Fraunhofer ISE推出基于PERC的疊瓦太陽能電池和組件(下)

  • 2019年12月27日
  • 作者: Xin Yin

    Xin Yin

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圖十五:(a) 平行串式疊瓦拓撲,電池串之間存在空隙。(b)矩陣式疊瓦拓撲,無非有效區域。

圖十五:(a) 平行串式疊瓦拓撲,電池串之間存在空隙。(b)矩陣式疊瓦拓撲,無非有效區域。

圖十六:雙面矩陣式疊瓦組件俯視圖(等效于60片電池組件,背面)。

圖十六:雙面矩陣式疊瓦組件俯視圖(等效于60片電池組件,背面)。

表三:用于疊瓦組件概念的電池特性。

表三:用于疊瓦組件概念的電池特性。

表四:兩種疊瓦組件概念的拓撲特性。

表四:兩種疊瓦組件概念的拓撲特性。

圖十七:在STC下串式疊瓦組件的CTMefficiency圖。

圖十七:在STC下串式疊瓦組件的CTMefficiency圖。

圖十八:在STC下矩陣式疊瓦組件的CTMefficiency圖

圖十八:在STC下矩陣式疊瓦組件的CTMefficiency圖

表五:兩種疊瓦組件概念的CTM分析結果。

表五:兩種疊瓦組件概念的CTM分析結果。

圖十九:在Intersolar 2019上展出的曲面矩陣式車頂組件。

圖十九:在Intersolar 2019上展出的曲面矩陣式車頂組件。

圖二十:集成光伏移動車頂示意圖。

圖二十:集成光伏移動車頂示意圖。

接上篇Fraunhofer ISE推出基于PERC的叠瓦太阳能电池和组件(上)

组件技术和应用领域

由于光学和电学效应,太阳能电池集成到光伏组件中会导致输出功率的改变。组件层内的吸收、光学界面处的反射和太阳能电池互连中的电阻损耗是光伏组件内主要的损耗因素。

另外,当加上非有效组件区域(例如,电池间隔)时,实际参考面积会增加。因此,这不仅改变了电池的输出功率,还改变了组件的效率[59,60]。由Haedrich等人在2014年引入的电池-组件(CTM)分析方法[61],提供了一种多功能工具来评估组件封装中的这些影响。该方法指出增益和损耗皆是由组件中各个重要部件(例如接线盒、焊带)引起的,并提出了相应的物理机制,从而可以帮助评估组件设计和材料以及对不同组件技术进行比较。

该方法提供了一个简单的关键指标-CTM来描述组件集成封装在功率或效率方面的成功与否。CTM比率是组件功率或效率除以初始总电池功率或效率的比值;如果比值小于1则表示太阳能电池集成到组件中发生了损耗,而比率大于1则表示发生增益。

Mittag等人[62]进一步扩展了CTM方法,用以分析叠瓦组件。所有模型都集成在了Fraunhofer ISE的SmartCalc.CTM软件中—这是一款灵活、精确且用户友好的计算工具,能分析不同组件技术的CTM比率(https:// www.cell-to-module.com)。使用SmartCalc.CTM进行的案例研究表明,与传统组件相比,由于消除了电池间距和互连产生的阴影,叠瓦技术显着提高了组件CTMefficiency比值。

2018年,Fraunhofer ISE重新引入了“矩阵叠瓦”拓扑结构,该结构由Schmidt和Rasch于90年代早期申请了专利[63]。矩阵叠瓦是对串式叠瓦设计的进一步提升,并且有效增加电池堆积和功率密度。与串式叠瓦设计(参见图15(a))一样,矩阵叠瓦需要通过垂直地重叠太阳能电池来串联电池。另外,对连续平行电池组成的电池条进行水平移动,能够产生类似砖墙一样的拓扑图案(参见图15(b))。这意味着在单行内,太阳能电池通过水平相邻电池的重叠前后主栅线并联连接。由此形成的串并联连接,能有效提升在部分阴影条件下的组件性能[15]。在2018年的Intersolar Europe展览会上,Fraunhofer ISE首次(据作者所知)展示了一种等效于60片电池组件的双面矩阵叠瓦组件(见图16)。

为了展示矩阵叠瓦方案的潜力,我们对比了传统的串式叠瓦组件和矩阵式叠瓦组件CTM分析结果。其中,矩阵拓扑由78行组成,每行有6条pSPEER太阳能电池,而串式拓扑结构则包含6个电池串,每个电池串由78块电池连接而成。对于两种拓扑结构,电池功率和电池重叠保持不变。串式设计的相邻电池串之间有2mm间隙,而矩阵拓扑没有间距。而组件边界空白区域大小一样;这使得矩阵拓扑组件玻璃尺寸比串式设计小1cm。两种组件都包含3.2毫米厚的玻璃和防反射涂层、0.45毫米厚能困住低波段紫外线的EVA封装和一块白色TPT背板。所用电池的特性列于表3中,而组件拓扑结构列于表4中。

