低倍聚光太阳电池组件设计

张臻，马骜骐

（1.河海大学机电工程学院，江苏常州213031；

2.天合光能有限公司光伏科学与技术国家重点实验室，江苏常州213031）

低倍聚光太阳电池组件设计

张臻1，马骜骐2

（1.河海大学机电工程学院，江苏常州213031；

2.天合光能有限公司光伏科学与技术国家重点实验室，江苏常州213031）

针对低倍聚光光伏系统的特点，对系统中太阳电池组件的基本结构，如太阳电池的连接方式、旁通二极管的布置、组件散热装置的设置等进行了阐述。对聚光光伏组件主要材料如玻璃、EVA、互连焊带等的选择进行了介绍与分析。

低倍聚光；太阳电池组件；玻璃；互连焊带

聚光光伏系统因具有降低太阳能发电成本的潜力，一直以来受到研究人员的关注。对于几十到数百倍的高倍聚光系统，多采用多结高效电池。而2～10倍的低倍聚光系统在实际使用过程中，具有对太阳跟踪精度、电池散热效果等要求相对较低而系统可靠性高优点，因而具有一定的市场前景[1-3]。本文主要阐述了低倍聚光太阳电池组件的基本设计方法，对电池的连接方式、旁通二极管布置、散热装置设置，以及玻璃、EVA、互连焊带等材料的选择进行了介绍与分析。

1 太阳电池组件结构设计

低倍聚光光伏系统可以采用效率较高的商业化晶体硅太阳电池，电池应具有正面光遮挡损失小、串联电阻低和陷光效果好等特点[4]。

在晶体硅太阳电池中，硅材料体电阻、薄层电阻、电极接触电阻及电极本身的电阻等构成了电池的串联电阻s。串连电阻消耗的功率与流经它的电流的二次方（2）成正比。聚光光伏系统中，辐照在电池组件上的光强是非聚光系统中的很多倍，因此产生的光生电流非常大，因此s对组件效率有很大影响。所以在聚光系统中，应选择串连电阻值尽量小的太阳电池[3]。

考虑到聚光后光强在组件表面分布的不均匀性，组件电池宜采用单串串连连接，以避免串与串之间光强不均引起的功率损耗与热斑效应[4]，如图1所示。为了降低光强不均性对组件的影响，电池两端应并联旁通二极管。与普通硅基二极管比，肖特基二极管的优点是使用中正向压降低、发热小，但反向漏电流相对较大。考虑组件聚光时电流较大，且光强不均情况持续时间长，这里应采用肖特基二极管，并用导热硅胶对二级管散热[5]。

图1 低倍聚光组件中电池连接方式

太阳电池工作温度高会影响其输出功率。一般对于晶体硅电池而言，温度每提高1℃，电池功率输出将减少0.4%～0.5%；另外，温度过高会严重影响EVA等组件封装材料的使用寿命。因此，聚光组件的散热是在组件设计中必须考虑的问题。太阳电池的工作温度可以近似的由以下公式计算得出[4,6]：

式中：cell表示电池温度，℃；ambient表示环境温度，℃；rad是辐照到组件表面的光强，W/m2。当环境温度在25℃左右，太阳辐照较好的情况下，不考虑散热，2倍聚光条件下，电池温度可以达到70～80℃。因此，用于2倍以上聚光的组件应该采用散热装置。组件散热最大的热阻来自组件背板与空气的换热，增加组件换热面积是降低电池温度的较好方式，如图2、图3所示。可以根据聚光比来设计对应的组件结构，组件散热片形状与面积设计不再细述。

图22倍聚光太阳电池组件结构

图33～10倍聚光太阳电池组件结构

2 聚光组件主要材料的选择

2.1 EVA胶膜

聚光光伏系统中，辐照在组件表面的光强度是非聚光组件的很多倍。除了上文提到的组件工作温度范围很大外，高强度的太阳辐射也加速了聚光组件的老化。太阳辐射是由各种波长的单色光组成的复色光，紫外光只占整个辐射能量强度的4%～6%，但它是造成组件老化、尤其是组件中有机材料老化的主要原因。在组件封装材料中，EVA胶膜易受到紫外光的影响而老化。EVA封装胶膜的老化、降解、龟裂，使胶膜变黄，继而会降低它的透光率，从而降低了太阳电池的光电转换效率[7]。因此采用抗紫外光老化作用的EVA胶膜对聚光组件来说非常重要。

国际电工委员会标准IEC 61345:1998和国家标准GB/T 19394-2003都规定了光伏组件紫外老化实验的要求与技术方法。实验适用于光伏组件暴露于紫外辐照环境时，考核其抗紫外辐照能力，也适合于评估诸如聚合物和保护层等材料的抗紫外辐照能力。

为了模拟大气中紫外光和水等条件对EVA胶膜的老化影响，可对EVA胶膜进行加速老化实验。分析紫外老化前后EVA胶膜的力学性能变化、透光率变化、太阳能组件外观及电特性的变化。图4～图6是对美国、国产以及自行研发的几种EVA胶膜的测试分析结果。

