【正文】 礎(chǔ)。圖27 優(yōu)化前晶體缺陷增殖過程圖28 優(yōu)化后晶體缺陷的增殖過程 材料微結(jié)構(gòu)研究及先進(jìn)表征技術(shù)的開發(fā)在材料微結(jié)構(gòu)研究及先進(jìn)表征技術(shù)的開發(fā)方面所取得的研究進(jìn)展情況是：集成光致發(fā)光技術(shù)、CCD在線攝像技術(shù)，開發(fā)獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的在線檢測軟件，開發(fā)了能在線表征晶體缺陷、晶界密度、類單晶比例的系統(tǒng)先進(jìn)表征技術(shù)。該系統(tǒng)已在產(chǎn)線規(guī)模化應(yīng)用，處于國際領(lǐng)先水平。具體如下：材料微結(jié)構(gòu)是影響晶體質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，低的缺陷密度一直是光伏材料研究者們追求的目標(biāo)?；诖?，我們除了開發(fā)上述的類單晶工藝，還從材料微結(jié)構(gòu)改善的角度出發(fā)，成功開發(fā)了高效多晶，采用控制均勻形核的方式，通過細(xì)小均勻的晶粒來有效緩解和釋放應(yīng)力，大大地降低了位錯(cuò)密度，提高片源質(zhì)量，使晶錠的少子壽命值從普通多晶的3~4微秒提升到5~6微秒，提升幅度在50%左右，如圖29所示。圖29 (a)為普通晶錠的少子壽命圖，(b)為高效多晶晶錠的少子壽命圖，(c)為兩者的少子壽命分布對(duì)比圖在多晶鑄錠過程中，雖然原料本身具有較高的純度（%），底部晶體易受到來自坩堝（%）的污染，金屬雜質(zhì)含量非常高，降低了底部晶錠的少子壽命，極大地影響了晶錠的整體收率。針對(duì)光伏領(lǐng)域的這一難題，我們發(fā)明了先進(jìn)的雜質(zhì)控制技術(shù)，通過在坩堝底部鋪設(shè)雜質(zhì)阻擋片來極大地提升了晶錠的少子壽命和收率，能降低約15%的鑄錠成本。如圖30所示，按照同一少子壽命截?cái)鄻?biāo)準(zhǔn)，采用坩堝底部雜質(zhì)阻擋技術(shù)后，晶錠收率絕對(duì)值提高了約3個(gè)百分點(diǎn)。圖30 采用雜質(zhì)阻擋技術(shù)前后的晶錠少子壽命截?cái)鄨D。(a)：未采用阻擋技術(shù)；(b)：采用了阻擋技術(shù)晶界密度高低和晶粒大小是評(píng)價(jià)材料微結(jié)構(gòu)最重要的直接表觀現(xiàn)象，行業(yè)內(nèi)長期以來缺乏量化并能在線檢測的技術(shù)。鑄錠單晶曾是行業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)技術(shù)，但長期以來僅靠肉眼來分辨單晶比例，費(fèi)時(shí)且不準(zhǔn)確。我們團(tuán)隊(duì)成員經(jīng)過努力，在線集成了CCD攝像技術(shù)、圖像處理軟件開發(fā)以及模組與在線分選系統(tǒng)的兼容技術(shù)，成功地量化了多晶硅片的晶界密度高低（如圖31所示），快速判斷鑄錠單晶中各晶粒面積比例（如圖32所示），并能搭建在線分選系統(tǒng)，形成了2000pcs/h的檢測和分選能力。圖31 多晶硅片晶界密度檢測圖。(a)為硅片CCD在線成像圖片；(b)為程序換算后晶界分布圖片圖32 鑄錠單晶單晶比例檢測圖。(a)為鑄錠單晶硅片CCD在線成像圖片；(b)為程序換算后的各晶粒大小比例分布圖在當(dāng)前光伏行業(yè)領(lǐng)域，都是以裸硅片的少子壽命來評(píng)價(jià)硅片的質(zhì)量優(yōu)劣。裸硅片具有很高的表面復(fù)合速率（106 cm/s），因此該種體壽命很大程度上都被表面壽命所掩蓋，不能完全真實(shí)地反映硅片的優(yōu)劣。體壽命是硅片微結(jié)構(gòu)和摻雜濃度等的一個(gè)綜合體現(xiàn)，與位錯(cuò)、晶界、雜質(zhì)的種類和分布密切相關(guān)。