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作者 ： 王祺、倪志春、任方星、趙建華、王艾華，中電電氣南京光伏有限公司研發中心
摘要:
晶體硅太陽電池封裝成組件后，其實際功率通常會小于理論功率，稱之為功率損失或封裝損失（powerloss）。本文對各種影響太陽能電池組件封裝損失的因素進行了相應的研究，包括電池片分檔方式、組件封裝材料、封裝工藝與電池片之間的匹配等，通過優化這些影響因素可以有效提高組件的輸出功率，降低封裝損失。
前言
為了獲得所需的電流電壓和輸出功率，同時也為了保護電池不受機械損傷和環境損害，必須將若干單片電池串并聯連接并封裝成組件。一般情況下，封裝后的組件的輸出功率（實際功率）小于所有電池片的功率值之和（理論功率），我們稱之為封裝損失（powerloss），計算方法為：
封裝損失=(理論功率－實際功率)／理論功率
如果封裝損失值較高的話，制作出的組件的輸出功率達不到設計要求，有可能出現客戶投訴，對組件公司產生不良影響，造成經濟損害。反之，如果能夠降低封裝損失，組件輸出功率的增加也會帶來收益的提高，組件配置的電池片所需效率可以減少，間接降低了生產成本。
本文分別從光學損失和電學損失兩方面分析和討論了可能影響封裝損失的因素，得到了一些初步的結論，可為組件公司提高產品性能提供參考。另外我們只針對組件封裝時的功率損失進行了研究，未涉及電池片光致衰減（LID）導致的組件輸出功率下降等問題。
封裝損失的分析
常規晶體硅太陽電池組件的封裝結構如圖一所示，自上而下的順序分別是鋼化玻璃-密封膠-晶體硅太陽電池-密封膠-背板；封裝之前的單焊、串焊工藝將電池片通過涂錫焊帶連接；組件層壓封裝好后，再組裝上接線盒、邊緣密封膠和邊框。因此，造成組件封裝損失的可能因素無外乎是太陽電池和組件的封裝材料。
我們把封裝損失的原因按照屬性不同分為兩大類：光學損失、電學損失。下面詳細討論這兩類中的各種影響因素。
光學損失
從理論上講，單結硅系太陽電池不能將所有光線都吸收轉換成電能，地面用硅太陽電池的光譜響應范圍一般為300nm-1100nm，因此，任何使這一波段的光進入電池減少的因素都會造成光學上的損失，可以從光的透射和反射兩方面進行分析。
光從組件表面到硅體內要依次經過玻璃、密封膠（一般為EVA），所以玻璃和EVA會對光吸收產生影響，玻璃和EVA的透射率越高，組件的封裝損失也就越小。常規超白鋼化玻璃的透射率為92%左右，目前市場上已推出具有增透膜的鍍膜玻璃，透射率可高達96%，鍍膜玻璃一般可提高組件1%的輸出功率增益，但其長期穩定性和可靠性需要進一步的研究。圖二為不同廠家3.2mm布紋鋼化玻璃的透射率隨波長（波長范圍從300nm到1100nm）的變化，其中D樣品為鍍膜玻璃，其他三種為普通鋼化玻璃。從圖中可以看出，不同廠家的玻璃的透射率有很大區別，透射率越高則進入到電池中的光也就越多，而電池的輸出功率與光強成正比的。在電池和其他輔材不變的情況下，使用透射率高的鋼化玻璃，組件的輸出功率增大，封裝損失減小。
EVA（乙烯-醋酸乙烯聚合酯）用于粘結鋼化玻璃、電池和背板，由于它是紫外不穩定的，約占太陽光6%的紫外線長時間的照射可造成EVA膠膜的老化、龜裂、變黃，繼而降低其透光率，因此有些廠家的EVA中會添加抗紫外劑，這樣就會引起EVA在短波段的透射率的下降。圖三為四款不同廠家EVA在交聯后透射率曲線圖，其中D樣品未添加紫外吸收劑，300nm波長光的透射率為37.1%，而其他三種加入抗紫外劑的EVA對在360nm波長以下范圍內的光是截止的。