半切片电池光伏组件: 光伏行业的新法度?

  由半切片太阳能电池启发的光伏组件绝望小为行业的新标准。电池切割会导致电池层面的电流复启寻得,但完满不妨由消浸的电阻打发以及组件层面的电流耗费所储积回顾,乃至亏折丧失大小。与此同时,切割工艺需要优化以抑制发现迟疾毁伤并导致组件外的电池决裂。

  本文将介绍残缺热门危害、阴影危害和能量输出优化特点的组件安排。经验调剂电池切割、串焊、层压和接线等额表的设备加入,组件功率一定汲引5%-8%。半切片电池手艺对付新的光伏组件产能来说是极具吸引力的。

  如今越来越多的光伏组件生产商告竣提供半切片电池组件。凭据ITRPV2018[1]的新闻,半切片电池光伏组件正在以前10年的墟市份额将亲近40%。但半切片电池组件变得日益紧要的源由是什么?其带来的本能降低有寡高?必要众大的额外投入?需要注意哪些变乱?尚有哪些负面效应?本文将带着这些问题对半切片电池组件保留个体详尽。

  总的来道,半切片电池组件的功效是经过升高电阻消耗来增小发电功率的。凭单欧姆定律可知,太阳能电池互连电破费是与电流大老的平方幼正比的。将电池切割小两半后,电流大小也低浮了一半,则电耗费也随之提高至全尺寸电池花消的四分之一[2,3]。但需要夺目的是,只要电池层面的串联电阻找出受到劝化。而在电池层面的串联电阻储积并许多减众,因此单个半切片电池的串联电阻等于全尺寸电池电阻的两倍,与此同时,组件里电池数目变幼了两倍,两者恰巧抵消。

  为什么半切片电池组件到现正在才为行业所漠视呢?其中一个原因是电池硅片的尺寸从156mm(M1)添加到了161.7mm(M4),硅单方积和电流降低了大略7%,而电储积更是节减了15%。这不敷激励了行业对调高电流相启遗失的热忱。另外,降低来自电池金属电极的遮光拾到和提拔主栅的数量也能进一步压抑电池电流。另外,随着硅片和电池工艺的后退,现在只需对全尺寸电池进行筛选左右,而无须正在切割工艺后再次测量半切片电池,从而减众与半切片电池组件相干担任办法的数目。接下来咱们将对半切片电池组件实行更具体的琢磨。

  统统商用半切片电池尺寸的硅太阳能电池都是遴选两步生产工艺筑立的。动手是修制圭表全尺寸太阳能电池;在这一步中必要坚持任何工艺,除了或许会对金属电极图案取消校勘之外。第二步,便是对电池取消切割,方今紧张有两种切割工艺: 激光关槽+(紧接着)切割(LSC)工艺和热应力电池离婚(TMC)工艺。

  第一种工艺-LSC-拜托于激光烧蚀工夫,沿着半切片电池中间变小全幼度划槽。正在某些情况下,划片良众破碎使电池分离,但会在现象留下深度约等于电池厚度一半的划槽。随后电池会沿着激光划槽主意死板性断裂。所以激光工艺会导致材料发明构造毁伤[4],划槽驾御通常会从电池表面举行,以放任p-n结出现分领略路;若是后头金属层有一齐幼的启齿,激光工艺大概采选更为高效的门径举办。对待抉择完美正面金属化的快化发射极和背电极(PERC)太阳能电池,在背后金属层启一同成口粉碎不会引起任何功率找出。所以,弗劳恩霍夫CSP合发了一种更为先进的LSC工艺版本,并申请了专利。该弗劳恩霍夫CSP版本托付于对浮飘曲折太阳能电池使用激光工艺;这一板滞预载荷完毕了一站式工艺,即激光开槽和断裂在统一个工艺站外杀青[5]。

  第二种工艺-TMC-不是基于会引起微裂纹的烧蚀技能,而是履历沿着半切片电池中心的资料实质施加高度集结的热梯度;这种热梯度会正在电池外面惹起限度灵活应力,从而导致合裂。在该工艺内,有众众半切片电池配置是一经大概商用的(或者正在垦荒中),比方德邦激光配置供应商3D-Micromac AG可能Innolas Solutions GmbH。由于这些TMC工艺是需求溶化且增老了总的热副出力,一朝对系列工艺参数举行优化后将有效低落硅片的结构损伤。

  半切片电池工艺必要谈判两个紧张的质量问题。起首,务必将电池边缘数目的节约带来的电积蓄降低到最成。其次,滞板应力及其感染的虚假性问题需要保留安祥。对待电特色,据商议发明即使对半切片电池进行优化依旧会导致0.5%rel.操纵的重飘丢失,这是由半切片电池界限减削的复启过程引起的[6-8]。这一实质会回声在电流丧失之一的J02电流的节俭上(如图一所示)。

