最优细栅该如何设计？无主栅太阳电池栅线的设计优化

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作者：黄纬，陈喜平，李俊斐等

摘要：无主栅太阳电池技术实现了高效率和低成本的有效结合。该文采用理论计算的方式，对不同主栅/金属丝数目的太阳电池进行了设计优化，研究了太阳电池效率随主栅/金属丝数目及细栅宽度变化的关系。结果表明，随着主栅/金属丝数目的增加，太阳电池效率逐渐提升；其中，在最优细栅设计下，相较于4主栅太阳电池，5金属丝太阳电池的效率提升了 0.48%，正面总体银浆用量节省了78%。 

0 引言 

近几年来，为了提高太阳电池效率，太阳电池主栅/金属丝数目成为研究的重点。太阳电池厂商从提高效率的角度将主栅数目从3根提高到4根，甚至5根。为了实现效率和成本的双赢， 早在2007 年，Day4 Energy technology 提出了无主栅太阳电池技术 ，该技术不再在太阳电池上印刷主栅，并采用多根金属丝 (≥10 根 ) 代替常规焊带，在实现提升太阳电池效率的同时，节省了银浆的用量，降低了太阳电池的成本。

2011年，Meyer Burger 在 Day4 Energy technology技术的基础上，提出了智能网栅技术，并形成了该项技术的工艺方案。Braun 和 Schmid公司结合无主栅太阳电池技术，采用红外焊接的方式， 实现了0.33%组件效率的提升。

美国的GT Advanced Technology公司也发布了名为 Merlin 的无主栅技术，该技术采用细栅分段结构和金属浮动连接线的技术方案，进一步提升了无主栅太阳电池的技术优势。这些技术的进步使得无主栅太阳电池技术逐渐成为一个提效方向。因此， 本文从理论计算的方向出发，结合太阳电池电极的设计机理，形成了无主栅太阳电池的栅线设计方案，实现了太阳电池效率提升和正面总体银浆用量的降低。

1 栅线的设计方法

为了计算太阳电池的效率，我们采用二极管模型模拟太阳电池的I-V曲线，以获得太阳电池的效率。工作电流 I 可表示为 ：                          

(1) 式中，Isc 为短路电流；Io 为反向饱和电流； n为p-n结的品质因子(这里认为太阳电池理想，即 n=1)；Rs 为太阳电池串联电阻；Rsh 为太阳电 池并联电阻；VT为热电压，VT =KT/q，其中，K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度， q为电子电荷。忽略并联电阻的影响，太阳电池的工作电压和工作电流的关系式可表示为：

由式(2)可知，在理想条件下，太阳电池的工作电压主要受短路电流和串联电阻的影响。而栅线(主栅/金属丝和细栅线) 的遮挡面积会直 接影响短路电流。假设无栅线遮挡时的短路电流为Isco，栅线总遮挡面积为S ′，太阳电池面积为So，则应满足式 (3)： 

同时，太阳电池的串联电阻应满足式 (4)：

式中，各种电阻的含义及表达式如表 1 所示。

注：L为太阳电池的长度；S为两个细栅线之间的距离； wf为细栅线宽度；hf为细栅线高度；wbus为主栅/金属丝宽度；hbus为细栅线高度；N为主栅数/金属丝数目；Q为主栅分段数；ρe为发射极电阻率；ρ为细栅线电阻率；ρfront 为前接触电阻率；ρrc为背接触电阻率；ρAl为铝背场电阻率； ρbase为硅片的电阻率；wbase为硅片厚度；hAl为铝背场厚度。

由表1可知，太阳电池串联电阻与太阳电池栅线设计相关。根据参考文献，本文对太阳电池的栅线进行了设计优化，以实现光损失和电损失的最小化为了简化计算，认为太阳电池主栅的线电阻为焊带或金属丝的电阻。

2 理论计算结果 

设计一块边长为156mm×156mm的p型多晶硅太阳电池，结合3主栅太阳电池的试验参数， 研究主栅/金属丝和细栅宽度变化对太阳电池效率提升的影响。其中，计算参数参照市场上常见的3主栅太阳电池参数，具体为：L=156mm、 S=1.719mm、wf=48µm、hf=16µm、wbus= 1.4mm、hbus=13µm、N=3、Q=8、ρe=87Ω、 ρ=3×10-8Ω•m、ρfront=0.5mΩ/cm2、ρrc=1mΩ/cm2、ρAl=4×10-8Ω•m、wbase=180µm、hAl=5µm、 Isc=8.732 A。 

