張臻，馬驁騏

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213031；

2.天合光能有限公司光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213031）

低倍聚光太陽電池組件設(shè)計

張臻1，馬驁騏2

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213031；

2.天合光能有限公司光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213031）

針對低倍聚光光伏系統(tǒng)的特點(diǎn)，對系統(tǒng)中太陽電池組件的基本結(jié)構(gòu)，如太陽電池的連接方式、旁通二極管的布置、組件散熱裝置的設(shè)置等進(jìn)行了闡述。對聚光光伏組件主要材料如玻璃、EVA、互連焊帶等的選擇進(jìn)行了介紹與分析。

低倍聚光；太陽電池組件；玻璃；互連焊帶

聚光光伏系統(tǒng)因具有降低太陽能發(fā)電成本的潛力，一直以來受到研究人員的關(guān)注。對于幾十到數(shù)百倍的高倍聚光系統(tǒng)，多采用多結(jié)高效電池。而2～10倍的低倍聚光系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中，具有對太陽跟蹤精度、電池散熱效果等要求相對較低而系統(tǒng)可靠性高優(yōu)點(diǎn)，因而具有一定的市場前景[1-3]。本文主要闡述了低倍聚光太陽電池組件的基本設(shè)計方法，對電池的連接方式、旁通二極管布置、散熱裝置設(shè)置，以及玻璃、EVA、互連焊帶等材料的選擇進(jìn)行了介紹與分析。

1 太陽電池組件結(jié)構(gòu)設(shè)計

低倍聚光光伏系統(tǒng)可以采用效率較高的商業(yè)化晶體硅太陽電池，電池應(yīng)具有正面光遮擋損失小、串聯(lián)電阻低和陷光效果好等特點(diǎn)[4]。

在晶體硅太陽電池中，硅材料體電阻、薄層電阻、電極接觸電阻及電極本身的電阻等構(gòu)成了電池的串聯(lián)電阻s。串連電阻消耗的功率與流經(jīng)它的電流的二次方（2）成正比。聚光光伏系統(tǒng)中，輻照在電池組件上的光強(qiáng)是非聚光系統(tǒng)中的很多倍，因此產(chǎn)生的光生電流非常大，因此s對組件效率有很大影響。所以在聚光系統(tǒng)中，應(yīng)選擇串連電阻值盡量小的太陽電池[3]。

考慮到聚光后光強(qiáng)在組件表面分布的不均勻性，組件電池宜采用單串串連連接，以避免串與串之間光強(qiáng)不均引起的功率損耗與熱斑效應(yīng)[4]，如圖1所示。為了降低光強(qiáng)不均性對組件的影響，電池兩端應(yīng)并聯(lián)旁通二極管。與普通硅基二極管比，肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)是使用中正向壓降低、發(fā)熱小，但反向漏電流相對較大?？紤]組件聚光時電流較大，且光強(qiáng)不均情況持續(xù)時間長，這里應(yīng)采用肖特基二極管，并用導(dǎo)熱硅膠對二級管散熱[5]。

圖1 低倍聚光組件中電池連接方式

太陽電池工作溫度高會影響其輸出功率。一般對于晶體硅電池而言，溫度每提高1℃，電池功率輸出將減少0.4%～0.5%；另外，溫度過高會嚴(yán)重影響EVA等組件封裝材料的使用壽命。因此，聚光組件的散熱是在組件設(shè)計中必須考慮的問題。太陽電池的工作溫度可以近似的由以下公式計算得出[4,6]：

式中：cell表示電池溫度，℃；ambient表示環(huán)境溫度，℃；rad是輻照到組件表面的光強(qiáng)，W/m2。當(dāng)環(huán)境溫度在25℃左右，太陽輻照較好的情況下，不考慮散熱，2倍聚光條件下，電池溫度可以達(dá)到70～80℃。因此，用于2倍以上聚光的組件應(yīng)該采用散熱裝置。組件散熱最大的熱阻來自組件背板與空氣的換熱，增加組件換熱面積是降低電池溫度的較好方式，如圖2、圖3所示?？梢愿鶕?jù)聚光比來設(shè)計對應(yīng)的組件結(jié)構(gòu)，組件散熱片形狀與面積設(shè)計不再細(xì)述。

