三角焊带对光伏组件电性能影响的研究

雷鸣宇，郑 璐，马昀锋，马晓龙

(青海黄河上游水电开发有限责任公司光伏产业技术分公司，西宁 810007)

0 引言

近年来，人们对能源的需求日益增加，但传统能源存在供应短缺和对环境污染严重等问题，因此，为了有效保护自然环境和解决能源短缺问题，发展清洁、无污染的可再生能源成为国际及国内新的能源战略部署[1]。其中，光伏发电作为一种高效的可再生能源利用方式，越来越受到人们的青睐，在全球范围内，其装机容量亦日趋扩大[2-3]。当前，降低度电成本是光伏电站业主的重要目标，而提升太阳电池的光电转换效率和光伏组件的输出功率是降低度电成本的主要途径。当太阳电池的光电转换效率一定时，通过优化光伏组件的内部结构可提升其输出功率，具体包括光伏玻璃采用镀膜工艺、改善EVA的透光率、改变焊带的表面结构与尺寸，以及提升光伏背板反射率等技术手段。

焊带是光伏组件中太阳电池电气连接的重要部件，其主要作用是输送太阳电池主栅线收集的电流，并引出电极给负载供电。常规焊带(即“扁焊带”)的表面结构为扁平形，由此种焊带引起的光学损失约占光伏组件总输出功率损失的3%[4]。为降低因焊带表面结构引起的光伏组件输出功率损失，可通过改变焊带的表面结构，增加入射光的二次利用率，提升太阳电池对太阳光的吸收利用率(即吸光率)，以降低光伏组件的封装功率损失，从而在一定程度上提升光伏组件的输出功率。而三角焊带的表面结构为三角形，其能增加太阳电池对太阳光的总吸收量，从理论上增加了电池内的电子-空穴对的数量，进而可提升光伏组件的输出功率。

本文首先介绍了三角焊带增加太阳电池吸光率的理论优势，然后将分别采用2种表面尺寸的三角焊带和扁焊带制备出4种小型光伏组件，最后对这4种小型光伏组件的电性能进行分析，以研究不同类型及不同表面尺寸的焊带对光伏组件输出功率的影响。

1 三角焊带增加太阳电池吸光率的理论优势

光伏组件中的常规焊带一般为扁焊带，其表面结构近似平面，因此垂直入射到焊带上的太阳光几乎全部被反射后经过EVA层和光伏玻璃后再全部原路返回大气中，从而被损失掉；而且扁焊带的宽度较宽，会减小太阳电池的有效受光面积，降低太阳电池的吸光率。

基于此，部分焊带厂家研制出了一种圆形焊带，此种焊带可将垂直入射到焊带上的部分太阳光反射到光伏玻璃上，经过光伏玻璃的再次反射后被太阳电池吸收，在一定程度上增加了太阳电池的吸光率。但经过2次反射后，到达太阳电池的太阳光已经微乎其微，且圆形焊带与太阳电池主栅线焊接处的接触面积较小，可靠性较差。

三角焊带可使所有垂直入射的太阳光和绝大部分的斜射光直接被反射并再次被利用，减少光伏玻璃和EVA层对光线的二次反射。扁焊带、圆形焊带和三角焊带的太阳光线反射路径如图1所示。

图1 扁焊带、圆形焊带和三角焊带的太阳光线反射路径图Fig. 1 Sunlight reflection path diagram of flat，circular and triangular welding ribbon

从图1可以看出，相较于扁焊带和圆形焊带，采用三角焊带时太阳电池对太阳光线的利用率更高，三角焊带可反射几乎所有的垂直入射光和斜射光。扁焊带不能反射所有的垂直入射光和大部分的斜射光，圆形焊带也仅可以反射部分的垂直入射光和少量的斜射光。