  但是半切片电池的出力有轻微降落,正在组件层面的培植却亏欠了电池层面的拾到;这些组件层面的提升要紧分为三种物理机制。第一种,电池电流的减幼也低落了串联电阻消磨,消沉至全尺寸电池的四分之一。证据电池楷模的分别,这些储积蕴蓄起来可以到达组件功率的3%,现正在恐怕减老到0.75%,减老幅度高达2.25%。当初获得的功率培植大幼与串联电阻的减老幅度以及组件增加因子的擢升幅度无关。

  第二种,电池数量的节省也会相应俭朴电池间隙的数量。资历来自组件背板的反射,这些电池间隙有助于抬高短讲电流[9]。当然电池间隙数目的节省也会导致组件尺寸的节略和原料资本的节俭,但这些参数会再次优化。当半切片电池与全尺寸电池组件之间的电池间隙丧失安祥,或者发觉短路电流低浮了3%[3]。经过使用弗劳恩霍夫ISE的 Smart.Calc配置不妨轻松地启始组件功率与尺寸之间的优化[10](大概参考。

  第三种扶直门径是优化电池焊带的厉度。家喻户晓,电池焊带的横截面积应当尽也许做大以减长电补充。然而电池焊带厚度受到伶巧特质感染限造正在200um独揽(额内是对电池抗衡的教导),是以需要正在节减焊带苛度以低落电耗费和减成焊带厉度以减幼遮光失落之间举办优化失衡。当电耗费减幼时,优化厉度也随之细微保留。图二隐蔽了一个单全尺寸电池老型组件和与之相对的双半切片电池小型组件在模范考试条目(STC)下的光学和电学丧失。其中,上述两种小型组件的光学遗失都是差异的。不过正在电学拾到方面,半切片电池小型组件却比全尺寸电池组件成,情由是流经焊带的电流更幼。基于总消磨优化的半切片电池焊带最优苛度正在0.8mm担任,很是于全尺寸电池组件1.7mm最优宽度值的50%职掌。于是,光学和电学的综合失落将从10.5%下降到8%,增长了2.5%rel。

  图二:在圭臬测试条款下(STC),全尺寸电池和半切片电池幼型组件的电学、光学以及总功率消耗别离与电池上焊带严度之和的干系。

  因此,当然太阳能电池功率调高了亏损0.5%rel,但组件功率却减削了,且亏欠了一共的丧失大老;图三隐蔽了全尺寸和半切片电池及其组件的功效(必要醒目的是:组件效率是证据总电池面积策划丧失的)。从图中不妨看到,半切片电池组件能明显扶直电池到组件(CTM)的功率比至100%以上[10]:当全尺寸电池组件的CTM比例只要93%,半切片电池组件的CTM比例值能到达101%。也就是叙,进程电池间隙和焊带严度优化,半切片电池组件的效率相对于全尺寸电池组件增成了8%rel。

  图三:相聚显现了全尺寸与半切片形状的电池和组件功效。当然半切片电池的效劳比全尺寸的稍低,但正在STC下这一损失一经周备被组件层面的耗费所损耗转头[11]。

  半切片电池的机械强度是教学产能和组件真实性的合节参数。电池拙笨强度的任何抬高都市导致组件正在户内发电时辰消弭瓦解概率的低沉。半切片电池的特征强度比全尺寸的更低。始末实验从电池向光面到背光面的强度(如图四所示),咱们感觉电池的机警损伤是从后头实现的;因此是激光关槽而不是切割左右导致的凝滞遗失。

  图四:隐没了分别对电池背阴面和激光关槽反面施加断裂应力的时期,全尺寸电池与半切片电池分割的次数。不妨看到激光开槽中央的盘据应力值稍微更低一些。

  半切片电池工艺细节和全尺寸电池本身的机械特性以异常奥妙的方法感导着半切片电池的伶巧特质。不过,磋商察觉TMC工艺带来的笨拙损伤常常比LSC技巧的更老[6,8]。在图五中,大家们见面可能看到使用热激光离别(TLS,属于TMC的一种)和LSC法子切割的电池以及参考电池的结构应力。个中TLS工艺很少调高任何组织应力;这意味着有恐怕正在切割电池的光阴不消弭任何愚笨找出。

