單晶多晶組件CTM差異分析
隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，使晶體硅太陽電池及其組件成為研究的熱點，以實現(xiàn)太陽電池組件效益的最大化。電池封裝為組件不僅可以使電池的電壓、電流和輸出功率得到保證，而且還可以保護電池不受環(huán)境損害和機械損傷。晶體硅太陽電池經(jīng)過封裝為組件后，組件的功率（實際功率）與所有電池片的功率之和（理論功率）的差值，稱為組件封裝功率損失，其計算公式為：組件功率損失=（理論功率-實際功率）/理論功率。
通常我們使用組件輸出功率與電池片功率總和的百分比（Cell To Module簡稱CTM值）表示組件功率損失的程度，CTM值越高表示組件封裝功率損失的程度越小。如果CTM值較低，組件的輸出功率有可能達不到預(yù)期的要求，遭到客戶的投訴，最終造成經(jīng)濟效益的損失。
與此相反，如果可以提高CTM值，組件的輸出功率的增加會提高公司組件產(chǎn)品的收益，已達到降低生產(chǎn)成本的目的。在組件產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)單晶組件和多晶組件的CTM差別比較大。在組件生產(chǎn)工序完全一致的情況下，單晶組件CTM損失要高于多晶組件，本文主要針對單晶和多晶組件CTM的差異性進行研究，解釋單多晶組件CTM不同的內(nèi)在原因。
1、組件CTM影響因素
影響CTM的因素很多，包括：
A.光學損耗：制絨絨面不同引起的光學反射、玻璃和EVA等引起的反射損失。
B.電阻損耗，電池片本身的串聯(lián)電阻損耗、焊帶，匯流條本身的電阻引起的損耗，焊帶不良導致的接觸電阻、接線盒的電阻。
C.不同電流的電池片串聯(lián)時引起的電流失配損失，由于組成組件的各電池片最大工作點電流不匹配造成的失配損失（分檔，低效片混入）。
D.熱損耗，組件溫度升高會引起的輸出功率下降。
E.B-O復合引起的電池片效率衰減，與本征衰退損失。
F.組件生產(chǎn)過程中產(chǎn)生隱裂或碎片。
影響單晶和多晶組件CTM差異的因素主要包括2個方面，光學損耗和硼氧復合損耗。光學損耗產(chǎn)生的差異主要為單多晶電池產(chǎn)品的制絨工藝是不同的，反射率的差異性比較大；B-O復合損耗的差異為單多晶原料片生長工藝不同，單晶原料過程中引入的硼氧對要多于多晶原料。本文設(shè)計實驗主要針對以上兩點進行實驗設(shè)計，分析造成單多晶組件CTM差異性的原因。
2、實驗設(shè)計
2.1、實驗樣品
樣品采集自晶澳電池產(chǎn)線，所用硅片厚度為200μm，電阻率為1-3Ω.cm的單晶和多晶電池片各20片，并且20片單晶電池片為同一個功率檔位，20片多晶電池片為同一個功率檔位。
2.2、實驗步驟
單多晶電池片分別選取10片進行LID測試；單多晶電池片分別選取5片進行量子太陽能電池效率（QE）測試；單多晶電池片分別選5片采用相同的焊接和封裝工藝制成小型組件，并進行QE測試。
2.3、實驗測試
10片電池片先測量功率等各項參數(shù)，然后在穩(wěn)態(tài)太陽模擬器或自然陽光條件下，連續(xù)照射5小時（控制光強1000w/m2），完成之后重新檢測功率等參數(shù)，分析實驗前后電池片功率損失情況，即為LID測試。
QE量子效率是指電池片的量子效率為太陽能電池的電荷載流子數(shù)目與照射在表面一定能量的光子數(shù)目的比率。某一波長的光照射在電池表面時，每一光子平均所能產(chǎn)生的載流子數(shù)目，為太陽能電池的量子效率，也成為光譜響應(yīng)，簡稱QE。