此外，与扁焊带和圆形焊带相比，三角焊带还具有以下优势：

1)高可靠性：由于三角焊带与太阳电池主栅线的接触面积大，因此光伏组件的串联电阻小、焊接强度大；

2)高稳定性：三角焊带便于焊接和定位，焊接时不易造成焊带偏移。

2 实验方案设计

由于圆形焊带反射到太阳电池上的太阳光没有三角焊带的多，光伏组件的输出功率增益不明显，因此本文以三角焊带和扁焊带进行研究。

为研究三角焊带和扁焊带对光伏组件输出功率的影响，本实验中，分别采用2种表面尺寸的三角焊带和扁焊带进行正交实验方案设计，制备出4种小型光伏组件。

光伏组件中太阳电池正面和背面分别采用不同类型的焊带焊接：正面都采用夹角均为60°的三角焊带，焊带的表面尺寸分别为0.40、0.55 mm，三角焊带可减少入射光的反射；背面均采用超柔、超薄的扁焊带，焊带长度分别为2.0、1.5 mm，对应的焊带厚度分别为0.10、0.09 mm，扁焊带可将太阳电池之间的缝隙减至0.3 mm左右，并能降低焊接时造成的太阳电池碎片率；太阳电池正面、背面分别采用不同类型焊带焊接的方式可以将每种焊带的优势发挥到极致。本文光伏组件采用的三角焊带和扁焊带的结构及尺寸如图2所示。

图2 三角焊带和扁焊带的表面结构及尺寸Fig. 2 Surface structure and size of triangle welding ribbon and flat welding ribbon

4种小型光伏组件的设计方案：光伏组件中的太阳电池选用功率相同的7主栅PERC单晶硅太阳电池，采用激光划片机将太阳电池切成半片；然后按照上述焊带组合方式制备长、宽均为200 mm的4种小型光伏组件，编号分别为1#～4#。这4种小型光伏组件中焊带的具体搭配方式如表1所示。

表1 4种小型光伏组件中焊带的具体搭配方式Table1 Specific matching methods of welding ribbons in four kinds of small size PV modules

采用三角焊带的小型光伏组件的正面结构示意图如图3所示。

图3 采用三角焊带的小型光伏组件的正面结构示意图Fig. 3 Schematic diagram of front structure of small size PV module with triangle welding ribbon

光伏组件的制备原则：为了避免制备过程中其他因素对光伏组件输出功率带来的影响，4种小型光伏组件均采用相同的制备工艺参数。制备出的4种小型光伏组件的实物图如图4所示。

图4 4种小型光伏组件的实物图Fig. 4 Photos of four kinds of small size PV modules

3 4种小型光伏组件的性能测试与分析

根据IEC 61215∶2016，在标准测试条件(STC)下，采用光伏组件功率测试仪对4种小型光伏组件进行电性能测试，每种光伏组件共测试3次，然后取平均值。最终得到的4种小型光伏组件的电性能数据如表2所示。

表2 4种小型光伏组件的电性能测试结果Table 2 Electrical performance test results of four kinds of small size PV modules

通过表2可以发现，三角焊带表面尺寸为0.55 mm时光伏组件的最大输出功率Pm比三角焊带表面尺寸为0.4 mm时的高，这表明表面尺寸为0.55 mm的三角焊带在光的全反射方面要优于表面尺寸为0.4 mm的三角焊带，其可使更多的太阳光线被光伏组件中的太阳电池吸收。由此可知，在一定范围内增大太阳电池正面的三角焊带的表面尺寸，可以增强其对太阳光线的反射效果，而且焊带的内阻也会减小，最终光伏组件的输出功率会有较大增加。

4 结论

本文通过理论分析了不同表面结构的焊带增加太阳电池吸光率的原理，分别采用2种表面尺寸的夹角均为60°的三角焊带和超柔、超薄的扁焊带制备出4种小型光伏组件，并测试了这些光伏组件的电性能，对比后发现：在一定范围内增大太阳电池正面的三角焊带的表面尺寸，可以增强其对太阳光的反射率，焊带内阻也会减小，光伏组件输出功率的增大较为明显。该结论可为进一步减低光伏电站的度电成本提供一定的实践基础。