但現在電池廠家為提高太陽電池的轉換效率，開始采用高方阻、密柵的工藝，高方阻電池和常規的P型電池的光譜響應是不相同的，圖四顯示的是效率相近的常規電池（CellI）和高方阻電池（CellII）的內量子效率曲線對比圖，可以看出，高方阻電池在短波段（<450nm）的IQE是要高于常規電池的，而如果采用對短波長光截止的EVA，則會造成這部分光不能被高方阻電池吸收，那么封裝損失肯定比同效率常規電池制作的組件的封裝損失要大。因此，使用不同工藝制作的太陽電池需要選擇與之相匹配的EVA，在透光率和抗紫外兩者之間找到折衷點，在不影響可靠性的基礎上降低組件的封裝損失。另外，有公司提出使用化學性質穩定、耐紫外、透射率高的透明硅膠做為組件的密封膠，可以有效避免密封膠黃化和電池不能接受到短波長光線的問題。
太陽電池的表面沉積了一層氮化硅結構的減反射膜，折射率約為2.1，其上有EVA和鋼化玻璃（兩者的折射率約為1.48左右），為使組件的透射率達到最大的減反效果，還需要使SiNx膜的厚度、EVA和玻璃厚度得到最好的匹配結果和最佳的光學上的減反射效果，可以有效增加組件的輸出功率。
太陽電池組件的背板用來防止水汽進入組件，常采用TPT（Tedler-PET-Tedler）膜。常規白色TPT其與EVA接觸面的反射率曲線見圖五，可見在中長波段具有高達80%左右的反射率。白色的TPT膜對入射到太陽電池間未被電池吸收的太陽光具有反射作用，這部分光在空氣與玻璃的界面處被反射向太陽電池，增加入射到太陽電池組件上的光的利用率。一般的，使用白色的TPT比黑色的TPT能增加組件1%的輸出功率增益，有利于降低組件的封裝損失。
太陽電池被焊帶覆蓋部分無法吸收太陽光，某些焊帶公司推出了反光焊帶，焊帶的正面鍍銀并壓延出縱向溝槽狀結構，這種結構能將入射到焊帶上的光線以一定角度反射到組件的玻璃層內表面，在玻璃-空氣界面上全反射后投射回電池表面。捕捉到的光能讓組件產生額外增加的功率，理論上可以提高組件效率2%左右。
電學損失
實際應用中，太陽電池通常以串聯、并聯或串并聯相間的混聯方式形成組件，滿足所需的電流、電壓，但是由于太陽電池的參數不一致，串并聯后的組件的輸出功率可能小于各單個太陽電池的最大輸出功率之和。電池串聯時，兩端電壓為各單體電池中電壓之和，電流等于各電池中最小的電流；并聯時，總電流為各單體電池電流之和，電壓取平均值。常見的組件一般為串聯結構，若在串聯的正常電池中混入一片低電流的電池，根據電流取小原則，組件的輸出電流由這片最小電池的電池決定，組件的輸出功率會降低，造成較高的封裝損失。要減少電池匹配損失獲得最大的輸出功率，需要選擇相同或相近電性能參數的電池串聯成組件，這就要求在電池分選時應選擇合適的分檔方式，防止電池失配情況的發生。
組件中的太陽電池由焊帶相連接導通，焊帶一般為表面鍍錫的銅帶，錫層含Sn/Pb、Sn/Pb/Ag或Sn/Pb/Bi等。焊帶的電阻主要受銅帶影響，如果電阻值太高的話，組件輸出電壓會有一部分消耗在焊帶上，造成電學上的封裝損失。金屬的電阻值等于電阻率乘以金屬長度再除以金屬橫截面積。由于電阻率和長度值固定、不易改變，要降低焊帶的電阻應考慮增加焊帶的寬度和厚度。若焊帶寬度寬于電池的主柵線，會造成遮光面積的增多，降低電池效率，所以焊帶寬度也不應變化。因此考慮增加銅帶的厚度，而焊帶變厚會帶來焊接時電池碎片問題。因此，需要選用適合寬度和厚度的焊帶制作組件，才能防止過多的組件功率損失在焊帶上。
焊接工藝也嚴重影響組件的功率，如果組件焊接過程中存在虛焊、漏焊等焊接不良的問題，會造成較高的接觸電阻，降低組件的輸出電流；不合適的焊接工藝還有可能造成電池的電極與硅片脫落，無法收集電流，從而造成封裝損失的增加。
封裝實驗及討論
不同氮化硅膜厚電池的封裝對比
