晶体硅光伏电池组件封装的电学损失分析

         为了获得所需要的电流，电压和输出功率，同时保证晶体硅电池片不受外界损坏，能稳定运行，需要将单片电池串联、密封热压做成电池组件。晶体硅太阳电池经过封装后，组件的功率（实际功率）会小于所有电池片的功率之和（理论功率），我们把这个差值，称为组件封装功率损失，计算方法为：封装损失 = （理论功率－实际功率）/ 理论功率。电池的封装损失直接增加了电池的发电成本，如何降低电池封装的功率损失，从而降低单位面积的封装成本，提高组件的最大输出功率，是优化组件制造工艺的重要内容。一般认为，组件的功率损失主要包括光学损失和电学损失。光学损失主要是由焊带遮光、玻璃和 EVA 等封装材料的透过率和光学失配引起，好的光学匹配也会弥补封装材料透过率带来的损失。电学损失主要包括以下几点：连接电池片的焊带和汇流条本身的电阻带来的串联电阻损失，电流不同的电池片串联在一起时引起的电流失配损失，接线盒的电阻引起的损失。本文通过实验，重点讨论了组件封装损失的电学部分，针对这些主要因素，分析优化了组件封装，提出了降低封装损失的措施。

一、实验

挑选同一厂家、同一片源的一定数量单晶硅太阳电池片，规格为125mm×125mm，对每一片电池进行测试、记录并编号。将这批电池片按照光电转换效率间隔0.2%进行分档。挑选出效率档位在17.6%～17.8%的500片电池制作组件。组件制备选用了不同厂家的焊带、汇流条、接线盒等，通过相同的生产工艺生产了6块190 W单晶硅电池组件，并对组件的输出特性进行测试，具体情况见表1。

表1 组件封装前后功率对比

表 1 的实验数据表明：这批自制的组件平均功率损失为6.32 W ，组件封装功率损失平均为 3.18%。

对于每个编号的电池组件，我们也进行电池电性能参数的对比，统计了 6 块组件的电参数的均值进行对比。

表 2 的实验数据表明：封装前后短路电流Isc和最大功率对应的最大电流Ipm基本没有损失，反而略有增益。分析其原因是在电池组件中，电池片 EVA 和玻璃间好的光学匹配，使光线在封装材料间的多次反射增加了电池片对光的吸收。关于晶体硅太阳电池组件的光学增益问题，好的光学匹配可使光学增益达到 5.75%。电池的开路电压 Voc 的封装损失平均为 0.42%，而最大功率对应的最大电压 Vpm 封装损失平均达到 3.79%，整个组件的功率封装损失平均为 3.18%。因而推断：组件的功率封装损失主要由 Vpm 的封装损失所导致，而电压损失主要是由于串联电阻的增加引起的。

表2 电池、组件主要电参数对比

二、电学功率损失分析

通过上述的电池和组件电参数的分析得出，电池封装成组件后，玻璃，EVA 等封装材料引起的光学损失部分，由玻璃和 EVA 间的光学匹配来弥补，所以电池的短路电流和工作电流没有损失，还略有增益；而组件的封装损失主要由于电学损失引起，下面将对焊带电阻损失，接线盒和电流失配带来的损失进行计算和分析。

1、焊带串联电阻引起的功率损失

研究资料表明：组件的串联电阻对其可达到的最大光电转换效率有很大影响。较厚的焊带能够在一定程度上减小组件的串联电阻，但厚焊带也会带来较大的应力，从而可能引起焊接破片和可靠性的隐患。组件中的串联电阻引起的功率损失，从本质上讲，是转化为焦耳热消耗掉了。对于晶体硅太阳电池组件来讲，封装增加的串联电阻主要是焊带电阻，图1 所示为本实验190 W单晶硅太阳电池组件结构图，主要焊带电阻为图 1（b）中的 A，B，C 三部分：其中 A，C 两部分分别表示组件接线盒端和非接线盒端的汇流条，而B部分表示电池的电池片间的焊带。

 

图1 190W组件结构图

 

从表3实验数据表明：焊带都呈现出在其它条件相同时，增加焊带厚度，组件的串联电阻减小的规律。组件峰值功率与焊带厚度的关系图2所示。

随着焊带厚度增加，组件的功率先增加后趋于平稳，这也意味着组件的功率损失先小了后稳定。当焊带厚度从 0.20 mm变化到 0.22 mm 时，组件的峰值功率趋于稳定，可能的原因是：增加焊带厚度，带来较大的应力，引入一些焊接缺陷，导致组件峰值功率不再增加。实验证明：对于晶体硅太阳电池组件，从减小组件封装功率损失方面考虑，焊带宽度为 1.6 m 时，焊带宽为 0.2 mm 左右最为适宜。