因此，我們團(tuán)隊(duì)針對(duì)裸片少子壽命表征的缺陷與不足，開發(fā)了一種在線的光致發(fā)光（Photo luminance，簡稱PL）的硅片質(zhì)量表征技術(shù)。根據(jù)PL圖片中各種少子復(fù)合中心的數(shù)目和復(fù)合能力的強(qiáng)弱，結(jié)合各種電池工藝對(duì)少子復(fù)合中心的影響，我們通過定義的Defect value值大小來評(píng)價(jià)硅片質(zhì)量的好壞，建立了該值與電池效率間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系。如圖33所示，裸硅片的少子壽命與電池效率間基本不存在好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但隨著Defect value值的降低，相對(duì)電池效率值呈單調(diào)的上升趨勢。通過該技術(shù)的推廣應(yīng)用，我們可以有效甄別片源好壞，設(shè)定分選標(biāo)準(zhǔn)，提升整體片源的質(zhì)量，~%的提升。圖33 同一批硅片的相對(duì)電池效率與裸硅片少子壽命(a)和Defect value(b)間的關(guān)系圖針對(duì)上述研究結(jié)果，在清晰了鑄錠晶體質(zhì)量演變規(guī)律后，我們依靠先進(jìn)快速的表征技術(shù)，在工藝上進(jìn)行了相應(yīng)的創(chuàng)新。在輔材選擇、鑄錠工藝和電池制備優(yōu)化等方面進(jìn)行改進(jìn)，從整體上改進(jìn)了晶體質(zhì)量，提高了電池效率。3 方向三：高效高可靠組件關(guān)鍵技術(shù)研究%效率的電池，使用先進(jìn)組件封裝工藝，%，組件窗口效率（aperture efficiency）%。%封裝技術(shù)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。超額實(shí)現(xiàn)封裝損失為零的目標(biāo)。 微聚光及封裝材料光學(xué)性能研究 在微聚光及封裝材料光學(xué)性能研究方面所取得的研究進(jìn)展情況是：LCR自主開發(fā)，目前著手產(chǎn)業(yè)化，在保證整體成本持平的前提下，完成組件功率提升5Wp以上；封裝材料光學(xué)性能研究方面已經(jīng)完成了完成的評(píng)估體系，可以針對(duì)不同光譜響應(yīng)的電池，在光學(xué)方面選擇最佳的材料組合； coating calculation軟件建立二維模型，可以針對(duì)組件進(jìn)行SiNx膜的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到最佳輸出效果。處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。具體如下：（1）微聚光研究傳統(tǒng)的平表面焊帶將光線大部分通過鏡面反射離開組件；聚光焊帶LCR（Light Capture Ribbon）%遮光部分，由于LCR上表面的規(guī)則溝槽將光線沿一定的角度反射，經(jīng)玻璃和空氣界面再次反射后到達(dá)電池發(fā)生內(nèi)全發(fā)射，從而達(dá)到微聚光的效果。目前我們開展的LCR自主研發(fā)，已經(jīng)取得了初步的進(jìn)展。銅帶經(jīng)過精密壓制、退火、鍍膜等工藝，使得LCR相對(duì)同厚度傳統(tǒng)平焊帶在組件輸出上有3Wp左右的功率提升。如圖34：圖34 LCR微聚光原理示意圖（2）面向組件端的減反膜優(yōu)化組件封裝后由于從外部環(huán)境到組件的電池內(nèi)部具有以下界面，考慮到折射率的差異，發(fā)生反射的界面包含空氣玻璃減反膜、減反膜玻璃、EVASiNx、SiNxSi界面。折射率不同的兩種材料，在界面上會(huì)發(fā)生不同程度的反射現(xiàn)象，因此各物質(zhì)的折射率、厚度優(yōu)化目標(biāo)要進(jìn)行梯度設(shè)計(jì)，保證封裝后的電池反射率最低?？