選取三組不同氮化硅膜厚、效率17.25%檔的單晶S125-D165（對角線165mm）電池制作組件（板型：4×9=36片串聯），在板式PECVD時，調節氮化硅膜厚分別為70-75、80-85、90-95（nm），三組電池各制作5塊組件，組件的其他輔材相同。組件的理論功率為96.15W，封裝結果見表一。從數據上看，氮化硅膜越厚的組件的輸出功率越高，封裝損失越小，應該屬于光學方面的損失，可能是因為厚的氮化硅膜與EVA、玻璃三者的匹配效果最好，具有較好的減反射效果，從而有助于提高組件的功率。
Eff與Iap分檔方式對比
太陽電池一般用效率（Eff）分檔，由1.2節的分析可知，串聯電池的電流應越接近越好，所以我們考慮使用工作電流（Iap）方式來對電池進行分檔。選擇效率17.75%檔的單晶S156電池，分別采用Eff與Iap兩種分檔方式進行分檔，制作成組件（板型：6×10=60片串聯），電池分別在兩條生產線生產，組件的理論功率是254.4W，計算組件的平均功率、每組組件功率的標準偏差、每組的平均封裝損失。
從表二的實驗數據中可以看出，同一生產線（A線）生產的S156電池，Eff分檔較Iap分檔的封裝損失低0.39%；不同生產線產出S156電池采用相同分檔方式（Iap），封裝損失存在一定差異。Iap分檔對封裝損失的改善不明顯，但組件輸出功率的一致性較好。
不同電池生產線對比
在Eff與Iap分檔方式對比實驗中，不同生產線生產的電池的封裝損失有很大區別，為此我們從兩條不同的生產線選取S125電池，分別用單條生產線線的電池封裝成組件、兩條生產線電池相混封裝成組件（板型：6×12=72片串聯），測試組件功率，計算標準偏差和平均封裝損失。電池的效率為17.5%檔,組件的理論功率為195.08W。
從表三的測試結果來看，單線電池封裝出的組件的封裝損失較混線的要小，且混線電池的組件功率的一致性要差一些。從組件封裝功率偏差均值來看，A線要比B線小，A線的封裝損失較低，說明不同電池生產線之間存在一定的差異，可能與校準和設備的差別有關。
電池電流細分實驗
將17.25%效率檔S125電池按照電流每25mA一個區間細分成三組I1:5.274～5.299mA、I2:5.249～5.274mA、I3:5.224～5.249mA，再加一電流未細分組作為對比組。四組組件的理論功率192.3W。
結果見表四，電流細分對改善封裝損失效果不明顯，電池按電流細分后能看出功率漸變的現象，I1最大，I3最小，以功率偏差均值來說，電流細分電池封裝后，未細分電流組的組件功率一致性較差。
不同規格焊帶對封裝損失的影響
使用不同規格的焊帶，厚度和寬度分別為：0.15×1.6、0.18×1.6、0.20×1.6（單位為mm），由1.2節的分析可知，三組焊帶的電阻值為從大到小，選取17.50%效率檔S156電池，各做若干塊組件（板型：6×10=60片串聯），理論功率為250.8W。
從表五中可以看出，焊帶越厚，組件的輸出功率越高，封裝損失也越低；但焊帶增厚，會提高焊帶成本，還使得人工焊接時的焊接碎片率有所提高。但若采用自動焊接生產線，使用厚焊帶可以有效地降低碎片率，增加組件的輸出功率，降低封裝損失；長遠看來，也有助于控制組件的質量，提高組件的成品率，降低生產成本。
結論
[1]組件的封裝損失可分為光學損失和電學損失兩種。前者主要包括玻璃、密封膠的透射率限制導致的光的損耗，焊帶、背板的反射產生的光的二次利用得到的額外附加功率；后者來源于電池失配、焊帶電阻、焊接不良等形成的電流損失。
[2]與按效率分檔相比，電池按工作電流分檔時，組件的功率沒有太大區別，電流細分分檔對封裝損失也沒有很大影響，但組件功率的一致性更好。由于電池生產線之間存在差異，單個生產線電池封裝的組件比混線電池生產的組件的功率損失要小。