结果显示,矩阵式叠瓦组件的组件功率略小于(-2Wp)串式叠瓦组件的组件功率,因为前者没有电池串间隔区域带来的底部反射光线(比较图17和18中的k11) )。由于矩阵组件较小且其电池集成更密集,因此在该设计中矩阵拓扑的效率略有增加,功率密度也有0.71W/m2(+ 0.36%)的提升,如表5所示。

CTM分析的结果表明,矩阵叠瓦是进一步提高叠层组件效率和功率密度的有效方法。另外,当间隔区域的反射增益不适用时,例如对于具有透明后盖的双面组件,则矩阵方法的优势更大。

汽车、飞机或其他交通工具因其可用空间有限,所以在组件设计时需要新的思路。例如,矩阵叠瓦设计非常适合于VIPV应用,该应用要求在部分遮蔽条件下仍然能实现高功率密度和较优的性能。此外,VIPV应用还要求太阳能电池具有优美的外观。而矩阵叠瓦设计由于没有电池互连焊带,也没有电池间距或电池串间距,正好具有非常均匀的光学外观。

可惜的是,太阳能电池的外观通常呈现黑色,缺乏一些产品在明亮和鲜艳色彩方面所需的特殊外观。Fraunhofer ISE的仿生'Morpho Color(一种光谱选择性光子结构,仿照了蝴蝶用于实现华丽外表的相同物理效果)则满足了这一要求,并允许光伏组件定制设计能选择多种颜色,但带来的功耗损失仅为-7%rel[64]。矩阵叠瓦和Morpho Color的组合实现了肉眼几乎无法分辨的光伏组件。为了证明这种方法的潜力,我们制造了带有Morpho-Color涂层的2D弯曲矩阵叠瓦组件,展示了VIPV新的可能性(见图19)。

高功率密度、改进的遮光耐受性和出色的美观性使矩阵叠瓦设计非常适用于集成光伏应用,如BIPV或VIPV,如图20所示。对于要求具备高效率、优美的光学外观和出色的遮光耐受性的光伏应用环境,矩阵叠瓦提供了一个非常有吸引力的解决方案。

总结

叠瓦太阳能电池在提升组件输出功率密度方面具有明显的潜力优势。然而,为实现这一目标,必须在整个光伏产业链中克服诸多挑战,涉及从电池加工到组件加工的各个环节。

通过改进金属化布局和先进的激光辅助分离工艺,可以制造出能用于叠瓦组件的pSPEER太阳能电池。采用激光划线和机械切割工艺的pSPEER太阳能电池在STC测量时前表面指定面积的效率ηf= 21.4%。当考虑额外的背面辐照度Gr = 100W/m2时,可以实现总特定面积输出功率密度Pout = 22.8mW/cm2。

通过数值Quokka3模拟方法进行模型分析,可以更好地理解边界区域中的复合效应。此外,PL方法也有助于进一步了解边界复合效应。研究表明,与通过金刚石切割划线和机械切割穿透发射极方法相比,热激光分离工艺(穿过发射极)更有助于提升电池性能,例如可以将电流密度提升至j02,edge = 3nA/cm。

Fraunhofer ISE正在开发后金属化/分离钝化边界技术(PET),能够在不影响金属电极稳定性的情况下进一步提升电池效率。用PET工艺制造的pSPEER电池(也称为pSPEER PET太阳能电池)性能可以达到ηf= 22.1%和Pout= 23.5mW/cm2(考虑额外的背面辐照度Gr = 100W/m2)。此外,还需要适当的ECAs材料和固化工艺用于叠瓦互连。ECA是一种具有粘弹性行为的材料。

矩阵式叠瓦结构可以呈现出一种美学外观,从而在集成光伏应用领域具有吸引力。矩阵叠瓦组件的一个很好的应用实例是车顶-光伏集成组件;由于Morpho-Color玻璃表面可以与汽车的结构无缝融合,所以几乎无法辨别出是光伏组件。

致谢

本文报告的工作是在德国联邦经济和能源部(BMWi)资助的PV-BAT 400项目(合同号0324145)的框架内进行的。作者要感谢Fraunhofer ISE光伏部门的所有同事对先进光伏研发的贡献。

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