基于光伏組件層壓封裝后新增隱裂影響點分析

胡子鵬 閆學醫 孫建恒 武聚鵬 劉占雄 王財栓

（晶澳（邢臺）太陽能有限公司，河北邢臺 054001）

0 引言

氣候問題是全球人類面臨的共同問題。世界各國溫室氣體（由于人類活動或者自然形成的溫室氣體，如：水汽、氟利昂、二氧化碳、氧化亞氮、甲烷、臭氧、氫氟碳化物、全氟碳化物、六氟化硫等）激增，嚴重威脅全球生態系統。在這一背景下，世界各國以協約的方式減排溫室氣體，中國由此提出碳達峰和碳中和目標。雙碳目標的實現具有緊迫性，中央及地方各省市政策陸續發布。《中國長期低碳發展戰略與轉型路徑研究》報告中指出，歐美從碳達峰到碳中和經歷了50-70 年的過渡期，而我國從2030 年“碳達峰”到2060 年 “碳中和”僅用30 年的目標，具有緊迫性和艱巨性。隨著“碳達峰”“碳中和”的提出，光伏產業是實現“碳達峰”“碳中和”的主力軍，光伏新能源的關注度越來越高，需求也隨之增長，市場對產品品質的要求也越來越高，而光伏組件又是主力軍中不可或缺的一部分。但隨著平價上網的推進，各光伏公司都在積極尋找降本增效的方式，隨著硅片厚度的降低，光伏成品組件更易受損，導致隱裂、裂片產生，而成品組件品質的好壞直接影響組件使用壽命，成品組件內部隱裂直接影響組件發電量，影響電站產出效益，嚴重的可造成組件“熱斑”，發生不可挽回的事故。因此成品組件隱裂亟待解決。

1 理論研究

組件隱裂是指當電池片（組件）受到較大的機械或熱應力時，在電池單元產生肉眼不易察覺的隱性裂紋。晶硅電池片由于其自身晶體結構的特性，很容易破裂，隱裂可以說是一種較為常見的電池片自身缺陷。隱裂影響因素較多，膠膜、焊帶、電池厚度、切割方式等均會影響層壓后組件隱裂數量占比。

隱裂是如何被檢測的呢？硅片平衡PN 結中，存在著具有一定寬度和高度的勢壘區，其中相應地出現了內建電場，每一種載流子的擴散電流和漂移電流互相抵消，沒有靜電流通過PN 結，相應的在PN 結中費米能級處處相等。當給太陽電池施加正向偏壓，勢壘便降低，勢壘區內建電場也相應減弱。這樣繼續發生載流子的擴散,即電子由N 區注入P 區，同時空穴由P 區注入到N 區。這些進入P 區的電子和進入N 區的空穴都是非平衡少數載流子。在實際電池的PN 結中，擴散長度遠大于勢壘寬度。因此電子和空穴通過勢壘區時因復合而消失的概率很小，繼續向擴散區擴散。這樣P-N 結勢壘區和擴散區注入了少數載流子，這些非平衡少數載流子不斷與多數載流子復合（輻射復合）而發光，這就是太陽電池的EL 理論[1]。

不同晶硅電池隱裂對比：晶硅電池中，單晶硅與多晶硅電池原子分布排列不同，受外力作用，產生多晶硅中晶界間作用力，電池所受外力被抵消，一定程度上保護多晶硅電池不受傷害或傷害作用小；單晶硅電池內無晶界作用力保護，受力時相對多晶硅電池更易發生破損，造成隱裂。由于單、多晶硅內部結構的差異，在人工焊接時，單晶硅電池隱裂率相對于多晶硅電池隱裂率偏高。如果電池片受力均勻，那么焊接過程中造成電池片隱裂概率相對較低，極端高溫導致的焊帶與電池片間過焊隱裂除外[2]。

電池片中的電流主要依靠各輔柵線收集硅片所產生的電流，電流傳輸至主柵線，再經過各主柵線與匯流條聯接，經分體式線盒傳輸至外界線路單元。電池片發電量與硅片大小成正比例關系，電池片面積越大，傳輸的電量越大。但如果硅片存在隱裂，輔柵線無法將電量匯聚至主柵，電池短路電流就會減小，組件傳輸功率隨之降低。如果隱裂情況嚴重，可造成組件壽命及發電量雙重影響[3]。