[3]對電池的氮化硅膜與EVA、玻璃之間的匹配進行優化后，組件具有較好的減反射效果，有利于提高組件的輸出功率。
[4]在不影響組件的長期穩定性和可靠性的前提下，組件的封裝材料應選擇有助于增加功率輸出的輔材，如高透射率的玻璃和密封膠、高電導的焊帶等，能夠進一步降低組件的封裝損失。
摘要:
晶體硅太陽電池封裝成組件后，其實際功率通常會小于理論功率，稱之為功率損失或封裝損失（powerloss）。本文對各種影響太陽能電池組件封裝損失的因素進行了相應的研究，包括電池片分檔方式、組件封裝材料、封裝工藝與電池片之間的匹配等，通過優化這些影響因素可以有效提高組件的輸出功率，降低封裝損失。
前言
為了獲得所需的電流電壓和輸出功率，同時也為了保護電池不受機械損傷和環境損害，必須將若干單片電池串并聯連接并封裝成組件。一般情況下，封裝后的組件的輸出功率（實際功率）小于所有電池片的功率值之和（理論功率），我們稱之為封裝損失（powerloss），計算方法為：
封裝損失=(理論功率－實際功率)／理論功率
封裝損失的分析
常規晶體硅太陽電池組件的封裝結構如圖一所示，自上而下的順序分別是鋼化玻璃-密封膠-晶體硅太陽電池-密封膠-背板；封裝之前的單焊、串焊工藝將電池片通過涂錫焊帶連接；組件層壓封裝好后，再組裝上接線盒、邊緣密封膠和邊框。因此，造成組件封裝損失的可能因素無外乎是太陽電池和組件的封裝材料。
我們把封裝損失的原因按照屬性不同分為兩大類：光學損失、電學損失。下面詳細討論這兩類中的各種影響因素。
光學損失
從理論上講，單結硅系太陽電池不能將所有光線都吸收轉換成電能，地面用硅太陽電池的光譜響應范圍一般為300nm-1100nm，因此，任何使這一波段的光進入電池減少的因素都會造成光學上的損失，可以從光的透射和反射兩方面進行分析。
光從組件表面到硅體內要依次經過玻璃、密封膠（一般為EVA），所以玻璃和EVA會對光吸收產生影響，玻璃和EVA的透射率越高，組件的封裝損失也就越小。常規超白鋼化玻璃的透射率為92%左右，目前市場上已推出具有增透膜的鍍膜玻璃，透射率可高達96%，鍍膜玻璃一般可提高組件1%的輸出功率增益，但其長期穩定性和可靠性需要進一步的研究。圖二為不同廠家3.2mm布紋鋼化玻璃的透射率隨波長（波長范圍從300nm到1100nm）的變化，其中D樣品為鍍膜玻璃，其他三種為普通鋼化玻璃。從圖中可以看出，不同廠家的玻璃的透射率有很大區別，透射率越高則進入到電池中的光也就越多，而電池的輸出功率與光強成正比的。在電池和其他輔材不變的情況下，使用透射率高的鋼化玻璃，組件的輸出功率增大，封裝損失減小。
EVA（乙烯-醋酸乙烯聚合酯）用于粘結鋼化玻璃、電池和背板，由于它是紫外不穩定的，約占太陽光6%的紫外線長時間的照射可造成EVA膠膜的老化、龜裂、變黃，繼而降低其透光率，因此有些廠家的EVA中會添加抗紫外劑，這樣就會引起EVA在短波段的透射率的下降。圖三為四款不同廠家EVA在交聯后透射率曲線圖，其中D樣品未添加紫外吸收劑，300nm波長光的透射率為37.1%，而其他三種加入抗紫外劑的EVA對在360nm波長以下范圍內的光是截止的。但現在電池廠家為提高太陽電池的轉換效率，開始采用高方阻、密柵的工藝，高方阻電池和常規的P型電池的光譜響應是不相同的，圖四顯示的是效率相近的常規電池（CellI）和高方阻電池（CellII）的內量子效率曲線對比圖，可以看出，高方阻電池在短波段（<450nm）的IQE是要高于常規電池的，而如果采用對短波長光截止的EVA，則會造成這部分光不能被高方阻電池吸收，那么封裝損失肯定比同效率常規電池制作的組件的封裝損失要大。因此，使用不同工藝制作的太陽電池需要選擇與之相匹配的EVA，在透光率和抗紫外兩者之間找到折衷點，在不影響可靠性的基礎上降低組件的封裝損失。另外，有公司提出使用化學性質穩定、耐紫外、透射率高的透明硅膠做為組件的密封膠，可以有效避免密封膠黃化和電池不能接受到短波長光線的問題。