从图4可以看出，紫外老化对EVA胶膜的拉伸强度有显著影响。不同EVA胶膜之间的老化性能也存在很大差异。对于太阳电池来说，EVA胶膜最重要的性质莫过于透光率的高低，因为它关系到电池转换效率的高低。图5显示了B-1、B-17、B-22的透光率随着老化时间的推移的变化情况。横向来看，三种试样的透光率都随着老化时间的延长而降低，并且降低的速率不一样。EVA胶膜在紫外老化开始阶段变化比较大，此后变化就逐渐平缓了。对于紫外老化性能较好的EVA样品B-17，在1000h紫外老化后，在380～1100 nm波段的透光率仅有3%～4%的下降，如图6所示。这是由于该样品中紫外吸收剂和稳定剂的合理配比提高了样品的耐紫外老化性能。

图4 紫外老化对EVA胶膜拉伸强度的影响

图5 紫外老化对EVA胶膜透光率的影响

图6 EVA胶膜(样品B-17)1000h老化前后的透光率曲线比较

在紫外老化过程中EVA胶膜会变色，影响其透光率，造成电池转换效率的下降。但外观的检查不能准确地判断EVA的老化程度。通过进一步的电池电性能测试结果得到，由B-17样品组装的太阳电池组件经过1000h紫外老化后，最大输出功率下降了14.5%，明显小于其它样品20%左右的最大功率下降值。

此外，交联条件对紫外老化也有一定的影响。当EVA的交联度大于65%，其性能比较稳定，弹性韧性较好，能承受大气的变化，发生热胀冷缩较小。而当交联度达不到要求时，EVA性能不稳定，热胀冷缩性大，当组件工作温度较高或较低时，EVA的热胀冷缩将使电池片移位，这样就有可能产生电池片碰片短路，互连条从电池片上脱开甚至将电池片拉裂现象。因此为保证组件长期的可靠性，推荐EVA的交联度最好达到80%以上。

在低倍聚光系统中，综合考虑系统的可靠性和经济性，较多采用南北单轴跟踪方式。这样，在早晚情况，组件上会存在光强分布不均匀。随时间的积累，组件部分区域老化较快。中午时候，组件上辐照分布均匀，老化较快的EVA部分，由于透光率较低，电池输出电流相对较小，再次出现电流不均匀情况，造成功率损失。因此，聚光系统中使用的组件，应该更加注重封装用EVA的紫外老化性能。EVA厂商应该合理调配紫外吸收剂与稳定剂等的用量，生产适合聚光组件用的EVA胶膜。

2.2 低铁玻璃的选择

目前，太阳电池组件普遍使用透光率较高的压延低铁钢化玻璃，低铁玻璃与普通平板玻璃相比有更高的透光率，尤其是在波长600～1500 nm段（晶体硅太阳电池对600～1100 nm波段有较好的光谱响应，该波段能量在AM1.5光谱中的能量比例超过20%），如图7所示。对于聚光太阳电池组件，由于上述EVA紫外老化问题以及散热问题考虑，应尽量减少紫外波段与波长大于1100 nm红外波段的透过。

图7 太阳能用低铁玻璃与普通玻璃透光率比较

如图8所示，不同的太阳电池组件用玻璃，在紫外波段有较大的透光率差异。对于聚光系统，相对紫外光对太阳电池电流的贡献，应更加关注紫外老化引起的系统可靠性问题，可以选用图8中样品2的玻璃。

图8 不同太阳能低铁玻璃透光率比较

玻璃厂商目前可以通过添加紫外吸收元素达到减少紫外透过的目的，但是也同时需要平衡添加新材料带来的霉变等问题。对于红外波段的发射，目前尚没有见到可靠性高且不影响其它有效辐照透过的玻璃。一旦开发出较经济的这种高红外反射的玻璃，将大大简化低倍聚光系统中的散热装置。

2.3 焊带的选择

互连焊带的电阻、拉伸性能等对组件封装后的电性能及可靠性有很大影响。选择合理的材料（一般铜基材纯度＞99.95%），还有材料的厚度与宽度对聚光用组件尤为重要。

英国BP公司对野外应用中的组件进行了各种组件失效因素的观察和统计，电池片及内部互连焊带断裂占到了总失效因素的40.7%[8]。聚光组件在使用中，阳光充足时，一般电池温度会比非聚光组件的电池温度高出较多（具体值根据聚光比与实际散热效果而不同）。聚光组件中的电池与互连焊带也因此需要承受更大的昼夜温差产生的内应力。

