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MWT背接觸晶體硅光伏技術概述

1 引言

目前主流的晶體硅太陽能電池和組件技術早在上個世紀90年代已經基本成熟,性能和轉化效率的提高主要依賴于材料的改進和工藝細節的優化,進一步提高的空間已經越來越窄。電池和組件結構的重大創新被越來越多的光伏研究機構和企業所關注,背面鈍化(PERC)電池、異質結(HIT)電池和背接觸式電池等新型結構的電池被認為是最有發展前景的幾種技術[1-3],并逐步從實驗室走向量產線。目前晶體硅電池產品量產的轉化效率記錄一直被美國Sunpower公司的全背接觸式(IBC)電池所保持,其電池和組件的量產轉化效率分別達到22%和20%以上,但其生產工藝過于復雜,生產成本較常規產品高出50%以上,所以只適合應用在一些面積有限的高端項目上。低成本的金屬纏繞(MWT)背接觸技術和發射極穿透(EWT)被越來越多的人所關注,其中MWT背接觸技術發展更快,已經實現從實驗室階段向產線進行過渡,極具發展前景。

荷蘭國家能源研究中心(ECN)、德國夫瑯禾費太陽能研究所(FISE)及眾多光伏企業都對MWT背接觸技術進行了研究和開發,其技術路線和實現方法均有所差異,本文就其中主要的技術路線、實現方法和發展現狀做出系統的介紹。

2 MWT背接觸電池技術

如圖1所示,MWT背接觸電池技術是采用激光打孔、背面布線的技術消除了正面電極的主柵線,正面電極細柵線搜集的電流通過孔洞中的銀漿引到背面,這樣電池的正負電極點都分布在電池片的背面,有效減少了正面柵線的遮光,提高了轉化效率,同時降低了銀漿的耗量和金屬電極-發射極界面的少子復合損失。

MWT背接觸晶體硅光伏技術概述

圖1 P型硅MWT電池結構示意圖

  可以看出,和常規的H型電池相比,MWT電池在設計段給出了很多的靈活性,包括激光開孔的布局和數量、正面柵線和圖形設計和背面電極點的分布等等。其中最有代表性的兩種基本結構分別是德國FISE提出的一種較簡單的仿H型布局[4]和荷蘭ECN提出的星形布局[5],如圖2所示:

MWT背接觸晶體硅光伏技術概述

圖2(a)所示的布局實際上和常規H電池的布局看起來很相近,正面電極看起來仍然有三根較細的主柵線(寬度只有常規電池主柵線的10%),實際上每三根細柵線都連接到所謂主柵線的中心處,通過中心處的孔洞銀漿和背面的主柵線連接,實際上也就是把正面的主柵線移到了背面。這種設計看起來較為簡單,正面細柵線圖形基本沿用了常規H型電池的圖案,但為了減少細的主柵線的電阻損耗,每根主柵線上都需要10~20個孔洞,總的激光打孔數量在30~60個,過多的孔洞數量會增加打孔的時間,同時可能會對硅片產生損傷。圖2(b)是荷蘭ECN提出的新型布局,每片硅片采用4×4共16個單元的重復單元對稱布局,每個重復單元的細柵線都匯聚到單元中心的孔洞,進一步連接到背面的銀電極點,這種布局美觀大方,只需要16個分布均勻的孔洞,在產業界已經被Solland、阿特斯和天威新能源等幾家企業所采用。

在MWT電池制造方面,目前也有不同的方法和步驟,但一般都會增加激光打孔和孔洞保護等步驟,低功率、短波長的激光器打孔的質量最好,熱損傷也很小,但速度慢、成本高,并不適合規?;纳a;高功率,長波長的激光器打孔速度最快,但熱損傷大,容易產生隱裂。如

何選擇最佳的激光器的功率、波長和脈寬等參數是做好MWT電池的第一步。除了激光打孔這個額外的步驟,實際上MWT電池和常規電池的工藝流程較為接近,當然在細節方面還是有所差異,圖3是德國ISE研究所提出的一個p型硅MWT電池基本工藝流程[5]。

