠕变抗力，价格便宜 ,但 Zn 易氧化，润湿性差，具有腐蚀性 Sn-Pb Sn-37Pb 183 210-345 5.87 目前常用的焊料，价格、机械性能等各方面 都能满足现在应用的需求 Sn-In Sn-42In 118 140-160 51.63 合金蠕变抗力低， In极易氧化，且成本太高 Sn-Cu Sn-0.7CuSn-3.5Cu 227221 250-270250-270 8.62-- 热疲劳性能差，润湿性不理想， 且熔点过高 Sn-Sb Sn-5Sb 238 260-280 8.36 合金润湿性差 表 2. 低温合金焊料的类型及各自特点 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 2、 微米级焊带结构设计、低熔点焊带材料的选择 SnPbBi合金相图 低温合金区域 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 2、 微米级焊带结构设计、低熔点焊带材料的选择 合金名称 熔点 价格 Sn42Bi58 139℃ 160元 /kg Sn43Bi14Pb43 144℃ 140元 /kg Sn56Bi8Pb36 120-167℃ 约 140元 /kg 自制 SnBi合金 145℃ / 表 3. 所选择的低温和金焊料 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 2、微米级焊带结构设计、低熔点焊带材料的选择 表 4. 不同种低温合金镀锡线性能对比 合金种类 抗拉强度 Rm（ Mpa) 延伸率 % 最大力（ N） 电阻率Ω·mm2 /m SnPb 207.25 31.08 13.57 0.017278 SnBi 209.66 30.67 14.82 0.01765 SnPbBi 209.896 30.522 15.032 0.016978 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 2、微米级焊带结构设计、低熔点焊带材料的选择 SnPb SnBi SnPbBi SnPb合金镀层不均匀， SnBi合金镀层较薄， SnPbBi型合金层尺寸厚度理想。 图 1. 不同合金镀层截面对比 合 金 涂 层 合 金 涂 层 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 3、焊带覆膜的选择和工艺探索 - 整体分析实验结果：透光率 EVA和 PO最好，透光率 90左右； PES的次之， 透光率 80%左右； TPU为乳白色，完全不透明；选择 PO作为覆膜。 EVA+覆膜样品 覆膜样品 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 4、无主栅电池相对三主栅电池的比较及其测试方法研究； 电池类型 生产工 序 过程控制点及测试数据 三主栅 / 无主栅 制绒 减薄量（ g） 0.59 0.60 绒面大小（ μm） 2.5 2.6 扩散 方块电阻 87 86.2 89.4 86.2 81.8 刻蚀 减薄量（ g） 0.095 0.115 0.097 0.102 0.106 边缘电阻（ mΩ） 1.81 1.54 1.56 1.60 1.66 PECVD 膜厚（ nm） 71.5 75.2 71.8 76.4 73.9 折射率 2.13 2.10 2.12 2.09 2.14 无主栅 丝网印 刷 二道湿重（ g） 1.21 1.20 三道湿重（ g） 0.069 0.070 三主栅 丝网印 刷 一道湿重 (g） 0.04 二道湿重 1.20 三道湿重 (g） 0.10 0.10 无主栅 /三主栅电池试产过程控制数据如下： 无主栅电池第三道丝网印刷工艺后的样片平均湿重为 0.07g； 三主栅电池第一道丝网印刷工艺后样片的平均湿重 0.04g， 第三道平均湿重为 0.10g。 无主栅电池单片银浆使用量 VS 三主栅电池单片银浆 :使用量降低（ 0.14-0.07） /0.14=50% 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 4、无主栅电池相对三主栅电池的比较及其测试方法研究 该设备采用装有弹性网格栅线的顶部和轻微拱起的底板，测试时将电池样 片放入测试仪内部底板上，然后轻轻压上网格栅线，保证网格栅线与电池 细栅线接触但又不至于压裂电池。 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 4、无主栅电池相对三主栅电池的比较及其测试方法研究； 第一批测试无主栅电池样片 90片，最高转化效率达到 19.5%，平均转换效率 19.38%， 和产线的三主栅电池测试结 果相同。 第二批无主栅电池样片共 900 片，最高转化效率达到 19.8%， 也和三主栅电池测试结果相 同。 