单晶多晶组件CTM差异分析

2016-05-07

本文主要研究了导致组件CTM损失的可能因素,重点分析了造成单晶组件和多晶组件CTM差异的原因。光学损失和B-O复合之间的差异决定了多晶组件的CTM损失要少于单晶组件,对于硼氧复合损失可以想办法改善,但对于光学损失的差异,针对单晶没有更好的解决方法。



随着光伏产业的快速发展,使晶体硅太阳电池及其组件成为研究的热点,以实现太阳电池组件效益的最大化。电池封装为组件不仅可以使电池的电压、电流和输出功率得到保证,而且还可以保护电池不受环境损害和机械损伤。晶体硅太阳电池经过封装为组件后,组件的功率(实际功率)与所有电池片的功率之和(理论功率)的差值,称为组件封装功率损失,其计算公式为:组件功率损失=(理论功率-实际功率)/理论功率。


通常我们使用组件输出功率与电池片功率总和的百分比(Cell To Module简称CTM值)表示组件功率损失的程度,CTM值越高表示组件封装功率损失的程度越小。如果CTM值较低,组件的输出功率有可能达不到预期的要求,遭到客户的投诉,最终造成经济效益的损失。

与此相反,如果可以提高CTM值,组件的输出功率的增加会提高公司组件产品的收益,已达到降低生产成本的目的。在组件产品的生产过程中发现单晶组件和多晶组件的CTM差别比较大。在组件生产工序完全一致的情况下,单晶组件CTM损失要高于多晶组件,本文主要针对单晶和多晶组件CTM的差异性进行研究,解释单多晶组件CTM不同的内在原因。

1、组件CTM影响因素

影响CTM的因素很多,包括:

A.光学损耗:制绒绒面不同引起的光学反射、玻璃和EVA等引起的反射损失。

B.电阻损耗,电池片本身的串联电阻损耗、焊带,汇流条本身的电阻引起的损耗,焊带不良导致的接触电阻、接线盒的电阻。

C.不同电流的电池片串联时引起的电流失配损失,由于组成组件的各电池片最大工作点电流不匹配造成的失配损失(分档,低效片混入)。

D.热损耗,组件温度升高会引起的输出功率下降。

E.B-O复合引起的电池片效率衰减,与本征衰退损失。

F.组件生产过程中产生隐裂或碎片。

影响单晶和多晶组件CTM差异的因素主要包括2个方面,光学损耗和硼氧复合损耗。光学损耗产生的差异主要为单多晶电池产品的制绒工艺是不同的,反射率的差异性比较大;B-O复合损耗的差异为单多晶原料片生长工艺不同,单晶原料过程中引入的硼氧对要多于多晶原料。本文设计实验主要针对以上两点进行实验设计,分析造成单多晶组件CTM差异性的原因。

2、实验设计

2.1、实验样品

样品采集自晶澳电池产线,所用硅片厚度为200μm,电阻率为1-3Ω.cm的单晶和多晶电池片各20片,并且20片单晶电池片为同一个功率档位,20片多晶电池片为同一个功率档位。

2.2、实验步骤

单多晶电池片分别选取10片进行LID测试;单多晶电池片分别选取5片进行量子效率(QE)测试;单多晶电池片分别选5片采用相同的焊接和封装工艺制成小型组件,并进行QE测试。

2.3、实验测试

10片电池片先测量功率等各项参数,然后在稳态太阳模拟器或自然阳光条件下,连续照射5小时(控制光强1000w/m2),完成之后重新检测功率等参数,分析实验前后电池片功率损失情况,即为LID测试。

QE量子效率是指电池片的量子效率为太阳能电池的电荷载流子数目与照射在太阳能电池表面一定能量的光子数目的比率。某一波长的光照射在电池表面时,每一光子平均所能产生的载流子数目,为太阳能电池的量子效率,也成为光谱响应,简称QE。

3、实验结果与分析

3.1、光学损失


从图1中可以看出单晶电池的光谱响应QE要远远好于多晶电池片的光伏响应。一方面是因为单晶电池片的效率要高于多晶电池片,其次单晶多晶的制绒不同,多晶由于晶界分布不规则,采用酸性制绒,为各向同性腐蚀,制绒后反射率在25%左右,单晶晶界排列规则,采用碱性制绒,为各向异性腐蚀,制绒后反射率为10%左右。这些决定了单晶和多晶电池片光谱效应QE的差异。


电池片封装成组件后的QE曲线可以发现在420nm处开始吸收太阳光,在350nm以内的紫外区域入射光全部被封装材料玻璃、EVA等吸收,从而导致可以产生光生电流的光子数目减少。单晶组件损失的光电流比多晶组件多,与多晶电池相比,单晶电池在紫外线区域较为出色的光谱响应被浪费掉了。这样不难发现在同样的封装条件下多晶电池在短波段的封装损失要少于单晶电池。

组件在380nm-450nm,900nm-1200nm波段之间的量子效率要高于单晶和多晶电池,是因为电池在做成组件的时候不止存在光学损失,同时也存在光学增益,在光照射在电池、焊带或者背板上时,由于组件玻璃对光线的反射,会有光线再次照射在电池上,增加组件的对光线的吸收利用。

多晶量子效率本身偏低,所以经过封装以后,多晶组件的光学增益要多于单晶组件,这样多晶组件在380nm-450nm及900nm-1200nm波段的封装损失也会少于单晶组件。

以上光学因素决定了单晶组件CTM损失要多于多晶组件。但是没有更好的解决单晶组件光学损失的方法。

3.2、B-O复合损失


由表1的实验结果,不难发现单晶电池LID较多晶电池严重,这主要是因为单晶原料和多晶原料的生长环境不同所导致。常规单晶生长使用石英坩埚,石英坩埚在高温时与硅溶液反应,生成SiO2,这样使硅棒中氧的含量有一定幅度提升,从而增加了硼-氧对的数量,硼氧对在经过光照处理时会形成少子寿命低的BO5,影响电池片的输出功率,最终增加了单晶硅电池的LID光衰值。


多晶采用铸锭的方式生长,主要工艺步骤为加热,融化,长晶,退火,冷却步骤。多晶铸锭时坩埚底部热量通过冷却装置把热量带走。坩埚缓慢下降,从而是硅锭离开加热区,多晶铸锭用的坩埚为石英陶瓷坩埚,在铸锭过程中引入的氧碳杂质较少,这样在光照条件下产生的硼氧复合就会减少,因此多晶硅电池的LID光衰值相对偏低。这样导致了多晶CTM损失要低于单晶。要改善单晶CTM可以想办法减少单晶产品的LID光衰情况。

减少单晶原料的衰减可以考虑一下方法,A.模仿多晶铸锭工艺生产单晶。B.采用磁控拉晶工艺或着区熔单晶工艺,减少氧含量的引入,提高单晶硅棒的品质。C.由掺硼改为掺镓,避免硼氧复合的出现。

4、结论

本文简单描述了导致组件CTM损失的可能因素,重点分析了造成单晶组件和多晶组件CTM差异的原因。光学损失和B-O复合之间的差异决定了多晶组件的CTM损失要少于单晶组件,对于硼氧复合损失可以想办法改善,但对于光学损失的差异,针对单晶没有更好的解决方法。


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