梢宰儎?dòng)的因素是玻璃減反膜及電池表面的SiNx減反膜。目前面向各種減反射層匹配的研究已基于光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家Pierre Verlinden博士創(chuàng)建的AR Coating Calculation軟件所建立的二維模型，%。如圖35所示，圖片出自O(shè)PTICAL SIMULATION TO ENHANCE PV MODULE ENCAPSULATION。 圖35 組件封裝后各層折射率 公式：界面反射率的計(jì)算公（3）組件端封裝材料優(yōu)化在封裝材料的優(yōu)化上，選擇了差異化EVA材料，電池片受光面的EVA要求按照電池的光譜響應(yīng)，在300~1100nm整個(gè)響應(yīng)區(qū)間內(nèi)都具有高的透過性（圖36）；背面的EVA相對(duì)普通的高反背板材料具有更高的反射性特點(diǎn)（圖37）。通過這些封裝材料的優(yōu)化。圖36 EVA的透射率曲線 圖37 EVA復(fù)合背板后的反射率曲線研究電池間距設(shè)計(jì)與高反射率背板應(yīng)用的關(guān)系，利用高反背板及發(fā)生全發(fā)射的條件提出了優(yōu)化模型，計(jì)算組件中不同電池間距對(duì)應(yīng)的電池功率。在理想模型下，若假設(shè)背板向各方向的散射是均勻的，%可以發(fā)生全反射。根據(jù)這個(gè)理論以及間隙變化引起的組件串聯(lián)電阻和增加綜合計(jì)算，單串片間距、相鄰串間距由2mm、3mm分別變?yōu)?mm、%，%基本持平。而相同間隙情況下，背板的反射率每提高10%，%。在低電阻連接電學(xué)優(yōu)化研究方面所取得的研究進(jìn)展情況是：國內(nèi)最早引入低屈服強(qiáng)度厚焊帶，降低組件的封裝損失1%；切半組件產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，將于2013年Q3實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，同內(nèi)產(chǎn)品填補(bǔ)國際空白，可以降低整體封裝損失2%，且有效利用QQ3電池，降低低檔位比重。處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。具體如下：（1）切半電池組件技術(shù)切半電池組件技術(shù)，屬于組件低電阻連接研究方向的重要子項(xiàng)目。技術(shù)原理方面，由于流經(jīng)互聯(lián)條的電流變成整片電池時(shí)的1/2，因此由互聯(lián)條焊帶引起的功率損耗約變成整片連接時(shí)的1/4，從而有效提高組件端的輸出功率達(dá)5Wp以上。該項(xiàng)技術(shù)工藝方面，是利用激光劃片技術(shù)將電池片均勻切割成兩半，半片經(jīng)過顏色、EL及電性能重新分選，并通過組件端電路連接封裝成組件。目前，工藝優(yōu)化、新機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì)、特別物料設(shè)計(jì)驗(yàn)證等各項(xiàng)工作均已成熟，已達(dá)到可量產(chǎn)水平。如圖38和39所示：圖38電池切半示意圖圖39整片、半片電池組件功率損耗的組成理論分析（單位：W） （2）分體式接線盒技術(shù)如圖40所示，常規(guī)接線盒引起的總的串聯(lián)電阻約為15mΩ左右，通過分體式接線盒的設(shè)計(jì)如圖41所示，組件內(nèi)部的連接方式更加簡單，降低了匯流條串聯(lián)電阻參與互聯(lián)部分的電纜線可以由單根1000mm縮短至單根600mm，另外端子的pin材料選用接觸電阻低的材料，通過以上設(shè)計(jì)，可以累積降低組件Rs 10mΩ，提升60片多晶156*。