編者按：半切片電池引起市場興趣，原因在于電池硅片的尺寸從156mm(M1)擴大到了161.7mm(M4)，硅片面積和電流提高了大約7%，而電損耗更是增加了15%。這充分激發(fā)了行業(yè)對降低電流相關損失的熱情。另外，降低來自電池金屬電極的遮光損失和提升主柵的數(shù)量也能進一步提升電池電流。另外，隨著硅片和電池工藝的進步，如今只需對全尺寸電池進行篩選操作，而不用在切割工藝后再次測量半切片電池，從而減少與半切片電池組件相關操作步驟的數(shù)量。由半切片太陽能電池制造的光伏組件有望成為行業(yè)的新標準。
摘要
由半切片太陽能電池制造的光伏組件有望成為行業(yè)的新標準。電池切割會導致電池層面的電流復合損失，但完全可以由降低的電阻損耗以及組件層面的電流收益所補償回來，甚至超過損失大小。與此同時，切割工藝需要優(yōu)化以避免出現(xiàn)機械損傷并導致組件內(nèi)的電池碎裂。
本文將介紹具備熱點保護、陰影保護和能量輸出優(yōu)化特性的組件設計。通過調(diào)整電池切割、串焊、層壓和接線等額外的設備投入，組件功率可以提升5%-8%。半切片電池技術對于新的光伏組件產(chǎn)能來說是極具吸引力的。
動機
如今越來越多的光伏組件生產(chǎn)商開始提供半切片電池組件。根據(jù)ITRPV2018[1]的信息，半切片電池光伏組件在未來10年的市場份額將接近40%。但半切片電池組件變得日益重要的原因是什么？其帶來的性能增長有多高？需要多大的額外投入？需要注意哪些事項？又有哪些負面效應？本文將帶著這些問題對半切片電池組件進行整體概述。
總的來說，半切片電池組件的作用是通過降低電阻損耗來提高發(fā)電功率的。根據(jù)歐姆定律可知，太陽能電池互連電損耗是與電流大小的平方成正比的。將電池切割成兩半后，電流大小也降低了一半，則電損耗也隨之降低至全尺寸電池損耗的四分之一[2,3]。但需要注意的是，只有電池層面的串聯(lián)電阻損失受到影響。而在電池層面的串聯(lián)電阻損耗并沒有減少，因為單個半切片電池的串聯(lián)電阻等于全尺寸電池電阻的兩倍，與此同時，組件內(nèi)電池數(shù)量變成了兩倍，兩者剛好抵消。
為什么半切片電池組件到現(xiàn)在才為行業(yè)所關注呢？其中一個原因是電池硅片的尺寸從156mm(M1)擴大到了161.7mm(M4)，硅片面積和電流提高了大約7%，而電損耗更是增加了15%。這充分激發(fā)了行業(yè)對降低電流相關損失的熱情。另外，降低來自電池金屬電極的遮光損失和提升主柵的數(shù)量也能進一步提升電池電流。另外，隨著硅片和電池工藝的進步，如今只需對全尺寸電池進行篩選操作，而不用在切割工藝后再次測量半切片電池，從而減少與半切片電池組件相關操作步驟的數(shù)量。接下來我們將對半切片電池組件進行更詳細的探討。
電池切割技術
所有商用半切片電池尺寸的硅太陽能電池都是采用兩步生產(chǎn)工藝制造的。首先是制造標準全尺寸太陽能電池；在這一步中無需改變?nèi)魏喂に?，除了可能會對金屬電極圖案進行修改之外。第二步，就是對電池進行切割，目前主要有兩種切割工藝: 激光開槽+(緊接著)切割(LSC)工藝和熱應力電池分離(TMC)工藝。
