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晶硅电池正面电极:从多主栅到无主栅

2014-7-23 13:37| 发布者: echo| 查看: 5221| 评论: 0|来自: pv-tech

摘要: 太阳能电池的正面设计交织着太多的优化、约束和妥协,这里也因此成了厂家专利申请和设备制造商新技术研发的必争之地。传统晶硅电池正面采用银质的细栅和主栅将电池产生的电能收集并传到出去。为什么最近几年陆续有厂 ...
       设备制造商的“革新”
       更多更细的主栅正是同一时期设备制造商给出的答案。厂商从新技术降低生产成本带动设备销售的角度出发,以减少银在太阳能电池工艺中的使用为目标,选择了另外一条相对“激进”但眼光更为长远的路径。
       通过新的设计,主栅可直接链接到相邻电池的背面而无需搭配焊带,虽然与电池厂商的“维新”一样提高主栅的数量,但其不再局限于渐进式的从2增加到5,而是直接增加到两位数。由于主栅更密集,电流在细栅上传到的距离大大缩短,这意味着主栅和细栅都可以做的更细更薄,导电性等相对弱一些但价格更低的材料也有机会摆脱冷板凳。由于这一类技术中主栅其实更可以看作是替代了传统焊带的角色,让更多更细的焊带直接链接电池细栅,汇集电流的同时实现电池互连,在电池层面取消了传统的主栅,我们将这一类技术称之为“无主栅”(busbar-free)技术。
       目前市面上出现的无主栅技术基本遵循以下设计。保留传统的第一步正面网印,在电池上制作底层的栅线,我们仍遵循传统称其为细栅。而后通过不同的方法将多条垂直于细栅的栅线覆盖在其上,形成交叉的导电网格结构,为介绍方便,我们仍旧称呼第二层栅线为主栅。主栅的材料目前多为铜线。其具体技术又各有不同,各家也有其独到的优势。
       无主栅技术对比
       最早提出无主栅概念的是加拿大电池和组件公司Day4 Energy,该公司在2008年就获得了后来被称为Day4 Electrode的专利技术。该技术对传统电池工艺的革新体现在金属化和互连两个工艺中,电池在PECVD减反射镀层后网印细栅,而后不网印主栅,而是将一层内嵌铜线的聚合物薄膜覆盖在电池正面,如图一所示。这层薄膜内嵌的铜线表面也镀有特别的低熔点金属,在随后的组件层压工艺中,层压机的压力和温度帮助铜线和网印的细栅结合在一起。这些铜线的一端汇集在一个较宽的汇流带上,在同一步层压工艺中连接在相邻电池的背面。
       2011年,Day4 Energy将更名为DNA技术的电池连技术成功应用于Roth & Rau的异质结电池,并取得了19.3%的组件效率。同年总部位于瑞士的设备制造商Meyer Burger收购Roth & Rau。2012年Day4 Energy因经营不善从股票市场退市,并将其技术出售给Meyer Burger,后者将DNA技术更名为SmartWire并继续开发,并于2013年向市场发布。由于Day4 Energy前期的市场耕耘,Meyer Burger称使用该技术的组件已经在世界各地的电站项目拥有了200MW的安装量。
       与传统3主栅技术相比,由于铜线的截面为圆形,制成组件后可以将有效遮光面积减少30%,同时减少电阻损失,组件总功率提高3%。由于30条主栅分布更密集,主栅和细栅之间的触电多达2660个,在硅片隐裂和微裂部位电流传导的路径更加优化,因此由于微裂造成的损失被大大减小,产线的产量可提高1%。更为重要的是由于主栅材料采用铜线,电池的银材料用量可以减少80%。
       Schmid
       2012年德国太阳能设备制造商Schmid也发布了自己的无主栅技术Multi Busbar。虽然设计理念与Day4 Energy的技术类似,但实现方式有所不同。其主栅也为有特殊镀层的铜线,但铜线不是内嵌在聚合物薄膜中,而是直接铺设在电池表面。除铜线铺设方式外,另一点显著不同在于Schmid技术对细栅的要求,细栅网版需特殊设计,在细栅与主栅交界处预留焊盘,如图四栅线交叠处所示。在电池网印细栅完成后,电池来到改进的串焊机,而串焊机将通过图像识别技术配合真空吸盘,将15条铜线将精确的铺设在电池表面的细栅的焊盘之上,并采用红外辐射完成焊接,同时也将铜线焊接在相邻电池的背面。焊接完成后的电池进行普通的层压。
       Schmid的无主栅技术可以说在最大程度上继承了现有的网印电池和组件工艺。所需更换的就是细栅网版和新的串焊设备。与Meyer Burger类似,Schmid称相比3主栅,其Multi Busbar技术可以降低电阻损失,将填充因子提高0.3%, 效率净提高0.6%。银浆的用量也可以降低75%。
       GT Advanced Technology
       在这一波无主栅设备的浪潮中,总部设于美国的GTAdvanced Technology公司也不甘示弱,在2014年3月发布了名为Merlin的无主栅技术。该技术在一种实现方法在设计理念上更偏向SmartWire,在细栅网印后,镀层铜线铺设在电池正面,在组件层压步骤中一次完成主栅细栅间和电池间的互连。根据专利,Merlin技术还有其他电池互连的实现方法。
       具体到发布会上公开的设计,从图六可以看出,Merlin技术的细栅采用分段结构,这进一步挖掘了主栅数量增多所带来的优势,通过分段的细栅进一步减少银的用量和正面遮挡。相对的,这样也带来了额外的问题,即如果一条铜线断裂,则这一串短细栅的电流都将无法收集。为了解决这一问题,我们看到Merlin的主栅铜线之间出现了不同于SmartWire和Multi Busbar的浮动连接线,据推测这些连接线与电池的发射极并不相连,仅起到主铜线之间的互联作用,或许兼具一些支持作用。这就引出了Merlin与SmartWire的另一个不同,其铜线并不一定需要聚合物薄膜的支撑,铜线与连接线组成的网络结构自身可能就可以维持形态铺设在电池上,并在层压工艺中与分段细栅互连。
       组件商则向GTAT购买Merlin铜网和铺设设备,用于将购买的半成品电池加工为组件。
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