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疊瓦組件工藝開發之路

作為蘇州攜創新能源科技有限公司總經理,張雨軍在組件工藝技術領域有近10年的實際實戰經驗。本文為張雨軍先生對于疊瓦組件技術作出的相關分享。

疊瓦自2015年在國內GCL開始開發至今到國內國際來說形成真正意義的規模化趨勢,確實是一個不錯的發展趨勢,尤其在高組件轉換效率方面,絕對是項創新之舉,值得行業和終端客戶的青睞。

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開發疊瓦工藝的過程中遇到很多問題和挑戰。最早的疊瓦設計實際采用的是錫膏作為連接材料,可是我在安排TC老化就發現明顯的彈性不足的問題,電池片斷裂失效。在安排載荷測試后我基本直接否決了這個工藝路線。考慮引入不同的材料作為連接導電材料。到今天為止,實際上行業在疊瓦方面有多條路線在推介,但可惜的是國內行業真正了解的只是導電膠的工藝而已。實際針對疊瓦可以采用的工藝設計方向還是有多種方式的,其中我了解的工藝就包括:

①導電膠采用點膠或者印刷,這是目前主流的工藝。

②實際國外也有設計采用非導電膠的設計方向,背面繼續保持焊帶工藝,但正面就是采用目前的一字型的導電電極。

③另外蘇州攜創新能源科技有限公司也開發了一款基于焊帶工藝的新設計方式。

疊瓦最大的優勢就是正面沒有焊帶,但實際同時最大的短板也是沒有焊帶,因為沒有焊帶,所有的細柵線收集電流都是和串長度方向一致的。如果電池片出現任何隱裂只要垂直于串長度方向,就導致細柵線的電流無法收集,這樣就導致整體串的電流都形成瓶頸現象。同樣如果出現內部的焊接失效,或者接觸電阻升高,虛焊,導致局部焊接的電流集中,這也將形成因內而致的電流集中,出現嚴重的過熱即熱斑。為此疊瓦電池片正面無焊帶最大的優勢也造就最大的短板:

第一就是出現隱裂及逐步可能形成斷串風險。

第二就是如果出現焊接失效,接觸電阻升高,虛焊等,最終也可能形成嚴重的局部熱斑失效。

針對國內目前行業流行的導電膠工藝,尤其選擇導電膠材料,這實際也是一個比較矛盾的設計,一方面導電膠是需要非常好的彈性,利用非常好的彈性來解決熱脹冷縮應對形變的需求;另外一方面導電膠必須要非常好的導電性能,導電率是關鍵指標直接影響到工作過程的電性能,也影響到組件的功率。導電率的長期的穩定性更加重要,這是需要25年都必須持續穩定的需求。但實際作為導電膠材料,有不導電的膠水,導電粒子-導電片,導電球等組成。這完全是依靠膠水的粘結形成的接觸導電,并不是常規焊接工藝的物理焊接一體的工藝。

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導電率指標和常規的焊帶焊接完全不在一個水平,導電率指標差兩個數量級別,而且隨著時間的推移,膠水受到環境的侵蝕:濕氣、應力、溫度、形變等疲勞,到底會保持多少的粘結力量這是個未知數。作為真正導電的導電球或者導電片材料,必須要滿足不怕環境的侵蝕,采用高純銀球最佳,但這個有非常昂貴。采用目前便宜的銅球外包一點點銀粉,短期測試應該可以過,尤其基于當前的IEC測試方式,可能通過但實際這個接觸面的變化及最終的接觸電阻對組件后期的影響估計還沒有被第三方和客戶重視。這個對電站客戶的長期性能風險提出挑戰。為此這個設計就面臨如何保障導電膠接觸面的持續穩定性,比較提升EVA,背板的高阻水搭配,提升導電膠的粘結穩定性,確保25年常周期的性能一致性。

實際疊瓦組件的設計,同行為了提升最大化組件的轉換效率,采用劃片工藝多以1/5 或者1/6為主,實際這些同樣產生不少疊片的浪費成本。切片數量多,在大組件的尺寸下,也面臨組件的串長偏長問題,就二極管對外部熱斑遮擋旁路保護上,就需要增加二極管的保護設計,這給疊瓦的組件規模化自動化制作帶到挑戰,因為在每20多片小電池片就應該有引出線進行二極管的電極電路連接。這個本身實際不是疊瓦自動化串長連續作業的輸出,需要單獨設計工藝動作,獨立來實現引出和連接電路。這個對比常規組件或者半片組件工藝都是比較麻煩的。

隨著光伏電站的大量被應用,雙面組件在市場逐步成為一種方向,尤其適合大型電站的投資。目前疊瓦組件在這方面就面臨調整,因為背面的引出線設計,二極管設計,這些就給背面的充分利用形成遮擋,應用于雙面電池片就不是很合適。

疊瓦目前是行業組件轉換效率最高的工藝設計產品,但實際大家為了追求高轉換效率,大部分都采用部分隱藏式匯流條設計,這確實可以提升組件的轉換效率。但這同樣對組件在雙面電池上及雙玻制作應用就帶來不利因素。折彎隱藏位置需要增加絕緣隔離條,局部厚度增加不少,這是新填雙玻的制程工藝難度和挑戰。

疊瓦當前的主要工藝導電膠也面臨一個良率的問題,在制造過程中,不可避免的出現返修現象,對導電膠的返修工藝當前也是需要行業研究的。導電膠不能承受高溫,采用高溫的方式返修是不可取得,返修過程對周邊的電池片上導電膠形成二次熱影響,加速這種材料的性能衰竭,尤其對環氧膠系列。采用硅膠系列彈性好,返修相當容易。但也面臨粘結力量的不足,如果取得平衡這是需要研究的。

整體來看,疊瓦組件設計和工藝有自身的優勢,同時也有很多的不足,在沒有非常清楚地認知和獲得足夠的驗證數據之前,建議謹慎推進。站在產品設計角度,建議在疊瓦的組件設計上直接采用雙玻結構,或者采用背面不透水的金屬背板等,這樣可以克服目前的斷串風險,客戶目前的熱斑失效背板損壞的風險,最終目的也是阻止外部的環境侵蝕,保持粘結面的結構強度而不出現化學侵蝕或者物理侵蝕等,實現持久的電阻率保持率,最終保障組件的長期衰竭率可控, 但這個就需要犧牲隱藏式匯流條設計,犧牲一點組件轉換效率了。

整體當前的成本還是過高,尤其設備的成本居高不小,設備的速度和節拍還是遠遠無法和常規的串焊機對比,這導致疊瓦的整體綜合成本偏高,對應疊瓦的產品面臨的市場壓縮無法大量的走普及路線。這也請設備公司加快開發力度,加快推動降本讓利,最終讓行業都得益。

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