第一種工藝-LSC-依賴于激光燒蝕技術，沿著半切片電池邊緣形成全長度劃槽。在某些情況下，劃片沒有完全使電池分離，但會在表面留下深度約等于電池厚度一半的劃槽。隨后電池會沿著激光劃槽方向機械性斷裂。由于激光工藝會導致材料出現(xiàn)結構損傷[4]，劃槽操作通常會從電池背面進行，以避免p-n結出現(xiàn)分流通路；如果背面金屬層有一道小的開口，激光工藝可以采用更為高效的方式進行。對于采用完整背面金屬化的鈍化發(fā)射極和背電極(PERC)太陽能電池，在背面金屬層開一道小口完全不會引起任何功率損失。因此，弗勞恩霍夫CSP開發(fā)了一種更為先進的LSC工藝版本，并申請了專利。該弗勞恩霍夫CSP版本依賴于對輕微彎曲太陽能電池應用激光工藝；這一機械預載荷實現(xiàn)了一站式工藝，即激光開槽和斷裂在同一個工藝站內(nèi)完成[5]。
第二種工藝-TMC-不是基于會引起微裂紋的燒蝕技術，而是通過沿著半切片電池邊緣的材料表面施加高度集中的熱梯度；這種熱梯度會在電池內(nèi)部引起局部機械應力，從而導致開裂。在該工藝里，有一些半切片電池設備是已經(jīng)可以商用的(或者在開發(fā)中)，例如德國激光設備供應商3D-Micromac AG或者Innolas Solutions GmbH。由于這些TMC工藝是無需消融且降低了總的熱副作用，一旦對系列工藝參數(shù)進行優(yōu)化后將有效降低硅片的結構損傷。
電學特性
半切片電池工藝需要考慮兩個主要的質(zhì)量問題。首先，必須將電池邊緣數(shù)量的增加帶來的電損耗降低到最小。其次，機械應力及其影響的可靠性問題需要保持不變。關于電特性，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)即使對半切片電池進行優(yōu)化依然會導致0.5%rel.左右的輕微損失，這是由半切片電池邊緣增加的復合過程引起的[6-8]。這一現(xiàn)象會反應在電流損失之一的J02電流的增加上(如圖一所示)。
雖然半切片電池的效率有輕微下降，在組件層面的提升卻超過了電池層面的損失；這些組件層面的提升主要分為三種物理機制。第一種，電池電流的減小也降低了串聯(lián)電阻損耗，降低至全尺寸電池的四分之一。根據(jù)電池類型的不同，這些損耗累積起來可以達到組件功率的3%，現(xiàn)在可以減小到0.75%，減小幅度高達2.25%。最終得到的功率提升大小與串聯(lián)電阻的減小幅度以及組件填充因子的提升幅度有關。
第二種，電池數(shù)量的增加也會相應增加電池間隙的數(shù)量。通過來自組件背板的反射，這些電池間隙有助于提高短路電流[9]。雖然電池間隙數(shù)量的增加也會導致組件尺寸的增加和材料成本的增加，但這些參數(shù)會再次優(yōu)化。當半切片電池與全尺寸電池組件之間的電池間隙保持不變，可以發(fā)現(xiàn)短路電流提高了3%[3]。通過使用弗勞恩霍夫ISE的 Smart.Calc設備可以輕易地完成組件功率與尺寸之間的優(yōu)化[10](或者參考www.cell-to-module.com)。
第三種提升方法是優(yōu)化電池焊帶的寬度。眾所周知，電池焊帶的橫截面積應該盡可能做大以減小電損耗。然而電池焊帶厚度受到機械特性影響限制在200um左右(尤其是對電池碎裂的影響)，因此需要在增加焊帶寬度以降低電損耗和減小焊帶寬度以減小遮光損失之間進行優(yōu)化平衡。當電損耗減小時，優(yōu)化寬度也隨之顯著改變。圖二展示了一個單全尺寸電池小型組件和與之相對的雙半切片電池小型組件在標準測試條件(STC)下的光學和電學損失。其中，上述兩種小型組件的光學損失都是相同的。然而在電學損失方面，半切片電池小型組件卻比全尺寸電池組件小，原因是流經(jīng)焊帶的電流更小?；诳倱p耗優(yōu)化的半切片電池焊帶最優(yōu)寬度在0.8mm左右，相當于全尺寸電池組件1.7mm最優(yōu)寬度值的50%左右。因此，光學和電學的綜合損失將從10.5%降低到8%，降低了2.5%rel。(如圖二)
