异构焊带在光伏组件中的应用

■ 孙建洋 徐跃进 陈喜平 * 黄纬 李俊斐 何胜 张驰

（1．浙江正泰太阳能科技有限公司；2．海宁正泰新能源科技有限公司）

0 引言

提升光伏组件功率可有效降低光伏发电成本，常见的提升功率手段有电学提升功率和光学提升功率两种。其中，光学提升功率主要是通过优化光伏组件的内部光路结构，从而提升光伏组件功率。通常情况下，玻璃减反射膜层、异构焊带、EVA透光率调控、电池片制绒与减反、电池光谱响应，以及背板增反处理都是光伏组件各部分常用的光学优化手段。

焊带作为光伏组件主要的电气连接部件，通过焊接在电池片主栅上来收集电池片的电流。常用的焊带表面为近似平面结构，其造成的光损失约占光伏组件功率整体的3%[1]，因此，优化焊带表面结构，减小遮光损失，具有非常重要的意义。焊带部分的光路优化主要有以下两个方向：1)反光膜材料：通过将锯齿状、弧形或V型结构反光膜材料粘贴在焊带表面，改变光线入射角度，增加光伏组件功率；2)异构焊带[2]：通过重新设计和处理焊带表面的结构，并减少反光面的锡层厚度来实现光线入射角度的改变，从而实现光路优化的效果。

本文主要研究了不同表面结构的异构焊带对光伏组件功率提升的影响，结合理论分析和实验验证，获得合适的异构焊带光伏组件的安装方式，从而提升光伏组件的发电性能。

1 异构焊带优化光伏组件内部光路的原理

1.1 异构焊带提升光伏组件功率的原理

光伏组件主要由玻璃、EVA、太阳电池、焊带、EVA、背板封装而成，其中，太阳电池和焊带被EVA包裹。由于常规焊带表面近似平面，因此垂直或小角度入射到焊带上的光，大多会被焊带反射后穿过EVA和玻璃进入空气中损失掉，降低了光的利用率，从而降低了光伏组件功率。光线的传输路径如图1所示。

图1 光路简化图

光线由光密介质进入光疏介质时，当入射角增大到某临界角时，会产生全反射现象。对于光伏组件而言，EVA、玻璃的折射率n1、n2相近(分别为1.5、1.48，假设二者相等)，远高于空气的折射率n3(n3=1)。因此，如图1所示，β为入射光经焊带反射后在EVA和玻璃界面处的入射角，βTIR为反射光在EVA和玻璃界面处的临界角，若经焊带反射后的光能以大于等于βTIR的角度进入EVA和玻璃界面，其在界面处就会被反射回电池上，实现光线的二次利用，从而提升光伏组件功率。

其中，βTIR应满足式(1)：

1.2 异构焊带设计原理

因自然界中光线入射情况比较复杂，故将光路简化为标准测试条件下的光伏组件受光情况。按照IEC 61215测试标准，模拟器发出的光垂直入射到焊带表面，通过改变焊带表面结构来改变焊带表面光线的反射路径，如图2所示。

图2 异构焊带反射光路图

计算公式为：

其中，α为异构焊带与电池表面的夹角；C为入射光线经异构焊带反射后反射光的出射角；D 为异构焊带的结构角。β应满足 41.6°≤β＜ 90°，反射光线才能在EVA/玻璃界面实现全反射。因此，焊带表面的异构形态需要满足90°≤D≤138.4°。

2 理论研究与实验分析

目前市面上的异构焊带结构不尽相同，为了研究异构焊带表面结构对光伏组件提升功率的影响，本文选用以下3种结构的异构焊带进行理论模拟，并选用1个常规焊带作为对比样。几种焊带结构及参数如表1所示，外观如图3所示。

表1 不同表面结构的焊带参数

图3 常规焊带及异构焊带外观图

从图3可以看出，常规焊带①的表面光滑、平缓、有光泽，当光线垂直入射时，其反射光线基本经过EVA和玻璃重新反射回空气中。异构焊带②、③、④的纹路方向、压花循环宽度、压花深度各有不同(具体见表1数据)，当光线垂直入射至异构焊带表面时，通过表面的纹路以一定角度反射至EVA和玻璃界面；当满足全反射条件后，光线重新进入电池中，从而实现光线的二次利用。

2.1 焊带提升光伏组件功率的理论分析

利用理论模拟的方式，我们对采用以上4种焊带制备的光伏组件进行了分析。表2给出了采用以上4种焊带制备光伏组件后其内部的光路优化引起的电流提升。

表2 4种焊带的理论电流提升

从表2可以看出，异构焊带为完美斜面时，相较于常规焊带①，采用异构焊带②、③、④制备的光伏组件电流提升分别为0.98%、1.29%和2.84%。然而在实际生产过程中，异构焊带的斜面并不完美。我们采用近似圆弧面代替三角面进行模拟，可以看出，在斜面非完美时，光伏组件电流提升率下降，分别为0.62%、1.16%和2.27%。

2.2 异构焊带光伏组件的制备

为了和理论对比，避免其他因素对光伏组件功率造成影响，在保证电池和封装材料一致的基础上，分别利用上述4种焊带制备多晶硅光伏组件①～组件④，每种类型的光伏组件各10块。

对光伏组件①～组件④进行功率测试，结果如图4所示，光伏组件功率从大到小依次为④、③、②、①。结合表1可知，这4种光伏组件采用焊带结构的焊带线电阻率的大小满足：④等于②，且大于③和①。由此可以判定，异构焊带光伏组件的功率增益主要来源于焊带表面结构变化引起的光路优化。同时，光伏组件④和组件②的焊带线电阻率相同，但功率提升④大于②，说明竖纹结构的光路优化效果比斜纹结构更加有效；对于焊带纹路方向相同的光伏组件③和组件④，焊带线电阻率④大于③，而功率提升同样是④大于③，这说明密竖纹焊带的光路优化效果更好。