MWT背接觸晶體硅光伏技術概述

圖3所示的MWT電池工藝流程,和常規電池相比,在清洗制絨前增加了一道激光打孔工藝,此外還采用了雙面擴散和激光劃線隔離的方式,這種工藝曾經在常規電池里面使用,但后來逐漸被單面擴散和濕法刻蝕技術所取代了。當然MWT電池也同樣可以采用改進后的工藝技術,需要注意的是孔洞里面發射極的保護,避免可能的漏電效應,影響其可靠性。此外,因為MWT電池的正負電極都位于電池片的背表面,電性能的測試夾具需要特制。經過工藝優化后的MWT電池效率較常規電池高0.3%~0.5%,目前阿特斯、天威新能源、晶澳和南京日托等公司都宣稱實現了量產。

3 MWT背接觸組件技術

相比較MWT電池制備技術,MWT電池產品封裝成組件的技術更為關鍵。常規的H型電池只需要用涂錫銅帶(焊帶)和電池片主柵線焊接來串聯相鄰電池片,而MWT電池的正、負電極點都在背面,且不在一條直線上,無法用一根焊帶直線互聯,一個比較簡單的方法是在相鄰電池片之間增加一根匯流條,如圖4(a)所示:

 

MWT背接觸晶體硅光伏技術概述

但這種方法在生產上也較為麻煩,日本的夏普公司發明了圖4(b)這樣的焊帶直接互聯方式[6],關鍵點是電池片電極采用特殊的非對稱布局,在串聯成組件時,相鄰的電池片沿中心旋轉180度后剛好可以實現正負極的直線互聯。

其實從實際生產的角度,用傳統的焊帶焊接互聯MWT電池并不十分合適,主要原因是MWT電池正負電極都在背面,單面焊接冷卻后產生的應力會導致電池片彎曲弓片,容易破碎,而常規電池雙面對稱焊接造成的應力可以彼此抵消。此外連通負極的焊帶還要考慮和電池片背鋁的絕緣隔離問題。針對這個問題,ECN等研究機構提出一種全新的MWT電池互聯封裝方式[7]:基于導電背板的MWT電池封裝技術,如圖5所示。

MWT背接觸晶體硅光伏技術概述

 

和焊帶焊接完全不一樣的是,該互聯封裝方式是基于全新的金屬箔電路設計,每片電池片通過柔性的導電膠和金屬箔電路互聯從而自動形成完整的回路,這樣工藝步驟非常簡化:準備好導電背板-印刷或者點膠-EVA打孔鋪設-MWT電池片上料-上層EVA鋪設-玻璃鋪設-翻轉層壓-打膠裝框、裝接線盒。和常規組件相比,省去了復雜的高溫焊接過程,更容易實現自動化和更高產能,降低電池片的破碎率,甚至可以封裝超?。ㄗ畋?0um)的電池片,這對以后電池片成本的降低起到巨大的推動作用。從電性能來說,因為導電背板整塊組件的背面,金屬箔截面積遠大于細長形的焊帶,串聯電阻遠遠小于焊帶連接,進一步結合導電背板上的金屬箔圖形設計,使得工作電流均勻分布,只需要幾十微米的銅膜或者鋁膜即可實現極低的電池片互聯功率損失,組件功率封裝損失較常規焊帶技術降低了2%~4%。此外,在組件戶外工作時,這層金屬膜同時可起到增強散熱的作用,實際工作溫度較常規產品低3~5?C,額外可多發2%的電量。這種新型的封裝技術已經逐步成熟,關鍵設備和關鍵材料也開始市場化,目前荷蘭ECN和南京日托都宣稱可向其他企業提供全套工藝技術轉讓和相關專利授權,南京日托同時可供應低成本鋁基導電背板這種關鍵材料。