圖40 常規(guī)接線盒電阻及損耗示意圖 圖41 分體式接線盒在低溫連接技術(shù)研究方面所取得的研究進(jìn)展情況是：LCR與CF、無主柵電池作為一體化解決方案，目前屬于國內(nèi)領(lǐng)先水平。正在基于此進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化研究。處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。具體如下：對(duì)于組件的常規(guī)焊接方式，由于焊帶表面通常采用60Sn40Pb的涂層，未使電池相互之間產(chǎn)生連接，通常使用自動(dòng)或手工接觸式焊接的方法，焊接過程中產(chǎn)生的熱量必須使得涂層熔化凝固，與電池的電極形成新的合金，因此工藝溫度必須在涂層附近的溫度約在270~280℃區(qū)間內(nèi)，由于電池、焊帶的熱膨脹系數(shù)相差6倍，故在焊接冷卻過程中會(huì)引起很大的熱應(yīng)力。高效組件使用的微聚光技術(shù)引入了LCR，其表面涂層為Ag或者Al等高反射率、高電導(dǎo)率的金屬，該鍍層本身為高熔點(diǎn)金屬，故低溫連接工藝。低溫連接工藝，即在約180℃、2MPa的工藝條件下，通過導(dǎo)電膠CF作為中介物，使焊帶、電池分別于CF形成有效的歐姆接觸，并且有效地降低了連接過程中的熱應(yīng)力。低溫連接工藝，無需熔化焊帶表面涂層，不形成焊接合金層，可以完全保持LCR表層固有的微聚光結(jié)構(gòu)，該制程工藝產(chǎn)品可通過可靠性試驗(yàn)。如圖42所示：圖42 導(dǎo)電膠低溫連接示意圖在太陽電池電性能匹配性研究與組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面所取得的研究進(jìn)展情況是：建立Mismatch模擬模型，依據(jù)室內(nèi)室外實(shí)際測試結(jié)果，提出了更精細(xì)化的電池分選方案和組件裝箱方案，%以下，并有效避免熱斑問題；系統(tǒng)工程方面，通過分檔裝箱，使系統(tǒng)發(fā)電量因失配造成的損失控制在2%以內(nèi)，并持續(xù)優(yōu)化。處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。具體如下：減少封裝功率損耗、降低電池實(shí)際工作溫度與接線盒中二極管結(jié)溫，提高組件可靠性與實(shí)際發(fā)電量。研究不同電池的電流不匹配性能。電池電流失配會(huì)影響組件輸出功率，不同的失配比例，以TSMPC05系列組件為例，實(shí)驗(yàn)室對(duì)幾種常見的電流失配模式進(jìn)行了模擬和實(shí)際測試：一片電池電流失配3%，5%，10%，20%，50%，80%。圖43所示三片失配的電池混在一個(gè)旁路中，失配比例3%，5%，10%，20%，50%，80%。圖44所示三片失配的電池分別混在三個(gè)旁路中，失配比例3%，5%，10%，20%，50%，80%。圖45所示圖43 一片電池電流失配的IV曲線圖44三片失配的電池混在一個(gè)旁路中電流失配的IV曲線圖45 三片失配的電池分別混在三個(gè)旁路中電流失配的IV曲線表14顯示為實(shí)際測試數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示三片失配的電池分別混在三個(gè)旁路中的情況對(duì)組件功率的影響最大，一個(gè)旁路中失配一片電池與三片電池區(qū)別不大。電流失配比例在5%以內(nèi)時(shí)，對(duì)電池封裝損失影響較小，電流失配比例在10%以上時(shí)，電池封裝損失會(huì)大幅提高。表14失配電池的實(shí)際測試數(shù)據(jù)通過組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了電池實(shí)際工作溫度與接線盒中二極管結(jié)溫，提高組件可靠性。