因此，雖然太陽能電池功率降低了超過0.5%rel，但組件功率卻增加了，且超過了所有的損失大?。粓D三展示了全尺寸和半切片電池及其組件的效率(需要注意的是：組件效率是根據(jù)總電池面積計算得到的)。從圖中可以看到，半切片電池組件能顯著提升電池到組件(CTM)的功率比至100%以上[10]：當全尺寸電池組件的CTM比例只有93%，半切片電池組件的CTM比例值能達到101%。也就是說，經(jīng)過電池間隙和焊帶寬度優(yōu)化，半切片電池組件的效率相對于全尺寸電池組件提高了8%rel。（見圖三）
機械特性
半切片電池的機械強度是影響產(chǎn)能和組件可靠性的關鍵參數(shù)。電池機械強度的任何降低都會導致組件在戶外發(fā)電期間發(fā)生碎裂概率的提高。半切片電池的特性強度比全尺寸的更低。通過測試從電池向光面到背光面的強度(如圖四所示)，我們發(fā)現(xiàn)電池的機械損傷是從背面開始的；因此是激光開槽而不是切割操作導致的機械損失。（見圖四）
半切片電池工藝細節(jié)和全尺寸電池本身的機械特性以非常微妙的方式影響著半切片電池的機械特性。不過，研究發(fā)現(xiàn)TMC工藝帶來的機械損傷通常比LSC方法的更小[6,8]。在圖五中，我們分別可以看到使用熱激光分離(TLS,屬于TMC的一種)和LSC方法切割的電池以及參考電池的結構應力。其中TLS工藝沒有降低任何結構應力；這意味著有可能在切割電池的時候不發(fā)生任何機械損失。
太陽能電池失效比例的增加與組件內(nèi)電池的失效增加有直接關系[8]。使用安裝了原位電致發(fā)光(EL)成像儀[12]的四點彎設備(4-PB)對組件進行檢測，可以發(fā)現(xiàn)采用LSC工藝切割的半切片電池在進行層壓封裝后，在激光開槽邊緣更容易發(fā)生碎裂，而采用優(yōu)化TLS工藝切割的半切片電池更容易在主柵位置處發(fā)生開裂，如圖六所示; 該現(xiàn)象可以在4-PB試驗下的EL成像上看到。在低應力下LSC電池的碎裂發(fā)生在激光開槽邊緣，這與風載和雪載相關。因此非常有必要優(yōu)化和控制半切片電池切割后的機械特性，以避免戶外工作時因過多電池碎裂造成的潛在失效。
組件再設計
半切片電池組件意味著電池數(shù)量是原來的兩倍。為了利用旁路二極管保護20-24片電池不受熱點效應損傷，需要對組件重新設計-即每兩個并聯(lián)電池串連接一個旁路二極管。與此同時，相比于全尺寸電池組件，這種組件設計的電流和電壓更為接近。目前有兩種半切片電池排列選擇：豎版和橫版，分別采用中央式和分散式的接線盒。
豎版設計
在豎版設計中，組件被分成上下兩個板塊;每版塊由6路10-12塊半切片電池串聯(lián)而成的子電池串組成。上下版塊也是并聯(lián)連接的，每路子電池串都由一個旁路二極管保護。
大部分半切片電池組件都是采用豎版設計。BP 太陽能的組件使用了144塊半切片電池，而Bosch太陽能則使用了120片半切片電池，都采用中央接線盒。REC太陽能提供了他們的'TwinPeak技術'半切片電池組件，采用豎版設計和分散式接線盒，組件內(nèi)部只需要更少的焊帶，而相鄰組件間的電線長度也更短。弗勞恩霍夫CSP推出了將旁路二極管內(nèi)嵌在層壓材料內(nèi)的半切片電池組件(如圖七所示)。通過將旁路二極管內(nèi)嵌到層壓材料內(nèi)可以將分散式接線盒的數(shù)量從3個減少到2個，從而降低材料成本。
