晶硅光伏电池正面电极：从多主栅到无主栅
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太阳能电池的正面设计交织着太多的优化、约束和妥协，这里也因此成了厂家专利申请和设备制造商新技术研发的必争之地。传统晶硅电池正面采用银质的细栅和主栅将电池产生的电能收集并传到出去。为什么最近几年陆续有厂家尝试将主栅数量从2根提到到3、4甚至是5根?究竟主栅的数量在多少合适?为什么Schmid，Meyer Burger和GT Advanced Technology都提出了自己的无主栅正面金属化方案? 近几年来，太阳能电池主栅的数量成为人们口中的热门话题。电池厂商从提高效率的角度将主栅从2根提高到3跟甚至5根，而设备制造商从降低成本的角度出发也打起了主栅数量的主意，将原本焊接在银主栅上的焊带替换为铜电极并一口气将数量提升到十几条甚至几十条。为做区分，本文将这两种提高主栅数量的技术路线分别称为多主栅和无主栅技术，两个技术殊途同归，拥有高性能和低成本两方面优势，本文将向你介绍这一技术发展的前世今生。 电极的设计 太阳光从电池正面进入电池，正面的金属电极会遮挡一部分硅片，这部分照在电极上的光能也就无法转变成电能，从这个角度看，我们希望栅线做的越细越好。而栅线的责任在于传导电流，从电阻率的角度分析，栅线越细则导电横截面积越小，电阻损失越大。因此主栅和副栅设计的核心是在遮光和导电之间取得平衡。 此外，由于制作栅线的浆料主要成分为价格较高的贵金属银，而将电池串联为组件的过程中需要将一片电池的主栅通过焊带与相邻电池的背面焊接。因此电池正面电极的设计还牵扯成本和焊接工艺等复杂的方面。正是在种种妥协下，在5寸硅片占市场主流的岁月中，晶硅电池的电极设计都保持着人们印象中的细栅配合2条主栅的结构。随着近年来硅片尺寸的变大，细栅长度被迫加长;而随着网印技术的改进，网印栅线越做越细;最后近年来硅片成本大幅下滑后，用于正面电极的银浆材料在电池生产成本中的份额逐渐提升。这些因素都对电池正面电极的设计提出了新的要求。 电池厂商的“维新” 在上述背景下，电池厂商选择了一条“维新”式的技术升级之路解决正面电极设计的新问题。日本的京瓷成了其中第一个吃螃蟹的制造商。虽然京瓷2013年在全球组件供应商排行中仅排名第九，太阳能也不是京瓷的目前的主营业务，但其实京瓷早在1975就开始进入太阳能产业，并在1998年成为当时全球产量最多的太阳能制造商。 进入20世纪初，京瓷的研发人员遇到了这样一个问题，为了进一步提高太阳能电池的效率，他们尝试采用更细的主栅和细栅增加电池的有效受光面积，但由于之前介绍过的原理，随着电极变细串联电阻提高，电池的填充因子也因此降低。 为了解决这一矛盾，京瓷寻找到的解决方案是增加主栅的数量。这样不但可以减少电流在细栅中经过的距离，还减少了每条主栅自身承载的电流。意味着3主栅结构在电池层面可以配合更细的栅线而不会显著影响填充因子，增加主栅的数量对减小电池组串后的电阻同样有效。京瓷称自己的3主栅电池“不但增大了有效受光面积，相比与传统2主栅电池，经过优化后的3主栅电池电阻损耗更小，效率更高。”随后，京瓷也为自己的3主栅设计申请了专利。 遵循同样的思路，三菱在2009年推出拥有四条主栅的太阳能电池。2012年，业界传出京瓷将凭借自身专利限制采用同类的3主栅产品在日本销售，虽然这一专利最终并没有显现出苹果“圆角矩形”在手机行业那般的威力，但仍然在行业内敲响了专利的警钟。随着时间迈入2013年，越来越多的电池制造商在专利或效率的压力下开始了增加主栅数量的尝试，力诺光伏、中利腾辉、尚德、阿特斯和海润先后推出了自己的四主栅电池或组件产品，而中电电气更是直接推出了名为Waratah的5主栅系列电池和组件。这里我们将主栅数量大于3但仍保留传统设计原则的电极设计称为多主栅结构。 但在传统网印电池生产的框架下，主栅数量增加确实可以减小电阻损耗，但有其限制之处。若想在减小电阻的同时不至于增加遮光损失和材料成本，就要像当初京瓷那样减小栅线的宽度。但细栅的宽度受制于网印的工艺，而主栅又因为还肩负着连接焊带的责任而无法太细，太细的主栅将造成焊接的困难，无法保证焊接拉力。这也是我们现在并没有看到太多的量产的多主栅类型的产品的根本原因。其实康斯坦茨大学的研究人员早已通过计算发现，即使不考虑银浆成本，在主栅宽度一定的情况下(1.4mm)，在组件层面来看，4主栅就是最优的结构了。超过4条主栅后，额外主栅带来的遮光损失将超过它减少的电阻损失。 |
