三角焊帶對光伏組件電性能影響的研究

雷鳴宇，鄭 璐，馬昀鋒，馬曉龍

(青海黃河上游水電開發(fā)有限責任公司光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)分公司，西寧 810007)

0 引言

近年來，人們對能源的需求日益增加，但傳統(tǒng)能源存在供應短缺和對環(huán)境污染嚴重等問題，因此，為了有效保護自然環(huán)境和解決能源短缺問題，發(fā)展清潔、無污染的可再生能源成為國際及國內(nèi)新的能源戰(zhàn)略部署[1]。其中，光伏發(fā)電作為一種高效的可再生能源利用方式，越來越受到人們的青睞，在全球范圍內(nèi)，其裝機容量亦日趨擴大[2-3]。當前，降低度電成本是光伏電站業(yè)主的重要目標，而提升太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率和光伏組件的輸出功率是降低度電成本的主要途徑。當太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率一定時，通過優(yōu)化光伏組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可提升其輸出功率，具體包括光伏玻璃采用鍍膜工藝、改善EVA的透光率、改變焊帶的表面結(jié)構(gòu)與尺寸，以及提升光伏背板反射率等技術(shù)手段。

焊帶是光伏組件中太陽電池電氣連接的重要部件，其主要作用是輸送太陽電池主柵線收集的電流，并引出電極給負載供電。常規(guī)焊帶(即“扁焊帶”)的表面結(jié)構(gòu)為扁平形，由此種焊帶引起的光學損失約占光伏組件總輸出功率損失的3%[4]。為降低因焊帶表面結(jié)構(gòu)引起的光伏組件輸出功率損失，可通過改變焊帶的表面結(jié)構(gòu)，增加入射光的二次利用率，提升太陽電池對太陽光的吸收利用率(即吸光率)，以降低光伏組件的封裝功率損失，從而在一定程度上提升光伏組件的輸出功率。而三角焊帶的表面結(jié)構(gòu)為三角形，其能增加太陽電池對太陽光的總吸收量，從理論上增加了電池內(nèi)的電子-空穴對的數(shù)量，進而可提升光伏組件的輸出功率。

本文首先介紹了三角焊帶增加太陽電池吸光率的理論優(yōu)勢，然后將分別采用2種表面尺寸的三角焊帶和扁焊帶制備出4種小型光伏組件，最后對這4種小型光伏組件的電性能進行分析，以研究不同類型及不同表面尺寸的焊帶對光伏組件輸出功率的影響。

1 三角焊帶增加太陽電池吸光率的理論優(yōu)勢

光伏組件中的常規(guī)焊帶一般為扁焊帶，其表面結(jié)構(gòu)近似平面，因此垂直入射到焊帶上的太陽光幾乎全部被反射后經(jīng)過EVA層和光伏玻璃后再全部原路返回大氣中，從而被損失掉；而且扁焊帶的寬度較寬，會減小太陽電池的有效受光面積，降低太陽電池的吸光率。

基于此，部分焊帶廠家研制出了一種圓形焊帶，此種焊帶可將垂直入射到焊帶上的部分太陽光反射到光伏玻璃上，經(jīng)過光伏玻璃的再次反射后被太陽電池吸收，在一定程度上增加了太陽電池的吸光率。但經(jīng)過2次反射后，到達太陽電池的太陽光已經(jīng)微乎其微，且圓形焊帶與太陽電池主柵線焊接處的接觸面積較小，可靠性較差。

三角焊帶可使所有垂直入射的太陽光和絕大部分的斜射光直接被反射并再次被利用，減少光伏玻璃和EVA層對光線的二次反射。扁焊帶、圓形焊帶和三角焊帶的太陽光線反射路徑如圖1所示。

圖1 扁焊帶、圓形焊帶和三角焊帶的太陽光線反射路徑圖Fig. 1 Sunlight reflection path diagram of flat，circular and triangular welding ribbon

從圖1可以看出，相較于扁焊帶和圓形焊帶，采用三角焊帶時太陽電池對太陽光線的利用率更高，三角焊帶可反射幾乎所有的垂直入射光和斜射光。扁焊帶不能反射所有的垂直入射光和大部分的斜射光，圓形焊帶也僅可以反射部分的垂直入射光和少量的斜射光。