橫版設計
三菱推出了基于橫版設計的120片半切片電池組件，而弗勞恩霍夫CSP和SERIS在2013年推出了采用橫版設計的144片半切片電池組件。后者的組件有12路子電池串，每串有12片半切片電池，每兩串并聯(lián)連接然后再與相鄰的串聯(lián)。這種設計可以兼容標準72片全尺寸電池玻璃組件的尺寸。該組件是沿著橫向排列，接線盒可以是中央式也可以是分散式的，但都是放在組件頂部。采用橫版2x2互聯(lián)設計的半切片電池組件比同等全尺寸電池組件的更能承受部分陰影影響[3,13,14]。
能量輸出
所有前面的考量都與標準條件下的光伏組件能量輸出有關，所以需要進一步詳細討論能量輸出。關于半切片電池組件的能量輸出，有三點需要注意:
1. 半切片電池組件受陰影影響更小;
2. 半切片電池組件的收益非常依賴于高絕緣；
3. 半切片電池組件的損耗更低，導致工作溫度也稍微更低。
在全尺寸電池組件設計中，當太陽能電池被遮擋且遮擋面積超過一定比例時，相應的電池串將會被旁路二極管短路。這一過程決定于太陽能電池被遮擋面積的比例，與遮擋形狀和方向無關。而采用橫版設計的半切片電池組件對部分遮光條件有著更高的容忍度。在采用橫版設計的半切片電池組件中，子電池串是并聯(lián)連接的，因此在有子電池串被部分遮擋的情況下旁邊的子電池串仍然能夠持續(xù)發(fā)電工作。對陰影的容忍度很大程度上決定于陰影的方向。當陰影沿著y軸遮擋，并完全遮擋一半電池，則這一條子路停止工作，而另一條則能繼續(xù)發(fā)電。而當陰影沿著x軸遮擋，且兩半切片電池被遮住50%時，被影響的子電池串仍然能夠發(fā)電[13,14]。圖八顯示了半切片和全尺寸電池組件在不同部分遮擋條件下的功率-電壓曲線。半切片電池組件對遮光的高容忍度使得這些組件更適合應用在某些特殊條件下，例如灰塵累積遮擋了組件的角落。
我們對來自弗勞恩霍夫ISC的兩塊分別為72片全尺寸和144片半切片尺寸組件進行了戶外測試，測試時間為08/2013到04/2014(如圖九所示)。雖然在標準條件下的組件功率差異為4.6%，但平均能量輸出差異卻只有3%。
為了對比在不同輻射強度和組件溫度條件下的半切片電池組件輸出能量，我們每隔50W/m2輻射強度和2℃組件溫度讀取一次能量輸出值。從圖十可以看出，隨著輻射強度和組件溫度的上升，能量輸出的差異逐漸變大。在較高的輻射條件下，半切片電池與全尺寸電池組件之間的能量輸出差異可以高達6%。在低輻射條件下，能量輸出差異則減小到2%以內(nèi)[15]。因為輻射強度越高組件電流及其電流損耗也越大；從而在高輻射條件下半切片電池組件的收益是更大的。所以半切片電池組件非常適合于應用在太陽輻射高的陽光地帶；例如，在摩洛哥的額外收益可以達到2.2%，相比之下德國只有1.55%[11]。
投資分析
假設一座光伏組件工廠一年365天每天24小時不間斷地以每分鐘生產(chǎn)1塊功率為300W的半切片電池組件，則每年產(chǎn)能為158MW。如果半切片電池組件功率提升5%，則每年將額外增加7.9MW產(chǎn)能。如果以0.2美元/W的價格銷售組件，則每年可以實現(xiàn)150萬美元的銷售增長；這一額外的收益將用來支付新增的電池切割設備、雙焊線串焊設備和層壓以及接線盒設備的修改。分散式接線盒的成本必須與中央式的相近。由于新增的電池切割設備和焊線串焊產(chǎn)能需要額外的生產(chǎn)車間空間，所以計劃建造一座新的半切片電池設計組件產(chǎn)線比翻新現(xiàn)有產(chǎn)線要容易得多。對于新的太陽能電池組件產(chǎn)線，回本周期將少于1年，這就讓半切片電池組件產(chǎn)線變得極具吸引力。