4 MWT背接觸技術最新進展

在過去的幾年,MWT背接觸技術發展很快,多晶MWT電池平均效率達到18.2%~18.5%,單晶MWT電池平均效率也在20%左右,而且MWT技術還幾乎可以融合目前可能的其他產業化新技術,包括PERC、N型和黑硅技術等,疊加起來的效果甚至要好于單個技術增益的相加。目前很多國際國內光伏廠商都對MWT背接觸技術給與了重點關注和濃厚興趣,阿特斯、天威新能源和英利等大型光伏企業都先后和荷蘭ECN合作,其中阿特斯和天威新能源已經宣布實現了一定規模的量產,英利也在展會上展示了其N型高效MWT電池組件的樣品。在2014年上海光伏會展中,新成立的南京日托光伏科技有限公司首次亮相并展示了其自主知識產權的5×5新型MWT電池設計,60片電池的單、多晶MWT組件主流功率分別達到300W和270W以上,對應的組件轉化效率更高達18.9%和17%,同時外觀十分精美,引起市場廣泛關注。其超高功率的單晶組件主要是使用了結合PERC技術的MWT電池(電池轉化效率21%),更有意思的是其進一步展示了使用超薄單晶硅片(130um)的高效MWT電池組件,組件每瓦的生產成本因此降低了0.4元/瓦,這將有可能改變目前市場上單、多晶電池的市場格局,同時對常規產品形成了替代性的優勢。

5 結語

在光伏行業產能過剩和惡性競爭造成行業低谷的今天,只有通過真正的技術創新,大幅提高行業技術門檻,才能真正淘汰目前的過剩落后產能,也阻止了外來投機資金的蜂擁而入,這樣才有利于光伏行業的快速復蘇和長期健康發展。結合低成本的超薄硅片和PERC等先進技術,新一代的MWT背接觸技術具有高效和低成本的雙重優勢,極具發展潛力,其大規模的應用和發展將有可能改變目前整個光伏市場的格局,為光伏行業的進一步發展和降低光伏發電成本做出貢獻!

作者介紹

路忠林,男,博士,2010年03月至2013年03月任天威新能源研發中心主任助理兼項目部經理,2014年江蘇省雙創博士,2012年成都市高層次創新創業人才。2008.7- 2009.10 臺灣成功大學物理系、創新卓越研究中心研究專家;2007.5 – 2008.7 東南大學物理系講師,2007南京大學物理系博生畢業;先后參與了處于光伏行業領先地位的創新性技術,如背接觸電池及組件技術的研究開發和產業化工作,發表高水平SCI論文30多篇,申請專利52項。

李質磊,男,碩士,2009年08月至2013年03月任天威新能源研發中心電池技術部經理,2007年7月哈爾濱工業大學材料學碩士,2007年至2009在中電電氣(南京)光伏有限公司先后擔任工藝改進工程師及工藝主管。

盛雯婷,女,博士,2012年06月至2013年03月任天威新能源總經理助理兼生產總監,2011年成都市高層次創新創業人才。2009年8月至2012年5月任天威新能源電池公司總經理,2007年10月至2009年7月任南京中電光伏技術中心副主任,2006年1月至2007年10月任南京中電光伏副總經理助理, 2006年南京大學物理博士,2004美國特拉華大學物理與天文學系訪問學者。具有在光伏太陽能行業工藝技術﹑項目管理和生產營運和市場營銷等綜合能力,具有良好的帶領團隊的管理能力及經驗。

千人計劃特聘教授張鳳鳴博士

張博士在過去近20年中,一直從事光伏太陽能技術的研究開發、大規模生產的技術及制造管理等方面的工作,在光伏太陽能的基礎研究、技術開發、大型項目管理、以及大規模工業化生產和商業運作,包括在美國NASDAQ上市等方面均有著長期和豐富的經驗。先后參與了無錫尚德、中電光伏、天威新能源等大型光伏新能源企業的創建和運營。2005年入選“教育部新世紀人才計劃”。多次主持國家自然科學基金和“973”、“863”重大項目研究課題工作。2008年被南京市人民政府授予“留學歸國創新創業十大領軍人才”榮譽稱號。2010年獲澳中校友“杰出研究與創新獎”。2011年入選中央組織部“千人計劃”特聘專家。2012年獲中國兵器裝備集團公司“杰出科技創新人才”獎。

路忠林,李質磊,盛雯婷,張鳳鳴

南京日托光伏科技有限公司

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