此外，與扁焊帶和圓形焊帶相比，三角焊帶還具有以下優(yōu)勢：

1)高可靠性：由于三角焊帶與太陽電池主柵線的接觸面積大，因此光伏組件的串聯(lián)電阻小、焊接強度大；

2)高穩(wěn)定性：三角焊帶便于焊接和定位，焊接時不易造成焊帶偏移。

2 實驗方案設計

由于圓形焊帶反射到太陽電池上的太陽光沒有三角焊帶的多，光伏組件的輸出功率增益不明顯，因此本文以三角焊帶和扁焊帶進行研究。

為研究三角焊帶和扁焊帶對光伏組件輸出功率的影響，本實驗中，分別采用2種表面尺寸的三角焊帶和扁焊帶進行正交實驗方案設計，制備出4種小型光伏組件。

光伏組件中太陽電池正面和背面分別采用不同類型的焊帶焊接：正面都采用夾角均為60°的三角焊帶，焊帶的表面尺寸分別為0.40、0.55 mm，三角焊帶可減少入射光的反射；背面均采用超柔、超薄的扁焊帶，焊帶長度分別為2.0、1.5 mm，對應的焊帶厚度分別為0.10、0.09 mm，扁焊帶可將太陽電池之間的縫隙減至0.3 mm左右，并能降低焊接時造成的太陽電池碎片率；太陽電池正面、背面分別采用不同類型焊帶焊接的方式可以將每種焊帶的優(yōu)勢發(fā)揮到極致。本文光伏組件采用的三角焊帶和扁焊帶的結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。

圖2 三角焊帶和扁焊帶的表面結(jié)構(gòu)及尺寸Fig. 2 Surface structure and size of triangle welding ribbon and flat welding ribbon

4種小型光伏組件的設計方案：光伏組件中的太陽電池選用功率相同的7主柵PERC單晶硅太陽電池，采用激光劃片機將太陽電池切成半片；然后按照上述焊帶組合方式制備長、寬均為200 mm的4種小型光伏組件，編號分別為1#～4#。這4種小型光伏組件中焊帶的具體搭配方式如表1所示。

表1 4種小型光伏組件中焊帶的具體搭配方式Table1 Specific matching methods of welding ribbons in four kinds of small size PV modules

采用三角焊帶的小型光伏組件的正面結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 采用三角焊帶的小型光伏組件的正面結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of front structure of small size PV module with triangle welding ribbon

光伏組件的制備原則：為了避免制備過程中其他因素對光伏組件輸出功率帶來的影響，4種小型光伏組件均采用相同的制備工藝參數(shù)。制備出的4種小型光伏組件的實物圖如圖4所示。

圖4 4種小型光伏組件的實物圖Fig. 4 Photos of four kinds of small size PV modules

3 4種小型光伏組件的性能測試與分析

根據(jù)IEC 61215∶2016，在標準測試條件(STC)下，采用光伏組件功率測試儀對4種小型光伏組件進行電性能測試，每種光伏組件共測試3次，然后取平均值。最終得到的4種小型光伏組件的電性能數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 4種小型光伏組件的電性能測試結(jié)果Table 2 Electrical performance test results of four kinds of small size PV modules

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，三角焊帶表面尺寸為0.55 mm時光伏組件的最大輸出功率Pm比三角焊帶表面尺寸為0.4 mm時的高，這表明表面尺寸為0.55 mm的三角焊帶在光的全反射方面要優(yōu)于表面尺寸為0.4 mm的三角焊帶，其可使更多的太陽光線被光伏組件中的太陽電池吸收。由此可知，在一定范圍內(nèi)增大太陽電池正面的三角焊帶的表面尺寸，可以增強其對太陽光線的反射效果，而且焊帶的內(nèi)阻也會減小，最終光伏組件的輸出功率會有較大增加。

4 結(jié)論

本文通過理論分析了不同表面結(jié)構(gòu)的焊帶增加太陽電池吸光率的原理，分別采用2種表面尺寸的夾角均為60°的三角焊帶和超柔、超薄的扁焊帶制備出4種小型光伏組件，并測試了這些光伏組件的電性能，對比后發(fā)現(xiàn)：在一定范圍內(nèi)增大太陽電池正面的三角焊帶的表面尺寸，可以增強其對太陽光的反射率，焊帶內(nèi)阻也會減小，光伏組件輸出功率的增大較為明顯。該結(jié)論可為進一步減低光伏電站的度電成本提供一定的實踐基礎。