3、實驗結(jié)果與分析
3.1、光學損失
圖1：單晶與多晶電池片及組件的QE對比
從圖1中可以看出單晶電池的光譜響應(yīng)QE要遠遠好于多晶電池片的光伏響應(yīng)。一方面是因為單晶電池片的效率要高于多晶電池片，其次單晶多晶的制絨不同，多晶由于晶界分布不規(guī)則，采用酸性制絨，為各向同性腐蝕，制絨后反射率在25%左右，單晶晶界排列規(guī)則，采用堿性制絨，為各向異性腐蝕，制絨后反射率為10%左右。這些決定了單晶和多晶電池片光譜效應(yīng)QE的差異。
電池片封裝成組件后的QE曲線可以發(fā)現(xiàn)在420nm處開始吸收太陽光，在350nm以內(nèi)的紫外區(qū)域入射光全部被封裝材料玻璃、EVA等吸收，從而導致可以產(chǎn)生光生電流的光子數(shù)目減少。單晶組件損失的光電流比多晶組件多，與多晶電池相比，單晶電池在紫外線區(qū)域較為出色的光譜響應(yīng)被浪費掉了。這樣不難發(fā)現(xiàn)在同樣的封裝條件下多晶電池在短波段的封裝損失要少于單晶電池。
組件在380nm-450nm，900nm-1200nm波段之間的量子效率要高于單晶和多晶電池，是因為電池在做成組件的時候不止存在光學損失，同時也存在光學增益，在光照射在電池、焊帶或者背板上時，由于組件玻璃對光線的反射，會有光線再次照射在電池上，增加組件的對光線的吸收利用。
多晶量子效率本身偏低，所以經(jīng)過封裝以后，多晶組件的光學增益要多于單晶組件，這樣多晶組件在380nm-450nm及900nm-1200nm波段的封裝損失也會少于單晶組件。
以上光學因素決定了單晶組件CTM損失要多于多晶組件。但是沒有更好的解決單晶組件光學損失的方法。
3.2、B-O復合損失
由表1的實驗結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)單晶電池LID較多晶電池嚴重，這主要是因為單晶原料和多晶原料的生長環(huán)境不同所導致。常規(guī)單晶生長使用石英坩堝，石英坩堝在高溫時與硅溶液反應(yīng)，生成SiO2，這樣使硅棒中氧的含量有一定幅度提升，從而增加了硼-氧對的數(shù)量，硼氧對在經(jīng)過光照處理時會形成少子壽命低的BO5，影響電池片的輸出功率，最終增加了單晶硅電池的LID光衰值。
多晶采用鑄錠的方式生長，主要工藝步驟為加熱，融化，長晶，退火，冷卻步驟。多晶鑄錠時坩堝底部熱量通過冷卻裝置把熱量帶走。坩堝緩慢下降，從而是硅錠離開加熱區(qū)，多晶鑄錠用的坩堝為石英陶瓷坩堝，在鑄錠過程中引入的氧碳雜質(zhì)較少，這樣在光照條件下產(chǎn)生的硼氧復合就會減少，因此多晶硅電池的LID光衰值相對偏低。這樣導致了多晶CTM損失要低于單晶。要改善單晶CTM可以想辦法減少單晶產(chǎn)品的LID光衰情況。
減少單晶原料的衰減可以考慮一下方法，A.模仿多晶鑄錠工藝生產(chǎn)單晶。B.采用磁控拉晶工藝或著區(qū)熔單晶工藝，減少氧含量的引入，提高單晶硅棒的品質(zhì)。C.由摻硼改為摻鎵，避免硼氧復合的出現(xiàn)。
4、結(jié)論
本文簡單描述了導致組件CTM損失的可能因素，重點分析了造成單晶組件和多晶組件CTM差異的原因。光學損失和B-O復合之間的差異決定了多晶組件的CTM損失要少于單晶組件，對于硼氧復合損失可以想辦法改善，但對于光學損失的差異，針對單晶沒有更好的解決方法。
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