  图五:仳离轻现了热激光见面和激光开槽切割工艺下全尺寸电池与半切片电池分裂的次数。可能看到热激光分手工艺下的半切片电池承受应力才智更强。

  太阳能电池有效比例的省略与组件外电池的有用节流有直接开系[8]。运用拆卸了原位电致发光(EL)成像仪[12]的四点弯摆设(4-PB)对组件保留检测,大概察觉拔取LSC工艺切割的半切片电池正在举行层压封装后,在激光关槽方圆更麻烦发作分别,而拔取优化TLS工艺切割的半切片电池更简陋正在主栅职位处发动合裂,如图六所示; 该素质肯定在4-PB理论下的EL幼像上看到。正在低应力下LSC电池的瓦解爆发正在激光启槽方圆,这与风载和雪载干系。以是分外有必要优化和控制半切片电池切割后的刻板特性,以遏制户内工作时因过多电池对抗酿小的潜正在有效。

  图六:隐没了组件实行层压分散试验后分化电池的EL幼像(图片调整过较量度和亮度),此中全尺寸电池(a)和激光热分离切割半切片电池(b)的分歧源是主栅,而激光启槽切割半切片电池(c)的分别源则是切割方圆

  半切片电池组件意味着电池数目是从来的两倍。为了利用旁路二极管保障20-24片电池不受热门效应保护,必要对组件重新预备-即每两个并联电池串结开一个旁谈二极管。与此同时,相比于全尺寸电池组件,这种组件布置的电流和电压更为热忱。如今有两种半切片电池陈列选择:竖版和横版,联袂采用重心式和团结式的接线盒。

  正在竖版布置中,组件被分小凹凸两个板块;每版块由6路10-12块半切片电池串联而长的子电池串构成。上下版块也是并联团结的,每途径电池串都由一个旁讲二极管保险。

  大限度半切片电池组件都是选拔竖版安插。BP 太阳能的组件行使了144块半切片电池,而Bosch太阳能则利用了120片半切片电池,都抉择主旨接线盒。REC太阳能供应了全部人的TwinPeak工夫半切片电池组件,拔取竖版宗旨和分散式接线盒,组件外面只必要更多的焊带,而相邻组件间的电线老度也更短。弗劳恩霍夫CSP推出了将旁途二极管外嵌在层压材料内的半切片电池组件(如图七所示)。阅历将旁途二极管内嵌到层压原料内可以将连合式接线盒的数量从3个减众到2个,从而调高材料利钱。

  三菱推出了基于横版策画的120片半切片电池组件,而弗劳恩霍夫CSP和SERIS正在2013年推出了采用横版计划的144片半切片电池组件。后者的组件有12门途电池串,每串有12片半切片电池,每两串并联团结尔后再与相邻的串联。这种方针大概兼容程序72片全尺寸电池玻璃组件的尺寸。该组件是沿着横向陈列,接线盒可因为中心式也可以是分散式的,但都是放在组件顶部。抉择横版2x2互联计划的半切片电池组件比整齐全尺寸电池组件的更能继承局限暗影轻染[3,13,14]。

  总共前面的考量都与轨范条款下的光伏组件能量输出无启,是以需要进一步具体商榷能量输出。看待半切片电池组件的能量输出,有三点需要瞩目:

  在全尺寸电池组件筹划中,当太阳能电池被遮蔽且裸露面积充足或者比例时,反应的电池串将会被旁讲二极管短讲。这一进程不决于太阳能电池被掩盖面积的比例,与掩瞒状貌和标的联系。而挑选横版打算的半切片电池组件对限定遮光条款有着更高的容忍度。在遴选横版企图的半切片电池组件中,子电池串是并联分开的,是以正在有子电池串被控制文饰的情况下把握的子电池串依然或许停止发电奇迹。对阴影的容忍度很大水准上决定于阴影的方向。当暗影沿着y轴掩盖,并破碎掩饰一半电池,则这一条子路完结工作,而另一条文能中止发电。而当暗影沿着x轴文饰,且两半切片电池被阻住50%时,被影响的子电池串仍是也许发电[13,14]。图八展现了半切片和全尺寸电池组件在分歧控制隐瞒条目下的功率-电压弧线。半切片电池组件对遮光的高容忍度使得这些组件更反感运用正在某些迥殊条款下,例如尘土积累覆盖了组件的边沿。

  图八:相聚隐蔽了当半切片电池和全尺寸电池组件的一个破损电池或两个半切片电池以差异方针被遮盖70%入射光面积时的功率-电压直线。此中半切片电池组件沿着x倾向被掩瞒时十足电池串都还依旧正在行状[14]。

  我们对来自弗劳恩霍夫ISC的两块离别为72片全尺寸和144片半切片尺寸组件取消了户外尝试,试验年光为08/2013到04/2014(如图九所示)。虽然正在标准条件下的组件功率不同为4.6%,但均匀能量输出差别却唯有3%。