太陽電池的表面沉積了一層氮化硅結構的減反射膜，折射率約為2.1，其上有EVA和鋼化玻璃（兩者的折射率約為1.48左右），為使組件的透射率達到最大的減反效果，還需要使SiNx膜的厚度、EVA和玻璃厚度得到最好的匹配結果和最佳的光學上的減反射效果，可以有效增加組件的輸出功率。
太陽電池組件的背板用來防止水汽進入組件，常采用TPT（Tedler-PET-Tedler）膜。常規白色TPT其與EVA接觸面的反射率曲線見圖五，可見在中長波段具有高達80%左右的反射率。白色的TPT膜對入射到太陽電池間未被電池吸收的太陽光具有反射作用，這部分光在空氣與玻璃的界面處被反射向太陽電池，增加入射到太陽電池組件上的光的利用率。一般的，使用白色的TPT比黑色的TPT能增加組件1%的輸出功率增益，有利于降低組件的封裝損失。
太陽電池被焊帶覆蓋部分無法吸收太陽光，某些焊帶公司推出了反光焊帶，焊帶的正面鍍銀并壓延出縱向溝槽狀結構，這種結構能將入射到焊帶上的光線以一定角度反射到組件的玻璃層內表面，在玻璃-空氣界面上全反射后投射回電池表面。捕捉到的光能讓組件產生額外增加的功率，理論上可以提高組件效率2%左右。
電學損失
實際應用中，太陽電池通常以串聯、并聯或串并聯相間的混聯方式形成組件，滿足所需的電流、電壓，但是由于太陽電池的參數不一致，串并聯后的組件的輸出功率可能小于各單個太陽電池的最大輸出功率之和。電池串聯時，兩端電壓為各單體電池中電壓之和，電流等于各電池中最小的電流；并聯時，總電流為各單體電池電流之和，電壓取平均值。常見的組件一般為串聯結構，若在串聯的正常電池中混入一片低電流的電池，根據電流取小原則，組件的輸出電流由這片最小電池的電池決定，組件的輸出功率會降低，造成較高的封裝損失。要減少電池匹配損失獲得最大的輸出功率，需要選擇相同或相近電性能參數的電池串聯成組件，這就要求在電池分選時應選擇合適的分檔方式，防止電池失配情況的發生。
組件中的太陽電池由焊帶相連接導通，焊帶一般為表面鍍錫的銅帶，錫層含Sn/Pb、Sn/Pb/Ag或Sn/Pb/Bi等。焊帶的電阻主要受銅帶影響，如果電阻值太高的話，組件輸出電壓會有一部分消耗在焊帶上，造成電學上的封裝損失。金屬的電阻值等于電阻率乘以金屬長度再除以金屬橫截面積。由于電阻率和長度值固定、不易改變，要降低焊帶的電阻應考慮增加焊帶的寬度和厚度。若焊帶寬度寬于電池的主柵線，會造成遮光面積的增多，降低電池效率，所以焊帶寬度也不應變化。因此考慮增加銅帶的厚度，而焊帶變厚會帶來焊接時電池碎片問題。因此，需要選用適合寬度和厚度的焊帶制作組件，才能防止過多的組件功率損失在焊帶上。
焊接工藝也嚴重影響組件的功率，如果組件焊接過程中存在虛焊、漏焊等焊接不良的問題，會造成較高的接觸電阻，降低組件的輸出電流；不合適的焊接工藝還有可能造成電池的電極與硅片脫落，無法收集電流，從而造成封裝損失的增加。
封裝實驗及討論
不同氮化硅膜厚電池的封裝對比
選取三組不同氮化硅膜厚、效率17.25%檔的單晶S125-D165（對角線165mm）電池制作組件（板型：4×9=36片串聯），在板式PECVD時，調節氮化硅膜厚分別為70-75、80-85、90-95（nm），三組電池各制作5塊組件，組件的其他輔材相同。組件的理論功率為96.15W，封裝結果見表一。從數據上看，氮化硅膜越厚的組件的輸出功率越高，封裝損失越小，應該屬于光學方面的損失，可能是因為厚的氮化硅膜與EVA、玻璃三者的匹配效果最好，具有較好的減反射效果，從而有助于提高組件的功率。