圖22倍聚光太陽電池組件結(jié)構(gòu)

圖33～10倍聚光太陽電池組件結(jié)構(gòu)

2 聚光組件主要材料的選擇

2.1 EVA膠膜

聚光光伏系統(tǒng)中，輻照在組件表面的光強(qiáng)度是非聚光組件的很多倍。除了上文提到的組件工作溫度范圍很大外，高強(qiáng)度的太陽輻射也加速了聚光組件的老化。太陽輻射是由各種波長的單色光組成的復(fù)色光，紫外光只占整個輻射能量強(qiáng)度的4%～6%，但它是造成組件老化、尤其是組件中有機(jī)材料老化的主要原因。在組件封裝材料中，EVA膠膜易受到紫外光的影響而老化。EVA封裝膠膜的老化、降解、龜裂，使膠膜變黃，繼而會降低它的透光率，從而降低了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率[7]。因此采用抗紫外光老化作用的EVA膠膜對聚光組件來說非常重要。

國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC 61345:1998和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19394-2003都規(guī)定了光伏組件紫外老化實(shí)驗(yàn)的要求與技術(shù)方法。實(shí)驗(yàn)適用于光伏組件暴露于紫外輻照環(huán)境時，考核其抗紫外輻照能力，也適合于評估諸如聚合物和保護(hù)層等材料的抗紫外輻照能力。

為了模擬大氣中紫外光和水等條件對EVA膠膜的老化影響，可對EVA膠膜進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)。分析紫外老化前后EVA膠膜的力學(xué)性能變化、透光率變化、太陽能組件外觀及電特性的變化。圖4～圖6是對美國、國產(chǎn)以及自行研發(fā)的幾種EVA膠膜的測試分析結(jié)果。

從圖4可以看出，紫外老化對EVA膠膜的拉伸強(qiáng)度有顯著影響。不同EVA膠膜之間的老化性能也存在很大差異。對于太陽電池來說，EVA膠膜最重要的性質(zhì)莫過于透光率的高低，因?yàn)樗P(guān)系到電池轉(zhuǎn)換效率的高低。圖5顯示了B-1、B-17、B-22的透光率隨著老化時間的推移的變化情況。橫向來看，三種試樣的透光率都隨著老化時間的延長而降低，并且降低的速率不一樣。EVA膠膜在紫外老化開始階段變化比較大，此后變化就逐漸平緩了。對于紫外老化性能較好的EVA樣品B-17，在1000h紫外老化后，在380～1100 nm波段的透光率僅有3%～4%的下降，如圖6所示。這是由于該樣品中紫外吸收劑和穩(wěn)定劑的合理配比提高了樣品的耐紫外老化性能。

圖4 紫外老化對EVA膠膜拉伸強(qiáng)度的影響

圖5 紫外老化對EVA膠膜透光率的影響

圖6 EVA膠膜(樣品B-17)1000h老化前后的透光率曲線比較

在紫外老化過程中EVA膠膜會變色，影響其透光率，造成電池轉(zhuǎn)換效率的下降。但外觀的檢查不能準(zhǔn)確地判斷EVA的老化程度。通過進(jìn)一步的電池電性能測試結(jié)果得到，由B-17樣品組裝的太陽電池組件經(jīng)過1000h紫外老化后，最大輸出功率下降了14.5%，明顯小于其它樣品20%左右的最大功率下降值。

此外，交聯(lián)條件對紫外老化也有一定的影響。當(dāng)EVA的交聯(lián)度大于65%，其性能比較穩(wěn)定，彈性韌性較好，能承受大氣的變化，發(fā)生熱脹冷縮較小。而當(dāng)交聯(lián)度達(dá)不到要求時，EVA性能不穩(wěn)定，熱脹冷縮性大，當(dāng)組件工作溫度較高或較低時，EVA的熱脹冷縮將使電池片移位，這樣就有可能產(chǎn)生電池片碰片短路，互連條從電池片上脫開甚至將電池片拉裂現(xiàn)象。因此為保證組件長期的可靠性，推薦EVA的交聯(lián)度最好達(dá)到80%以上。