对比使用不同的互连焊带对200 Wp组件性能的影响，如表1所示。实验中使用的太阳电池正面电极主栅线宽1.8mm。结算及实验结果显示，使用样品1即宽度为2.0mm的焊带，对组件造成了0.5 Wp的阴影遮挡损失。焊带太薄或太窄，如样品3，将加剧对组件输出功率的影响。而使用焊带太厚（如0.15mm）易造成层压过程中电池碎片。对于栅线宽度1.8mm的由切割电池组成的组件，聚光后最大单串工作电流小于8.5A（与普通6寸晶体硅电池最大工作点电流接近），可以考虑采用1.8mm×0.15mm铜基材焊带。对于聚光后工作电流远大于8.5A的电池组件，电池的栅线需要重新设计以满足组件性能的最优化。铜基材纯度选用99.99%，可以减少如图9所示的因焊接中电池弯曲而产生的预应力。

表1 不同互连焊带对组件性能的影响

表1中，互连焊带电阻值（电阻影响为根据实际功率测试结果去除其他影响因素的估算值）为：1=ρ×/=1.8×10－8Ωm×1m/(0.254×10－6m2)=0.07087Ω，2=1.8×10－8Ωm× 1m/(0.27×10－6m2)=0.06667Ω，3=1.8×10－8Ωm×1m/ (0.24×10－6m2)=0.075Ω。遮挡对组件功率影响＝156mm× (2.0－1.8)mm×2/(156mm×156mm)=0.256%，0.256%×200 Wp＝0.5 Wp。

此外，电池片和互连条具有明显不同的膨胀系数(铜的膨胀系数为16.6×10－6m/℃，硅的膨胀系数为2.33×10－6m/℃)[9]，材料应力也明显不同。当电池片面积增大后，由于输出电流增大，互连条的截面积也相应增加，这时应考虑互连条和电池片材料应力的匹配问题。同时，为减小或消除材料应力的影响，可考虑在互连条上增加“消应力环”，比如预先压折在电池与电池连接部分的互连焊带，或焊接时采用点焊接方式。

图9 不同互连焊带对电池弯曲的影响

3 结论

低倍线性聚光系统中，合理的太阳电池组件设计，对整个系统的可靠性、经济性至关重要。聚光组件应采用串联电阻低、陷光效果好和效率高的太阳电池，一般聚光比大于2倍以上应该考虑组件的散热设计。考虑到聚光系统中辐照到组件表面的太阳光强度大，组件应选用合理的玻璃，减少紫外辐照的通过，并选用耐紫外、耐高温的封装材料。组件用的互连焊带等材料应根据系统聚光比、电池电流等设计对比实验，根据实验数据做出合理选择。聚光组件合理的结构设计与材料选择将大大提高系统的效率，减少系统的维护成本。

[1]BUTLER BA,VAN D E E,VORSTER F J,et al.Characterization of a low concentrator photovoltaicsmodule[J].Physica B-Condensed Matter,2012,407(10):1501-1504.

[2]CHEMISANA D,IBANEZ M,BARRAU J.Comparison of Fresnel concentrators for building integrated photovoltaics[J].Energy Conversion and Management,2009,50(4):1079-1084.

[3]COFFEYV C.Solar concentrators using optics to Boost photovoltaics[J].Optics&Photonics News,2011,22(1):22-27.

[4]SAITOH T,YOSHIOKA K.Preparation and properties of photovoltaic static concentrators[J].Renewable Energy,1998,15:566-571.

[5]FRANKLIN E,BLAKERSA,EVERETTV.Sliver solar cells for concentrator PV systems with concentration ratio below 50[J]. Progress in Photovoltaics,2009,17(6):403-418.

[6]田玮,王一平,韩立君,等.聚光光伏系统的技术进展[J].太阳能学报,2005,26(4):597-604.

[7]WANG X,WAITE N,MURCIA P,et al.Lateral spectrum splitting concentrator photovoltaics:directmeasurement of component and submodule efficiency[J].Progress in Photovoltaics,2012,20(2): 149-165.

[8]PERN F J.Luminescence and absorption characterization of ethylene-vinyl acetate encapsulant for PVmodules before and after weathering degradation[J].Polymer Degradation and Stability,1993, 41(2):125-139.

[9]李长岭,江扬宇,周华英,等.晶体硅光伏组件工艺研究[J].上海有色金属,2012,33:135-137.

Design of low-ratio concentrative solarmodules

ZHANG Zhen1,MAAo-qi2

According to the characteristics of low-ratio concentrative photovoltaic systems,the principle structure of solarmodules was elaborated in the aspect of solar cell connecting,by-pass diodes arrangement andinstallation. In addition,the crucial requirements for themainmaterials of concentrativemoudules such as glass,EVA and soldering ribbon were analyzed and introduced.

low concentration;solarmodule;glass;interconnection soldering ribbon

TM 914

A

1002-087 X(2014)10-1965-04

2014-03-10

工信部电子信息产业发展基金；江苏省自然科学基金(BK2011263)；常州市应用基础研究计划(CJ20115013)

张臻(1981—)，男，湖南省人，博士，主要研究方向为光伏组件与系统。