2 現狀

目前電池主柵根部小隱裂（＜10mm）比例：單玻60 版型組件隱裂比例10%左右，單玻72 版型組件隱裂比例40%左右；如果光伏電站項目不規范安裝，組件受力后小隱裂位置必然擴大，貫穿性隱裂概率超50%。本文主要針對光伏組件隱裂問題，從材料及制程控制方面進行驗證研究。

3 影響成品組件隱裂的因素

晶體硅太陽能電池是利用半導體硅材料的光生伏打效應，通過P-N 結把太陽光轉化為電能。由于硅電池本身易破碎、易被腐蝕，若直接暴露在空氣中，光電轉換效率會由于潮濕、灰塵、酸雨等影響而下降，產生巨大損失。因此，硅電池必須通過膠封、層壓等方式封裝成平板式結構，再正常使用。其中層壓封裝的方法最普遍，即將硅電池的正面和背面各用一層透明、耐老化、黏結性好的熱熔性EVA膠膜包封，采用透過率高、耐沖擊的地鐵鋼化玻璃做上蓋板，用耐濕抗酸的Tedlar 復合薄膜或玻璃等其他材料做背板，通過真空層壓工藝使EVA 膠膜將電池片、正面蓋板和背板黏合為一個整體，構成一個實用的太陽電池發電器件。

真空層壓封裝太陽電池，主要使用的材料有玻璃、EVA、Tedlar 復合薄膜。封裝材料的特性對太陽電池組件的性能、使用壽命有重要影響。選用合理的封裝材料和正確的封裝工藝能保證太陽電池的高效利用。優良的太陽電池組件，除了要求太陽電池本身效率高外，優良的封裝材料、合理的封裝工藝也是不可缺少的[4]。

3.1 電池片厚度

電池片的技術進步對光伏技術迭代影響最大。增加隧穿氧化層及多晶硅層，降低載流子復合，實現效率的顯著提升，目前領先企業量產效率在24.7%～25.1%，并在衰減率、雙面率、溫度系數方面也有明顯優勢。隨著降本提效的不斷推進，電池片不斷地優化改進，電池效率提升受限，大功率組件必然需要大尺寸電池、組件。尺寸變得越來越大，厚度變得越來越薄。隨之而來的必然是越來越脆弱，受力損傷的概率也隨之增加。180μm 厚度硅片與150μm 厚度硅片相比，單瓦成本增加0.05 ～0.06 元，但隱裂比例降低10%～15%。

3.2 焊帶直徑

光伏焊帶又稱鍍錫銅帶或涂錫銅帶。它是光伏組件的重要組成部分，用于光伏電池封裝中的連接。它可以將硅片由光能轉換而成的電能導引，傳輸到用電設備，發揮導電、聚電的重要作用，不斷提高光伏組件的電壓及功率。焊帶在使用時需要進行拉伸以保證其垂直度和平整性，0.7%的拉伸比例下組件隱裂率最低。這是因為在0.5%的拉伸比例下，焊帶的厚度比其他拉伸比例略大，較厚的焊帶在與電池片焊接時產生較大的應力，這種作用力會導致電池片出現壓隱裂。而隨著拉伸比例增加，焊帶變薄，其橫截面積也逐漸減小，焊帶造成隱裂的作用力減弱，光伏組件隱裂率降低[5]。隨著拉伸比例的增加，焊接后互聯條回拉力逐漸加大，并使光伏組件出現隱裂；焊帶鍍錫層厚度變化，融錫后錫瘤堆積，電池片局部點應力集中，導致主柵根部小隱裂瑕疵的產生。數據表明，0.3mm 焊帶較0.32mm 焊帶隱裂比例降低10%。

圖1 更換焊帶規格前后新增隱裂數據對比

3.3 電池切割方式

半片與疊瓦技術是當前光伏組件提升功率的最有效方式之一。半片技術通過將整片電池片分成半小片的方式，提升組串開壓，降低組串電流，從而降低串聯電阻（匯流條、焊接接觸電阻等）的功率損耗，以期達到提升組件功率的效果；同時，電流減半降低工作溫度，特殊串并結構減少遮擋損失。市場流行切割方式有兩種：“有損切割”和“無損切割”。有損切割使用激光開槽后借用機械掰開，熱損傷區域存在鋁背場受熱灼燒后的不均毛刺，掰片同樣使電池掰開邊緣應力受損，經層壓受焊帶折彎壓力造成局部微小隱裂瑕疵的產生。