在低倍聚光系統(tǒng)中，綜合考慮系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，較多采用南北單軸跟蹤方式。這樣，在早晚情況，組件上會存在光強(qiáng)分布不均勻。隨時間的積累，組件部分區(qū)域老化較快。中午時候，組件上輻照分布均勻，老化較快的EVA部分，由于透光率較低，電池輸出電流相對較小，再次出現(xiàn)電流不均勻情況，造成功率損失。因此，聚光系統(tǒng)中使用的組件，應(yīng)該更加注重封裝用EVA的紫外老化性能。EVA廠商應(yīng)該合理調(diào)配紫外吸收劑與穩(wěn)定劑等的用量，生產(chǎn)適合聚光組件用的EVA膠膜。

2.2 低鐵玻璃的選擇

目前，太陽電池組件普遍使用透光率較高的壓延低鐵鋼化玻璃，低鐵玻璃與普通平板玻璃相比有更高的透光率，尤其是在波長600～1500 nm段（晶體硅太陽電池對600～1100 nm波段有較好的光譜響應(yīng)，該波段能量在AM1.5光譜中的能量比例超過20%），如圖7所示。對于聚光太陽電池組件，由于上述EVA紫外老化問題以及散熱問題考慮，應(yīng)盡量減少紫外波段與波長大于1100 nm紅外波段的透過。

圖7 太陽能用低鐵玻璃與普通玻璃透光率比較

如圖8所示，不同的太陽電池組件用玻璃，在紫外波段有較大的透光率差異。對于聚光系統(tǒng)，相對紫外光對太陽電池電流的貢獻(xiàn)，應(yīng)更加關(guān)注紫外老化引起的系統(tǒng)可靠性問題，可以選用圖8中樣品2的玻璃。

圖8 不同太陽能低鐵玻璃透光率比較

玻璃廠商目前可以通過添加紫外吸收元素達(dá)到減少紫外透過的目的，但是也同時需要平衡添加新材料帶來的霉變等問題。對于紅外波段的發(fā)射，目前尚沒有見到可靠性高且不影響其它有效輻照透過的玻璃。一旦開發(fā)出較經(jīng)濟(jì)的這種高紅外反射的玻璃，將大大簡化低倍聚光系統(tǒng)中的散熱裝置。

2.3 焊帶的選擇

互連焊帶的電阻、拉伸性能等對組件封裝后的電性能及可靠性有很大影響。選擇合理的材料（一般銅基材純度＞99.95%），還有材料的厚度與寬度對聚光用組件尤為重要。

英國BP公司對野外應(yīng)用中的組件進(jìn)行了各種組件失效因素的觀察和統(tǒng)計，電池片及內(nèi)部互連焊帶斷裂占到了總失效因素的40.7%[8]。聚光組件在使用中，陽光充足時，一般電池溫度會比非聚光組件的電池溫度高出較多（具體值根據(jù)聚光比與實(shí)際散熱效果而不同）。聚光組件中的電池與互連焊帶也因此需要承受更大的晝夜溫差產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

對比使用不同的互連焊帶對200 Wp組件性能的影響，如表1所示。實(shí)驗(yàn)中使用的太陽電池正面電極主柵線寬1.8mm。結(jié)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用樣品1即寬度為2.0mm的焊帶，對組件造成了0.5 Wp的陰影遮擋損失。焊帶太薄或太窄，如樣品3，將加劇對組件輸出功率的影響。而使用焊帶太厚（如0.15mm）易造成層壓過程中電池碎片。對于柵線寬度1.8mm的由切割電池組成的組件，聚光后最大單串工作電流小于8.5A（與普通6寸晶體硅電池最大工作點(diǎn)電流接近），可以考慮采用1.8mm×0.15mm銅基材焊帶。對于聚光后工作電流遠(yuǎn)大于8.5A的電池組件，電池的柵線需要重新設(shè)計以滿足組件性能的最優(yōu)化。銅基材純度選用99.99%，可以減少如圖9所示的因焊接中電池彎曲而產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力。

表1 不同互連焊帶對組件性能的影響

表1中，互連焊帶電阻值（電阻影響為根據(jù)實(shí)際功率測試結(jié)果去除其他影響因素的估算值）為：1=ρ×/=1.8×10－8Ωm×1m/(0.254×10－6m2)=0.07087Ω，2=1.8×10－8Ωm× 1m/(0.27×10－6m2)=0.06667Ω，3=1.8×10－8Ωm×1m/ (0.24×10－6m2)=0.075Ω。遮擋對組件功率影響＝156mm× (2.0－1.8)mm×2/(156mm×156mm)=0.256%，0.256%×200 Wp＝0.5 Wp。