Eff與Iap分檔方式對比
太陽電池一般用效率（Eff）分檔，由1.2節的分析可知，串聯電池的電流應越接近越好，所以我們考慮使用工作電流（Iap）方式來對電池進行分檔。選擇效率17.75%檔的單晶S156電池，分別采用Eff與Iap兩種分檔方式進行分檔，制作成組件（板型：6×10=60片串聯），電池分別在兩條生產線生產，組件的理論功率是254.4W，計算組件的平均功率、每組組件功率的標準偏差、每組的平均封裝損失。
從表二的實驗數據中可以看出，同一生產線（A線）生產的S156電池，Eff分檔較Iap分檔的封裝損失低0.39%；不同生產線產出S156電池采用相同分檔方式（Iap），封裝損失存在一定差異。Iap分檔對封裝損失的改善不明顯，但組件輸出功率的一致性較好。
不同電池生產線對比
在Eff與Iap分檔方式對比實驗中，不同生產線生產的電池的封裝損失有很大區別，為此我們從兩條不同的生產線選取S125電池，分別用單條生產線線的電池封裝成組件、兩條生產線電池相混封裝成組件（板型：6×12=72片串聯），測試組件功率，計算標準偏差和平均封裝損失。電池的效率為17.5%檔,組件的理論功率為195.08W。
從表三的測試結果來看，單線電池封裝出的組件的封裝損失較混線的要小，且混線電池的組件功率的一致性要差一些。從組件封裝功率偏差均值來看，A線要比B線小，A線的封裝損失較低，說明不同電池生產線之間存在一定的差異，可能與校準和設備的差別有關。
電池電流細分實驗
將17.25%效率檔S125電池按照電流每25mA一個區間細分成三組I1:5.274～5.299mA、I2:5.249～5.274mA、I3:5.224～5.249mA，再加一電流未細分組作為對比組。四組組件的理論功率192.3W。
結果見表四，電流細分對改善封裝損失效果不明顯，電池按電流細分后能看出功率漸變的現象，I1最大，I3最小，以功率偏差均值來說，電流細分電池封裝后，未細分電流組的組件功率一致性較差。
不同規格焊帶對封裝損失的影響
使用不同規格的焊帶，厚度和寬度分別為：0.15×1.6、0.18×1.6、0.20×1.6（單位為mm），由1.2節的分析可知，三組焊帶的電阻值為從大到小，選取17.50%效率檔S156電池，各做若干塊組件（板型：6×10=60片串聯），理論功率為250.8W。
從表五中可以看出，焊帶越厚，組件的輸出功率越高，封裝損失也越低；但焊帶增厚，會提高焊帶成本，還使得人工焊接時的焊接碎片率有所提高。但若采用自動焊接生產線，使用厚焊帶可以有效地降低碎片率，增加組件的輸出功率，降低封裝損失；長遠看來，也有助于控制組件的質量，提高組件的成品率，降低生產成本。
結論
[1]組件的封裝損失可分為光學損失和電學損失兩種。前者主要包括玻璃、密封膠的透射率限制導致的光的損耗，焊帶、背板的反射產生的光的二次利用得到的額外附加功率；后者來源于電池失配、焊帶電阻、焊接不良等形成的電流損失。
[2]與按效率分檔相比，電池按工作電流分檔時，組件的功率沒有太大區別，電流細分分檔對封裝損失也沒有很大影響，但組件功率的一致性更好。由于電池生產線之間存在差異，單個生產線電池封裝的組件比混線電池生產的組件的功率損失要小。
[3]對電池的氮化硅膜與EVA、玻璃之間的匹配進行優化后，組件具有較好的減反射效果，有利于提高組件的輸出功率。
[4]在不影響組件的長期穩定性和可靠性的前提下，組件的封裝材料應選擇有助于增加功率輸出的輔材，如高透射率的玻璃和密封膠、高電導的焊帶等，能夠進一步降低組件的封裝損失。
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