總結
半切片電池是光伏組件增加可觀能量輸出的一種簡單方案。在不改變尺寸的情況下可以獲得5%的功率增長，如果擴大組件尺寸則能達到8%。對于新的光伏組件產(chǎn)線，回本周期可以低于1年。
半切片電池組件非常適合于陽光充足的地區(qū)，因為只有在陽光輻射強度高的時候功率增益才能轉化成能量輸出增益，同時降低平準化電力成本(LCOE)。太陽能電池切割工藝必須對機械特性控制得特別好才能避免電池開裂及其帶來的性能損耗。
一旦低損傷工藝得到有效控制，未來可以將電池切割成更小的尺寸和更多的電池數(shù)目，例如同一個方向切割的疊片電池和組件，或者沿兩個方向切割的更加靈活的組件設計。
半切片電池組件帶來的好處很多，有潛力在未來一段時間-至少在新的組件技術成熟之前成為新的標準技術。
作者簡介
Jens Schneider擁有柏林工業(yè)大學和柏林哈恩·邁特納研究所的博士學位。在2005年到2011年期間在CSG Solar AG從事工藝開發(fā)，之后加入弗勞恩霍夫CSP擔任組件技術事業(yè)部總裁。在2014年被萊比錫應用科技大學聘用，從事光伏和交叉學科的教學工作。2019年他轉到弗勞恩霍夫材料經(jīng)濟學中心，領導能源系統(tǒng)分析研究。
Hamed Hanifi在2015年取得位于德國科特布斯的勃蘭登堡技術大學(BTU)的電力工程碩士學位。之后他開始攻讀馬丁路德·哈勒維騰貝格大學的博士學位，專業(yè)課題是應用在沙漠地區(qū)的光伏組件優(yōu)化。從2015年開始，他就一直在弗勞恩霍夫CSP工作，同時擔任位于德國Koethen的安哈特應用科學大學的科研人員，主要從事標準組件電池到組件功率比的優(yōu)化，以及光伏組件在沙漠地區(qū)應用的優(yōu)化。
David Dassler擁有萊比錫應用科技大學應用數(shù)學專業(yè)碩士學位。從2012年起他就在弗勞恩霍夫CSP的光伏組件與系統(tǒng)事業(yè)部從事可靠性和發(fā)電輸出分析工作。在2015年他開始攻讀課題為沙漠環(huán)境下的能量產(chǎn)出建模的博士學位。
Matthias Pander曾萊比錫應用科技大學攻讀機械工程專業(yè)。他于2010年碩士畢業(yè)，碩士課題為封裝太陽能電池的熱機械應力研究。后來他加入弗勞恩霍夫CSP的太陽能電池組件和系統(tǒng)事業(yè)部從事光伏組件仿真與可靠性測試工作。
Felix Kaule曾在萊比錫應用科技大學學習機械工程專業(yè)。從2012年開始他加入弗勞恩霍夫CSP擔任硅片與電池應力團隊的一名研究人員。他的研究方向主要為基于有限元方法和統(tǒng)計方法的硅片與電池應力分析。
Marko Turek博士曾在德累斯頓大學學習物理學，并獲得雷根斯堡大學凝聚態(tài)理論領域的博士學位。在弗勞恩霍夫CSP他帶領太陽能電池與組件的電性能表征團隊。他的研究重點涉及太陽能電池的損耗分析、先進表征方法和新測試方法與器件的開發(fā)。
原標題：半切片電池光伏組件: 光伏行業(yè)的新標準？
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