此外，電池片和互連條具有明顯不同的膨脹系數(shù)(銅的膨脹系數(shù)為16.6×10－6m/℃，硅的膨脹系數(shù)為2.33×10－6m/℃)[9]，材料應(yīng)力也明顯不同。當(dāng)電池片面積增大后，由于輸出電流增大，互連條的截面積也相應(yīng)增加，這時應(yīng)考慮互連條和電池片材料應(yīng)力的匹配問題。同時，為減小或消除材料應(yīng)力的影響，可考慮在互連條上增加“消應(yīng)力環(huán)”，比如預(yù)先壓折在電池與電池連接部分的互連焊帶，或焊接時采用點(diǎn)焊接方式。

圖9 不同互連焊帶對電池彎曲的影響

3 結(jié)論

低倍線性聚光系統(tǒng)中，合理的太陽電池組件設(shè)計，對整個系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。聚光組件應(yīng)采用串聯(lián)電阻低、陷光效果好和效率高的太陽電池，一般聚光比大于2倍以上應(yīng)該考慮組件的散熱設(shè)計?？紤]到聚光系統(tǒng)中輻照到組件表面的太陽光強(qiáng)度大，組件應(yīng)選用合理的玻璃，減少紫外輻照的通過，并選用耐紫外、耐高溫的封裝材料。組件用的互連焊帶等材料應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)聚光比、電池電流等設(shè)計對比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出合理選擇。聚光組件合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選擇將大大提高系統(tǒng)的效率，減少系統(tǒng)的維護(hù)成本。

[1]BUTLER BA,VAN D E E,VORSTER F J,et al.Characterization of a low concentrator photovoltaicsmodule[J].Physica B-Condensed Matter,2012,407(10):1501-1504.

[2]CHEMISANA D,IBANEZ M,BARRAU J.Comparison of Fresnel concentrators for building integrated photovoltaics[J].Energy Conversion and Management,2009,50(4):1079-1084.

[3]COFFEYV C.Solar concentrators using optics to Boost photovoltaics[J].Optics&Photonics News,2011,22(1):22-27.

[4]SAITOH T,YOSHIOKA K.Preparation and properties of photovoltaic static concentrators[J].Renewable Energy,1998,15:566-571.

[5]FRANKLIN E,BLAKERSA,EVERETTV.Sliver solar cells for concentrator PV systems with concentration ratio below 50[J]. Progress in Photovoltaics,2009,17(6):403-418.

[6]田瑋,王一平,韓立君,等.聚光光伏系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)展[J].太陽能學(xué)報,2005,26(4):597-604.

[7]WANG X,WAITE N,MURCIA P,et al.Lateral spectrum splitting concentrator photovoltaics:directmeasurement of component and submodule efficiency[J].Progress in Photovoltaics,2012,20(2): 149-165.

[8]PERN F J.Luminescence and absorption characterization of ethylene-vinyl acetate encapsulant for PVmodules before and after weathering degradation[J].Polymer Degradation and Stability,1993, 41(2):125-139.

[9]李長嶺,江揚(yáng)宇,周華英,等.晶體硅光伏組件工藝研究[J].上海有色金屬,2012,33:135-137.

Design of low-ratio concentrative solarmodules

ZHANG Zhen1,MAAo-qi2

According to the characteristics of low-ratio concentrative photovoltaic systems,the principle structure of solarmodules was elaborated in the aspect of solar cell connecting,by-pass diodes arrangement andinstallation. In addition,the crucial requirements for themainmaterials of concentrativemoudules such as glass,EVA and soldering ribbon were analyzed and introduced.

low concentration;solarmodule;glass;interconnection soldering ribbon

TM 914

A

1002-087 X(2014)10-1965-04

2014-03-10

工信部電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金；江蘇省自然科學(xué)基金(BK2011263)；常州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃(CJ20115013)

張臻(1981—)，男，湖南省人，博士，主要研究方向?yàn)楣夥M件與系統(tǒng)。