图2 峰值功率与焊带厚度的关系

表3 不同厚度焊带封装后电参数对比 

从组件布线图知：电池片间距为2mm，电池串间距为3 mm，电池片的起焊点距离电池边 8 mm，电池片距离左右边框 18.5 mm，距离上下两端 11.5 mm，电池片距短汇流条 3 mm，长汇流条 5 mm。组件所采用涂锡铜带互联条和汇流条横截面积分别为：1.6 mm×0.18 mm，5 mm×0.2 mm，焊带电阻率：0.017 8 Ω mm2/m，各部分的电阻通过 R=L×ρ/S 计算。式中：ρ表示焊带电阻率；L 表示焊带长度；S 表示焊带的横截面积。

计算出 RA= 14.2 mΩ，RB= 20.1 mΩ，RC= 76.3 mΩ，组件的平均最大工作电流为：Ipm=5.28 A，得出组件封装的焊带热损失为：P=I 2R=3.08 W，占整个功率损失ΔP 的 48.73%。

将同一批次，同一档位的电池片，规格为125 mm×125 mm，使用 Berger 测试台进行测试，以保证所做组件的电池片电性能良好，无裂片，使用同一厂家的焊带，焊带的宽度均为1.6 mm，厚度不同，由 0.14 mm 间隔 0.01 mm 变化到 0.21 mm，汇流条的规格相同，均采用横截面积为5 mm×0.2 mm，对上述9个组件每个连续 10 次测试，记录数据，取平均值。所得数据如表 3 所示。

2、电流失配的功率损失分析

晶体硅太阳电池组件一般是由单片太阳电池串连而成，组件中每个单体电池的电性能应尽可能一致，以减少因单体电池电性能不匹配而引起较大的组合损失，从而保证每个电池都能发挥出最大功效，而整个组件的工作电流也受电流偏小的电池片的制约[。光伏行业内，大多数厂家是按效率对电池片进行分档。由于硅片质量、生产工艺、测试设备等的差异，同档电池片的 I-V 曲线并不完全一致。这样，把同档电池片封装在一块组件中时，就存在失配损失的可能。目前绝大多数厂家都对电池采用效率分档，也有一些按照工作电流来分档，下文通过数据统计，对两种分档方式进行比较。

选取同一批次，规格为125 mm×125 mm，加工工艺和辅料相同，按照效率 17.7%，工作电流 Iap 分为 3 组： (a)Iap 偏高；(b)Iap 居中；(c)Iap 偏低。分别各封装 10 块组件，统计各组的平均封装功率损失。作为参照的 A 组数据为上文所述6块由效率为 17.6%～17.8%的电池封装的组件。

表 4 数据表明，选用工作电流 Iap 来分档，组件封装损失有一定改善。

表4 不同分档方式的功率损失比较 
 

3、接线盒引起的功率损失

接线盒对太阳电池组件的可靠性和输出功率也有着重要的影响。本文设计了针对接线盒功率损失的实验，在制作组件的过程中：选取同一批次，规格为125 mm×125 mm，加工工艺和辅料相同，选取效率档为 17.6%～17.8% 电池片封装 190 W的电池组件，其理论功率为 197.31 W，A、B、C、D四个型号接线盒各十块组件，在相同测试环境下，测试各组件安装接线盒前后的电参数，采用四种型号接线盒的十块组件功率取均值，P2和 P1分别表示安装接线盒前后的测试功率的平均值，如表5所示。

表5 不同接线盒功率损失 

表 5表明接入一个接线盒的组件与串接前后正常组件相比，其最大输出功率平均减少了 1.118 W，接入接线盒后的功率损失占组件功率的 0.567%。

接线盒的功率损失和其内阻呈现出线性关系，如图 3 所示。

图3 接线盒电阻与功率损失的关系

 

分析接线盒带来的功率损失主要由于接线盒的内阻产生焦耳热，接线盒电阻均值为 11.3 mΩ，在峰值电流时产生的焦耳热损失为P = I 2R=0.315 W，占接线盒功率损失的53.85%；还有一部分是组件I-V测试台上的转接线的影响和接线盒中二极管漏电的影响。

三、结论

通过大量的数据统计和分析，得出以下结论：晶体硅太阳电池组件的电学损失主要包括焊带电阻损失，接线盒损失和电流失配带来的损失。190W单晶硅太阳电池组件的封装损失平均为 3.18%，其中电学损失为主要部分，焊带电阻和接线盒损失占据总功率损失的 57.99%；增加焊带宽度，能降低焊带电阻，减小封装损失，我们推荐在不影响碎片率和组件可靠性的条件下，使用较厚的焊带。对于 190 W 单晶硅太阳电池组件，推荐使用规格为 1.6 mm×0.20 mm 的焊带；与按照效率分档比较：选用工作电流 Iap 来分档，对封装损失有一定的改善；接线盒的功率损失主要是由于接线盒的电阻产生的，电阻越小，封装损失越小。

 

帅争峰，杨宏，雷咸道

 

 

文章摘自网络

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