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叠瓦组件工艺开发之路

作为苏州携创新能源科技有限公司总经理,张雨军在组件工艺技术领域有近10年的实际实战经验。本文为张雨军先生对于叠瓦组件技术作出的相关分享。

叠瓦自2015年在国内GCL开始开发至今到国内国际来说形成真正意义的规模化趋势,确实是一个不错的发展趋势,尤其在高组件转换效率方面,绝对是项创新之举,值得行业和终端客户的青睐。

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开发叠瓦工艺的过程中遇到很多问题和挑战。最早的叠瓦设计实际采用的是锡膏作为连接材料,可是我在安排TC老化就发现明显的弹性不足的问题,电池片断裂失效。在安排载荷测试后我基本直接否决了这个工艺路线。考虑引入不同的材料作为连接导电材料。到今天为止,实际上行业在叠瓦方面有多条路线在推介,但可惜的是国内行业真正了解的只是导电胶的工艺而已。实际针对叠瓦可以采用的工艺设计方向还是有多种方式的,其中我了解的工艺就包括:

①导电胶采用点胶或者印刷,这是目前主流的工艺。

②实际国外也有设计采用非导电胶的设计方向,背面继续保持焊带工艺,但正面就是采用目前的一字型的导电电极。

③另外苏州携创新能源科技有限公司也开发了一款基于焊带工艺的新设计方式。

叠瓦最大的优势就是正面没有焊带,但实际同时最大的短板也是没有焊带,因为没有焊带,所有的细栅线收集电流都是和串长度方向一致的。如果电池片出现任何隐裂只要垂直于串长度方向,就导致细栅线的电流无法收集,这样就导致整体串的电流都形成瓶颈现象。同样如果出现内部的焊接失效,或者接触电阻升高,虚焊,导致局部焊接的电流集中,这也将形成因内而致的电流集中,出现严重的过热即热斑。为此叠瓦电池片正面无焊带最大的优势也造就最大的短板:

第一就是出现隐裂及逐步可能形成断串风险。

第二就是如果出现焊接失效,接触电阻升高,虚焊等,最终也可能形成严重的局部热斑失效。

针对国内目前行业流行的导电胶工艺,尤其选择导电胶材料,这实际也是一个比较矛盾的设计,一方面导电胶是需要非常好的弹性,利用非常好的弹性来解决热胀冷缩应对形变的需求;另外一方面导电胶必须要非常好的导电性能,导电率是关键指标直接影响到工作过程的电性能,也影响到组件的功率。导电率的长期的稳定性更加重要,这是需要25年都必须持续稳定的需求。但实际作为导电胶材料,有不导电的胶水,导电粒子-导电片,导电球等组成。这完全是依靠胶水的粘结形成的接触导电,并不是常规焊接工艺的物理焊接一体的工艺。

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导电率指标和常规的焊带焊接完全不在一个水平,导电率指标差两个数量级别,而且随着时间的推移,胶水受到环境的侵蚀:湿气、应力、温度、形变等疲劳,到底会保持多少的粘结力量这是个未知数。作为真正导电的导电球或者导电片材料,必须要满足不怕环境的侵蚀,采用高纯银球最佳,但这个有非常昂贵。采用目前便宜的铜球外包一点点银粉,短期测试应该可以过,尤其基于当前的IEC测试方式,可能通过但实际这个接触面的变化及最终的接触电阻对组件后期的影响估计还没有被第三方和客户重视。这个对电站客户的长期性能风险提出挑战。为此这个设计就面临如何保障导电胶接触面的持续稳定性,比较提升EVA,背板的高阻水搭配,提升导电胶的粘结稳定性,确保25年常周期的性能一致性。

实际叠瓦组件的设计,同行为了提升最大化组件的转换效率,采用划片工艺多以1/5 或者1/6为主,实际这些同样产生不少叠片的浪费成本。切片数量多,在大组件的尺寸下,也面临组件的串长偏长问题,就二极管对外部热斑遮挡旁路保护上,就需要增加二极管的保护设计,这给叠瓦的组件规模化自动化制作带到挑战,因为在每20多片小电池片就应该有引出线进行二极管的电极电路连接。这个本身实际不是叠瓦自动化串长连续作业的输出,需要单独设计工艺动作,独立来实现引出和连接电路。这个对比常规组件或者半片组件工艺都是比较麻烦的。

随着光伏电站的大量被应用,双面组件在市场逐步成为一种方向,尤其适合大型电站的投资。目前叠瓦组件在这方面就面临调整,因为背面的引出线设计,二极管设计,这些就给背面的充分利用形成遮挡,应用于双面电池片就不是很合适。

叠瓦目前是行业组件转换效率最高的工艺设计产品,但实际大家为了追求高转换效率,大部分都采用部分隐藏式汇流条设计,这确实可以提升组件的转换效率。但这同样对组件在双面电池上及双玻制作应用就带来不利因素。折弯隐藏位置需要增加绝缘隔离条,局部厚度增加不少,这是新填双玻的制程工艺难度和挑战。

叠瓦当前的主要工艺导电胶也面临一个良率的问题,在制造过程中,不可避免的出现返修现象,对导电胶的返修工艺当前也是需要行业研究的。导电胶不能承受高温,采用高温的方式返修是不可取得,返修过程对周边的电池片上导电胶形成二次热影响,加速这种材料的性能衰竭,尤其对环氧胶系列。采用硅胶系列弹性好,返修相当容易。但也面临粘结力量的不足,如果取得平衡这是需要研究的。

整体来看,叠瓦组件设计和工艺有自身的优势,同时也有很多的不足,在没有非常清楚地认知和获得足够的验证数据之前,建议谨慎推进。站在产品设计角度,建议在叠瓦的组件设计上直接采用双玻结构,或者采用背面不透水的金属背板等,这样可以克服目前的断串风险,客户目前的热斑失效背板损坏的风险,最终目的也是阻止外部的环境侵蚀,保持粘结面的结构强度而不出现化学侵蚀或者物理侵蚀等,实现持久的电阻率保持率,最终保障组件的长期衰竭率可控, 但这个就需要牺牲隐藏式汇流条设计,牺牲一点组件转换效率了。

整体当前的成本还是过高,尤其设备的成本居高不小,设备的速度和节拍还是远远无法和常规的串焊机对比,这导致叠瓦的整体综合成本偏高,对应叠瓦的产品面临的市场压缩无法大量的走普及路线。这也请设备公司加快开发力度,加快推动降本让利,最终让行业都得益。

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