2.1  主栅/金属丝数目变化对太阳电池效率的影响 

和上述作为参考的3主栅太阳电池细栅设计一致，增加主栅/金属丝数目，电流收集路径 B(B=L/2N) 变短，考虑到串联电阻和短路电流的变化，主栅/金属丝的宽度随之减小，主栅/金属丝总宽度随主栅/金属丝数目呈现出先下降后平稳的趋势，具体如图1所示。因此，主栅/金属丝数目的增多可以减少光的遮挡，增加光的利用。

同时，图2给出了太阳电池串联电阻和效率随主栅/金属丝数目的变化图。从图2可以看出，随着主栅/金属丝数目的增加，串联电阻呈 现先快速下降后缓慢下降的趋势。与之相反，电池效率则呈现先快速增加后缓慢增加的趋势；当金属丝大于11根时，电池效率基本保持不变。同时从图2 可知，当太阳电池金属丝增加到15根时，相对于3主栅太阳电池，其效率提升约 0.3%，相对于4主栅太阳电池，其效率提升约 0.16%。因此，仅通过增加主栅/金属丝的方式， 对太阳电池效率的提升不大，所以还需要优化细栅设计。

2.2 细栅宽度变化对太阳电池效率提升的影响 

保持图1中的主栅/金属丝最优宽度不变，根据现行栅线印刷工艺水平，假定细栅高宽比为0.38，通过优化细栅设计，研究了细栅宽度改变对15金属丝和4主栅太阳电池的细栅间距、正面总体银浆用量节省量和电池效率的影响。 图3为细栅间距和正面总体银浆用量节省量随细栅宽度的变化图。从图3可以看出，随着细栅宽度的降低，4主栅和15金属丝太阳电池的细栅间距逐渐减小，并且二者差距基本呈递增趋 势。同时图3显示，随着细栅宽度的减小，相对于4主栅太阳电池，15金属丝太阳电池(无主栅) 的正面总体银浆用量节省量 SAg 逐渐增加；当细栅宽度降为10 µm 时，15金属丝太阳电池正面总体银浆用量比4主栅太阳电池正面总体银浆用量节省78%。其中，正面总体银浆用量节省量 SAg 应满足式 (5)：

式中，mAg-4、mAg-15分别为4主栅、15金属丝太阳电池正面总体银浆用量。

同时，随着细栅宽度变化，当细栅设计最优化时，太阳电池串联电阻和效率如图4所示。 从图4可以看出，随着细栅宽度的降低，4主栅太阳电池串联电阻呈现先下降后上升的趋势； 15金属丝时，细栅宽度细化对总电阻的影响较 小。与电阻变化相反，随着细栅宽度的减小， 4主栅太阳电池的效率呈现先缓慢增加后快速降低的趋势；细栅宽度越小，4主栅和15金属丝太阳电池的效率差距越大，说明细栅技术有利于无主栅太阳电池技术的实施。

同时数据给出，当细栅宽度分别为 30 µm 及 10 µm 时，4主栅、15 金属丝太阳电池的效率分别达到最大值，分别为18.54%、19.02%。相对于4主栅太阳电池，在最佳细栅设计时，15金属丝太阳电池效率提升了0.48%。在目前易实现的细栅线宽度30µm时，效率仍有0.27%的提升。 

2.3 组件串接技术的影响 

在无主栅光伏组件焊接技术中，焊丝结构为圆形，因此，入射到焊丝上的光线经焊带、EVA、玻璃反射后，可以再次进入太阳电池进行二次利用。假设EVA 和玻璃的折射率一致，不计EVA的厚度，垂直入射的光经焊带反射后的路径如图 5 所示。

假设入射光线光强为a，入射至焊带上的入射角为r，焊带反射光共分2种：1) 2r< 玻璃全 反射角：焊带反射光由玻璃面透射出去，对太阳电池无贡献。2)2r > 玻璃全反射角：焊带反射光经玻璃全反射后，一部分入射至太阳电池表面，入射角为2r，对太阳电池贡献acos(2r) 的光强； 另一部分直接反射到太阳电池表面。 

假设15金属丝太阳电池焊丝焊接后截面为半圆形，半径为0.15mm，玻璃全反射角为41°。考虑焊带的实际反射率和光反射过程中的损失，经计算，太阳电池对圆形焊带反射光的有效利用率为30%，则圆形焊带反光提升效率为0.03%。同时根据文献可知，串联电阻损失基本相等，因此这里不考虑。

3 结论

本文给出了无主栅太阳电池的栅线设计和效率计算的方法。通过对计算数据进行分析可知， 增加主栅/金属丝数目，尤其是匹配细栅宽度优化，可大幅提升无主栅太阳电池的效率，并且降低正面总体银浆用量。同时，采用圆形金属丝封装技术还可利用光的二次反射，进一步提高光伏组件效率。文中的计算方法和计算结果可为实际生产提供理论支持。

来源：浙江正泰，海宁正泰

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