图4 常规及异构焊带光伏组件功率图

图5 常规及异构焊带光伏组件功率提升图

对图4的实验结果和表2的理论数值进行对比分析，结果如图5所示。分析结果表明，异构焊带光伏组件②、③、④的实验功率较常规焊带光伏组件①分别高了0.5%、1.18%、2%； 该值远低于完美斜面下的理论值，但接近非理想斜面下的理论值。这一结果说明，异构焊带的斜面本身是不完美的，并在焊接过程中加剧了这种不完美。

2.3 异构焊带光伏组件的户外发电量

因之前的理论分析及功率测试都是在光线垂直入射于光伏组件的条件下进行的，而在户外的实际使用环境中，不同角度的入射光线在异构焊带表面反射时的光路结构比较复杂，较难进行计算分析。因此，在户外安装常规焊带光伏组件①、斜纹异构焊带光伏组件②和密竖纹异构焊带光伏组件④各6块，监控光伏组件的发电量。对比不同时间段，即入射光线不同角度时，异构焊带光伏组件功率与常规焊带光伏组件功率的差异。

持续监控24天后，不同安装方式下异构焊带光伏组件的发电量数据如图6所示。相较于常规焊带光伏组件，密竖纹异构焊带光伏组件④在横装、竖装时发电量分别提升了1.60%、1.39%；斜纹异构焊带光伏组件②在横装、竖装时发电量分别提升了0.70%、0.69%。明显可以看出，安装方式对斜纹异构焊带光伏组件发电量的影响不大，而对竖纹异构焊带光伏组件的影响明显。

图6 不同安装方式下异构焊带光伏组件的户外发电量

在安装方式相同的情况下，横装、竖装时密竖纹异构焊带光伏组件④比斜纹异构焊带光伏组件②的发电量分别高0.9%、0.7%，均低于标准条件下的提升值(1%)。为了研究这一现象，在进行监控的24天采集时间内，我们对以上两种光伏组件同一日的发电量进行了统计分析，如图7所示。

图7 不同光伏组件单日发电量提升监控图

从图7可以看出，两种安装方式下，斜纹异构焊带光伏组件②一天各时间段内的发电量提升曲线基本相同。而竖纹异构焊带光伏组件④则相差较大，其竖装时，一天内发电量都比较平稳；横装时，在9:00以前、14:00以后，发电量明显偏低，但在阳光近似直射(辐照度高)的中午时间段，较常规焊带光伏组件约有2.5%的功率提升(功率=发电量/发电时间)，发电量增益明显。

3 异构焊带光伏组件的可靠性研究

焊带结构的改变可能会影响到焊接拉力，从而影响光伏组件的长期可靠性。因此，本文对以上3种异构焊带焊接的太阳电池进行了拉力测试，并和常规焊带焊接的太阳电池进行了对比。如图8所示，4种焊带结构与太阳电池正面的焊接拉力结果基本一致，且均合格。

图8 不同结构焊带与太阳电池正面的焊接拉力图

然而，不同焊带结构与太阳电池背面的焊接拉力出现了较大差异。如图9所示，斜纹异构焊带②与太阳电池背面的焊接拉力较其他组合低了近5 N/mm。造成这一情况的主要原因是，不同于异构焊带③、④，异构焊带②的反光面无间断性的涂锡工艺，导致其与背电极接触的焊接面镀锡层较薄(锡层厚度只有约9 µm)，无法使焊带与太阳电池背电极之间形成结构稳定的合金层，从而导致背面焊接拉力偏低。

图9 不同结构焊带与太阳电池背面的焊接拉力图

热循环实验最能体现焊接方面的可靠性，为满足光伏组件在户外的长期使用，我们对以上4种焊带结构的光伏组件进行了热循环实验，具体结果如图10所示。

图10 TC 200实验前后光伏组件功率衰减图

从图10可以看出，热循环实验后，4种焊带结构的光伏组件功率衰减从大到小依次为②、④、①、③。其中，斜纹异构焊带光伏组件②的功率衰减大于5%，超出IEC 61215的要求，这和其背面焊接拉力偏低相对应；其他3种焊带结构的光伏组件功率衰减相差不大，均小于2.5%，满足IEC 61215的实验要求。

图11为3种异构焊带光伏组件经TC 200实验后的EL图像。从图中可以看出，斜纹异构焊带光伏组件②实验后的EL图像出现明显的明暗片现象，说明在实验过程中，其焊带和电池之间的结合出现了异常。结合光伏组件②制作过程中焊接拉力的异常现象，可以判定是由于斜纹异构焊带②的锡层较薄，导致TC 200实验后光伏组件失效。竖纹异构焊带③、④则均满足使用要求。

图11 异构焊带光伏组件经TC 200实验后的EL图

4 结语

本文分别从光伏组件的光路分析、生产应用、功率、户外发电量监控4个方面分析了异构焊带提升光伏组件功率的原理及对光伏 组件可靠性的影响。结果表明，竖纹异构焊带对光伏组件功率的提升优于斜纹异构焊带。同时，在户外实际发电时，斜纹异构焊带光伏组件不受安装方式的影响，竖纹异构焊带光伏组件横装时的发电性能优于竖装。对于密竖纹异构焊带光伏组件，在标准情况下功率可提升2%；在户外横向安装时发电量可提升1.6%。目前，在光伏组件的应用中，异构焊带在成本和可靠性方面都已经具备产业化的条件。