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 5、工艺优化，无主栅焊带铺设 ―铜丝均匀与覆膜粘合； ―2倍于电池边长的焊带； ―一半铺于第一片电池 正面，一半铺于下一片 电池背面 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 5、无主栅层压工艺的探索和优化 无 主栅 电池组件封装工艺过程 无 主栅电池 组件串焊工艺参数如下表： 工艺过程 工艺设备 工艺参数 备注 铜丝与薄膜复合 复合机 120℃ ± 5℃ 无主栅电池与铜丝覆膜定位性接触 新型串焊机 100℃ ± 5℃ 无主栅电池与铜丝焊接形成欧姆接触 层压机 150℃ ± 5℃ 包含层压过程900mbar 17min15sec 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 5、网版图形优化 一代细栅线； 二代细主栅加焊点，二代细主栅加焊点、焊线； 三代细主栅加焊点、汇流点。 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 二、研究成果及先进性 无主栅电 池结构设 计 无主栅电池 组件串焊工 艺研究 高转换效 率无主栅 电池组件 低温焊料合 金成分选择 及样品试制 - 18根 、 0.2mm 铜丝进行电池组 件封装； - 设计了 3代无主 栅网版图形； - 电池遮光面积 减少 10.98%。 -100℃左右条件 下实现无主栅电 池与低温镀层铜 丝的接触定位； -150 ℃左右条件 下实现细栅线与 铜丝欧姆接触。 -一代无主栅组件功 率提升 5W； -二代无主栅组件功 率提升 7W； -三代无主栅组件功 率提升 8W； -二代多晶半片功率 提升 10W。 -研制出低熔点、低电 阻率、镀层均匀、色泽 光亮、成本低廉以及力 学性能优异的 56Sn- 8Bi-36Pb合金焊料， - 实现了电池银浆的消 耗量减少了 50%。 黄河水电光伏产业技术有限公司 论文及专利 ◆ 发表论文 3篇 ① 《 Sn-Bi系低温合金焊料的研究 》 ， 《 太阳能 》 ； ②《 稀土元素对低温锡铅铋合金性能的影响研究 》 ， 《 材料工程 》 ； ③ 光伏电池制造水平评价模型计算方法分析， 《 电子科学技术 》 。 ◆ 申请专利 13项 ①一种用于太阳能电池的无主栅焊带的制备方法 201510933299.0 ②一种合金焊料、其制备方法及应用 201510952297.6 ③一种晶硅太阳能电池正面电极的制备方法 201510861174.1 ④晶硅太阳能电池及其正面电极 201520976514.0 ⑤一种晶硅太阳能电池的正面电极 201610058740.X ⑥一种晶硅太阳能电池的正面电极 201610058497.1 ⑦一种晶硅太阳能电池的正面电极 201610058600.2 ⑧一种晶硅太阳能电池 201610058555.0 ⑨一种晶硅太阳能电池 201610058643.0 ⑩一种晶硅太阳能电池的正面电极 201610058596.X ⑪一种晶硅太阳能电池 201610058803.1 ⑫一种太阳能电池组件的封装工艺 201610395409.7 ⑬一种太阳能电池组件的敷设结构 201620542466.9 二、研究成果及先进性 黄河水电光伏产业技术有限公司 三、适用范围及实用效果 项目研发产品参加了 SNEC展览 ― 适用于所有 P型单晶、多晶电池及 N型双面及 HIT电池； ― 一代无主栅组件功率提升 5W；二代无主栅组件功率提升 7W； 三代无主 栅组件功率提升 8W；二代多晶半片功率提升 10W；异质结电池功率提升 10W。 黄河水电光伏产业技术有限公司 四、经济效益 项目 电池生产单耗 无主栅电池降低单耗 单价 节约成本（元 /片）三主栅电池 无主栅电池 银浆 使用量 正银 0.12g 0.07g 0.05 6000（元 /公斤） 0.3 背银 0.04g -- 0.04 3000（元 /公斤） 0.12 印刷网版 背电极网版 1/15000 -- 1/15000 1200（元 /块） 0.08 合计 0.50 封装材料 组件生产单耗 单价 单耗（元 /块） 节约成本（元 /块）三主栅电池组件 无主栅电池组件 胶膜 EVA/1.65㎡×2 - 10元 /㎡ 33 -16.5- TPO/1.65㎡×2 18.3元 /㎡ 49.5 焊带 锡铅焊带 /180g - 100元 /kg 18 -22.8- 镀锡铜丝与薄膜复合 焊带 /340m 0.12元 /m 40.8 合计 -39.3 1.银浆节省所节约成本： 20万片 /天 × 300天 × 0.50元 /片 =3000万元 2.组件封装所增加成本： 1500块 /天 × 300天 × （ -39.3）元 /块 =-1768万元 经济效益：（以 200MW产量计算） 3000万元 -1768万元 +630万元 ≈1800万元 3.组件功率提升所增加收益： 7瓦 /块 × 1500块 /天 × 300天 × 2.0元 /瓦 =630万元 黄河水电光伏产业技术有限公司 五、总结 1. 结合封装要求，进行了无主栅的理论设计，完成了三代无主 栅电池组件的产品设计和开发； 2. 封装电池组串覆膜开发，完成 SnBi 、 SnPbBi， 145℃ 左右，抗 拉强度 200Mpa， PO膜， 80 ℃ 的无主栅焊带及覆膜的开发； 3. 进行了无主栅常规电池组件及异质结电池组件的封装，实现 了银浆的消耗量降低 50%，封装损失降低 70%，组件功率提升 5-10W； 4. 工艺适用于 P型单多晶电池及 N型双面及 HIT电池，工业化应用， 对于 200MW产线，每年产生的经济效益约 1800万元； 5. 自主研发了适应于无主栅电池组件封装的新型焊带技术。