組件散熱主要靠熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射：熱傳導(dǎo)：由于現(xiàn)有組件很難在短時(shí)間內(nèi)對(duì)封裝材料做顛覆性的改動(dòng)，所以熱傳導(dǎo)改善的空間很小。 熱對(duì)流：使用表面呈凹凸型的背部增加散熱面積是很好的研究方向。熱輻射：使用反射率高的背板，減少地表或外界對(duì)組件的熱輻射。對(duì)業(yè)內(nèi)最常用的幾款背板及天合特殊要求的幾款背板做反射率測試，曲線如圖46所示。天合采用散熱優(yōu)化后的背板，已經(jīng)使得組件產(chǎn)品NOCT從46度降低至44~45度。圖46 背板的反射曲線通常接線盒處的溫度比較高，如圖47所示。一方面是接線盒在背部影響了電池散熱，另一方面就是接線盒旁通二極管發(fā)熱。研究后發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)組件中出現(xiàn)大比例的電流失配或陰影遮擋時(shí)，旁通二極管才會(huì)導(dǎo)通，從而過熱。因此，對(duì)于組件端，實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)格控制電流失配比例在3%以下；接線盒每路旁通二極管從一個(gè)改為并聯(lián)的兩個(gè)，使得流過每個(gè)旁通二級(jí)管的電流下降一半，從而降低二極管溫度，即使出現(xiàn)陰影遮擋等異常情況時(shí)，接線盒也不會(huì)過熱。圖47 接線盒溫度分布研究涂錫銅帶的串聯(lián)電阻對(duì)太陽電池組件封裝功率影響。組件中各組成部分引起的歐姆損耗所占比重如圖48所示。由于涂錫銅帶尤其是互聯(lián)條引起的歐姆損耗所占比重最大，*，達(dá)到整個(gè)組件歐姆損耗的54%，所以互聯(lián)條的改進(jìn)成為低電阻連接項(xiàng)目的重點(diǎn)?？紤]到組件成型后不允許產(chǎn)生額外的隱裂，除了一味提高互聯(lián)條的橫截面積外，要求互聯(lián)條的屈服強(qiáng)度也要控制在80MPa以下，這樣焊接過程中不會(huì)引起多大的翹曲。由此開發(fā)出了低屈服強(qiáng)度厚焊帶，%。由于歐姆損耗的下降，℃左右的降低。圖48 組件中各部分引起歐姆損耗的比重研究電池間距設(shè)計(jì)與高反射率背板應(yīng)用的關(guān)系，利用高反背板及發(fā)生全發(fā)射的條件提出了優(yōu)化模型，計(jì)算組件中不同電池間距對(duì)應(yīng)的電池功率。在理想模型下，若假設(shè)背板向各方向的散射是均勻的，%可以發(fā)生全反射。根據(jù)這個(gè)理論以及間隙變化引起的組件串聯(lián)電阻和增加綜合計(jì)算，單串片間距、串串間距由2mm、3mm分別變?yōu)?mm、%，%基本持平。而相同間隙情況下，背板的反射率每提高10%，%。為實(shí)現(xiàn)符合ROHS標(biāo)準(zhǔn)組件的電池片無鉛焊接工藝。無鉛焊帶與導(dǎo)電膠低溫焊接工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)RoHs標(biāo)準(zhǔn)組件的生產(chǎn)。如圖49的示意圖，無鉛焊接及傳統(tǒng)有鉛焊接的主要特點(diǎn)見表15?！孀笥?，且可焊性差，故采用低溫導(dǎo)電膠電池連接工藝（180℃）替代電池正常焊接工藝，無需融化形成焊接合金層，就可以通過CF（導(dǎo)電膠）形成有效的連接，產(chǎn)品可以通過可靠性試驗(yàn)。圖49 導(dǎo)電膠焊接與無鉛焊接示意圖表15 錫中是否含鉛對(duì)組件性能的對(duì)比焊帶類型含鉛無鉛可焊性延展性好,不易脆裂延展性差,接觸不好.熔點(diǎn)及熱應(yīng)力熔點(diǎn)低熔點(diǎn)高,導(dǎo)致焊接溫度很高；電池片容易崩裂。產(chǎn)生銀漿與電池片脫離。焊點(diǎn)特性熔化后活性好,有利于焊接熔化后活性差,接觸不好；容易產(chǎn)生很大的接觸性電阻。4 方向四：智能化與建筑一體化組件與系統(tǒng) 研究智能化組件的MPPT