圖2 不同劃片方式新增隱裂數據對比

3.4 層壓膠板

硅膠板將層壓機的臺面和上蓋分為上下兩個腔室，具有一定的密封性，避免腔體內氣體串流。因為其具有一定的彈性，所以在上下腔室抽完真空后，開始對上腔室充氣，使其變形，對位于下腔室的組件施加壓力。膠板向下給組件施加壓力時，膠膜流動沖擊，造成電池片焊帶主柵根部的小隱裂瑕疵的產生。

3.5 組件膠膜

膠膜在光伏組件中的作用是將光伏玻璃、電池片、背板粘在一起，同時起到保護電池片、隔絕空氣的作用。膠膜影響焊帶與電池片間隙的填充以及膠膜交聯后的扭矩值，直接影響到隱裂的產生。

數據表明，膠膜MH 值越高，經層壓后新增主柵根部小隱裂產生的概率越高。

3.6 層壓機臺充氣速率

所謂的層壓機臺充氣速率是組件在層壓機內，通過膠板將組件內未完全抽盡的氣體擠壓排出。膠板下垂的速度越快，對組件內的電池片的沖量越大，進而導致主柵根部小隱裂的產生。

數據表明，充氣-100KPa 至-60KPa，時間大于40s 時，隱裂比例降低10%。

圖3 不同硫化特性膠膜新增隱裂數據對比

圖4 不同充氣速率新增隱裂數據對比

4 層壓隱裂產生階段驗證

通過不同操作試驗方式進行對比，驗證層壓隱裂產生階段：

1.多腔層壓機，僅完成一腔工藝時間后流出測試，發現存在新增主柵根部小隱裂的情況，證實層壓隱裂為一腔內產生；

2.層壓壓力調整為-85KPa，各段壓力值一致，僅完成一腔工藝時間后流出測試，發現存在新增主柵根部小隱裂的情況，證實層壓隱裂為一腔抽真空/加壓瞬間產生；

抽真空（s）壓一（KPa）壓二（KPa）壓三（KPa）層壓時間（s）300 -85 -85 -85 30

3.測試抽真空階段，膠膜交聯度僅為0.06%～0.24%，膠膜未發生交聯反應；

4.充氣速率越慢，層壓后的小隱裂比例越低，數量越少；

由上述證實：層壓后主柵根部小隱裂的產生為充氣加壓時受力導致。

5 結論

通過驗證對比，主柵根部新增小隱裂的主要改善方向：

1.硅片厚度增加，主流大廠硅片均在進行薄片化生產優化，應在降本的基礎上，保證硅片厚度品質；

2.焊帶涂錫均勻，錫層厚度均勻，焊帶融錫不易堆錫，降低堆錫風險；膠膜最高轉矩值，MH 值的高低影響成品組件新增隱裂的產生。MH 值持續穩定在1.5 ～1.8；

3.層壓機充氣調慢，整體充氣時間120s。

此外，層壓后成品組件小隱裂肉眼不易察覺，受外力影響造成不可逆的損傷。組件隱裂嚴重時，會導致組件功率的損失，但是損失的大小并不一定。裂紋對組件電性能的影響小，而裂片對組件功率損失非常大；老化試驗，即組件在工作或非工作的情況下，溫、濕度變化可能會引起電池片隱裂加劇；組件中沒有隱裂的電池片比有隱裂的電池片抗老化能力強[6]。大部分光伏組件可以滿足市場上慣用的商業質保（即10 年衰減不超過10%，25 年衰減不超過25%），而有一部分是不能滿足的，比如1996 年生產的Siemens 單晶硅組件使用17 年后平均衰減27%。結合國內外數據和文獻調研發現，單晶硅組件衰減高于多晶硅組件；研究數據表明：單晶硅衰減主要是因為電壓的衰減，而多晶硅的衰減主要是因為電流的衰減[7]。改善成品隱裂對組件品質的提升至關重要。在“碳達峰”“碳中和”大環境下，光伏組件品質的好壞對雙指標的達成顯得尤為重要，各光伏企業應提高產出品質，不斷優化制程操作，從根源上避免組件隱裂異常，提升組件整體品質，從根本上提高我國光伏產業品質與整體競爭力。