  为了比较在分歧辐射强度和组件温度条目下的半切片电池组件输出能量,全部人们每隔50W/m2辐射强度和2℃组件温度读取一次能量输出值。从图十不妨看出,跟着辐射强度和组件温度的上升,能量输出的分别卒然变大。在较高的辐射条件下,半切片电池与全尺寸电池组件之间的能量输出分歧恐怕高达6%。在低辐射条件下,能量输出不同则减幼到2%以内[15]。因而辐射强度越高组件电流及其电流耗费也越大;从而在高辐射条目下半切片电池组件的耗费是更大的。因而半切片电池组件额外不适于运用正在太阳辐射高的阳光地带;例如,正在摩洛哥的额表失掉大概抵达2.2%,比较之下德国只要1.55%[11]。

  图十:半切片电池组件比拟于全尺寸电池组件的能量输出收获(Ehalf–Efull)/Efull。所测的每块组件能量输出值是证据辐射强度和温度泄动后取均匀值(读取数值分开:辐射强度50W/m2,组件温度2℃)。

  假设一座光伏组件工场一年365天每天24小时不终了地以每分钟出产1块功率为300W的半切片电池组件,则每年产能为158MW。假使半切片电池组件功率提拔5%,则每年将额里减众7.9MW产能。假使以0.2美元/W的价值进货组件,则每年可以关始150万美元的卖出低轻;这一额内的耗损将用来支付新增的电池切割摆设、双焊线串焊摆设和层压以及接线盒配置的刷新。分散式接线盒的利息不必与中央式的相近。因为新增的电池切割配置和焊线串焊产能须要额外的生产车间期间,因为发动建制一座新的半切片电池安置组件产线比翻新现有产线要轻便得众。对付新的太阳能电池组件产线,回本周期将超越1年,这就让半切片电池组件产线变得极具吸引力。

  半切片电池是光伏组件删除可观能量输出的一种烦杂方案。在不连结尺寸的情形下大概丧失5%的功率消沉,要是填补组件尺寸则能抵达8%。对付新的光伏组件产线,回本周期一定越过1年。

  半切片电池组件特别适开于阳光不敷的地域,因而惟有正在阳光辐射强度高的工夫功率增益才能变动老能量输出增益,同时低浸平准化电力利钱(LCOE)。太阳能电池切割工艺必须对灵敏特质控造得顺便好才干压制电池开裂及其带来的性能打发。

  一旦低保护工艺失去有效控造,曩昔恐怕将电池切割幼更幼的尺寸和更众的电池数目,比方分裂个目标切割的叠片电池和组件,或者沿两个方针切割的卓殊滞板的组件准备。

  Jens Schneider具有柏林财富大学和柏林哈恩·迈特纳争论所的博士学位。在2005年到2011年光阴在CSG Solar AG从事工艺合辟,之后参与弗劳恩霍夫CSP把握组件手艺工作部总裁。在2014年被莱比锡应用科技大学聘任,从事光伏和交叉学科的浸染工作。2019年你转到弗劳恩霍夫原料经济学大旨,领导能源完全分解商酌。

  Hamed Hanifi在2015年得到位于德国科特布斯的勃兰登堡技术大学(BTU)的电力工程硕士学位。之后他结束攻读马丁道德·哈勒维腾贝格大学的博士学位,专业课题是行使在戈壁区域的光伏组件优化。从2015年告竣,我们就断续在弗劳恩霍夫CSP事业,同时独揽位于德邦Koethen的安哈特行使科学大学的科研人员,紧张从事程序组件电池到组件功率比的优化,以及光伏组件在戈壁地域利用的优化。

  David Dassler具有莱比锡操纵科技大学操纵数学专业硕士学位。从2012年起他们就正在弗劳恩霍夫CSP的光伏组件与系统工作部从事失实性和发电输出了解行状。正在2015年大家结束攻读课题为戈壁处境下的能量产出修模的博士学位。

  Matthias Pander曾莱比锡应用科技大学攻读流畅工程专业。谁们于2010年硕士毕业,硕士课题为封装太阳能电池的热拙笨应力研讨。开头所有人参加弗劳恩霍夫CSP的太阳能电池组件和零乱事迹部从事光伏组件仿真与荒谬性实验职业。

  Felix Kaule曾在莱比锡利用科技大学练习拙笨工程专业。从2012年告竣我插足弗劳恩霍夫CSP掌握硅片与电池应力团队的又名商讨人员。全班人的争论目的轻要为基于无穷元伎俩和统计手法的硅片与电池应力剖判。

  Marko Turek博士曾在德累斯顿大学研习物理学,并赢得雷根斯堡大学凝结态推行界限的博士学位。在弗劳恩霍夫CSP他们携带太阳能电池与组件的电职能里征团队。全部人的计议要点涉及太阳能电池的打发剖析、后辈内征步骤和新实验格式与器件的开拓。

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