近十年來(lái)，在業(yè)內(nèi)同行的努力下，晶體硅光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率一路上升，由本世紀(jì)最初幾年的15%到現(xiàn)在的接近20%，越來(lái)越接近單結(jié)晶體硅電池的理想計(jì)算效率。但是在將光伏電池組裝成光伏組件時(shí)，由于光路的損耗、面積的損耗、以及串聯(lián)電阻的損耗，往往使光伏組件的轉(zhuǎn)換效率低于光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。為了達(dá)到讓光伏組件的轉(zhuǎn)換效率接近甚至超過(guò)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率，除了減少由于封裝引起的各種損耗外，還應(yīng)當(dāng)在封裝過(guò)程中設(shè)法增加電池接收到的有效光能。

從背板材料上考慮，使組件背板不僅承擔(dān)對(duì)電池和環(huán)境的有效防護(hù)和隔離的功能，而且為增加電池有效接收光輻射做出貢獻(xiàn)，從而達(dá)到最終提高光伏組件可靠性、增加電功率輸出的目的。

為了達(dá)到這個(gè)目的，首先分析一下光伏組件封裝的功率損失和可能的增益，示意如圖1：

圖1 光伏組件封裝的能量損失和增益

圖1中，假設(shè)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率是20%，封裝成組件后，首先，由于組件面積大于電池總面積，損失了2個(gè)百分點(diǎn)的全面積效率;其次，由于玻璃的透光吸收損失了0.5個(gè)百分點(diǎn);EVA膠膜透光吸收損失0.5個(gè)百分點(diǎn);第三，互聯(lián)條/匯流引出條的電阻損失1個(gè)百分點(diǎn)。總共損失了約4個(gè)百分點(diǎn)。

增益方面，第一，電池經(jīng)封裝后，由玻璃表面膜-玻璃-EVA-電池鈍化膜-硅形成一個(gè)變折射率的光學(xué)系統(tǒng)，這樣一個(gè)系統(tǒng)可以減少電池表面的光反射，一般越是表面反射率高的電池，這個(gè)增益越顯著。目前常規(guī)工藝的晶體硅電池，這個(gè)增益可達(dá)到1.5個(gè)百分點(diǎn);

圖2 光伏組件的光路系統(tǒng)有助于降低總反射率

第二，背板的反射率也有助于增加電池的光吸收，來(lái)不及吸收便透過(guò)電池的長(zhǎng)波紅光和近紅外光經(jīng)背板反射會(huì)再次進(jìn)入電池激發(fā)載流子。電池片間隙處的入射光也會(huì)再次經(jīng)反射進(jìn)入電池，這一塊大約增加了1個(gè)百分點(diǎn)的效率。

這樣算下來(lái)，20%的光伏電池到這兒為止，大概光伏組件的效率就剩17.5%了。要增加光伏組件的電能輸出，就應(yīng)該減少封裝損失，增加封裝增益。換句話說(shuō)，只要我們把以上幾個(gè)環(huán)節(jié)做好，該減少的減少，能提升的提升，光伏組件的效率就能達(dá)到17.5%以上。

但是，要想使光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)電池的轉(zhuǎn)換效率，光靠挖掘以上潛力還是不夠的，我們還要借助于光裁減技術(shù)。所謂光裁減技術(shù)，就是通常所說(shuō)的長(zhǎng)波光的上轉(zhuǎn)換技術(shù)和短波光的下轉(zhuǎn)換技術(shù)。把個(gè)技術(shù)做好了，再把其他的技術(shù)做好了，則光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率就完全有可能超過(guò)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率。分別討論如下。

一、減少光伏組件的非活性面積

光伏電池在組件中封裝時(shí)預(yù)留的間隙主要是考慮帶電元件與導(dǎo)體間的爬電距離要求和工藝實(shí)現(xiàn)的要求。工藝實(shí)現(xiàn)要求留出電池片互聯(lián)條上下穿過(guò)的間隙，不使電池片間直接短路，不使有一定截面積的互聯(lián)條在電池邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。為了使互聯(lián)條不在電池的邊緣產(chǎn)生附加應(yīng)力，電池片間一般要留2-3mm的間隙;爬電距離則是電氣法規(guī)的要求留出的。

現(xiàn)在大家都在做1500V系統(tǒng)電壓的光伏組件，而且經(jīng)過(guò)論證，說(shuō)明1500V系統(tǒng)電壓的光伏電站，特別是大型荒漠電站，比1000V系統(tǒng)電壓的光伏電站要節(jié)省好多材料費(fèi)用和安裝費(fèi)用，提高變電系統(tǒng)的傳輸、轉(zhuǎn)換效率，經(jīng)濟(jì)效益還是比較明顯的。但是系統(tǒng)電壓的提高對(duì)光伏組件的爬電距離的要求也明顯提高了。

1000V系統(tǒng)電壓的光伏組件，設(shè)計(jì)爬電距離是8.4mm乘一個(gè)安全系數(shù)，一般要求是15mm-16mm。如果是1500V系統(tǒng)電壓的組件，這個(gè)距離就是25mm。這個(gè)距離的增大，必然減小光伏組件的非活性(也就是不發(fā)電的)面積，降低組件了的光電轉(zhuǎn)換效率。

正在討論中的UL/TUV標(biāo)準(zhǔn)(圖3)中，給出了減小這一距離的必要條件，這就是組件的聚合物背板要具有更高級(jí)別的CTI測(cè)試值，獲得更高的IPT值。大家知道，一般的聚合物手冊(cè)中或聚合物薄膜供應(yīng)商給出的PE、PO、PVDF、PET等材料的CTI值不超過(guò)400V。明冠新材料科技有限公司因?yàn)槭亲约荷a(chǎn)的背板內(nèi)層PO/PE膜，可以通過(guò)調(diào)整配方和工藝達(dá)到提高背板CTI值的目的，公司1500V系統(tǒng)電壓光伏組件背板，在行業(yè)內(nèi)率先通過(guò)了最高級(jí)別的600VCTI測(cè)試，為希望通過(guò)開(kāi)發(fā)1500V系統(tǒng)電壓光伏組件，獲得1500V光伏系統(tǒng)高效、高可靠、低成本的優(yōu)點(diǎn)，又不想增加光伏組件尺寸、不希望降低光伏組件效率的的光伏組件生產(chǎn)商提供了一個(gè)選項(xiàng)(圖3)。

圖3 討論中的UL/TUV的標(biāo)準(zhǔn)

但是，如果我們進(jìn)一步思考，這個(gè)討論中的標(biāo)準(zhǔn)也是存在明顯不足的。標(biāo)準(zhǔn)的出發(fā)點(diǎn)認(rèn)為認(rèn)為EVA不屬于絕緣材料，于是，這個(gè)間隙是按照空氣介質(zhì)計(jì)算出來(lái)的。這顯然不夠合理，再怎么說(shuō)，我們也不能把EVA看成空氣啊!空氣的電離導(dǎo)電和EVA材料由于分解帶來(lái)的體電阻率降低漏電流增大的導(dǎo)電機(jī)理有著本質(zhì)的不同。假如真是空氣的話，實(shí)際上那就不是爬電距離的問(wèn)題了，在濕絕緣測(cè)試中整個(gè)就是一個(gè)漏電的問(wèn)題，無(wú)法通過(guò)濕絕緣漏電測(cè)試。因此這個(gè)規(guī)定不夠科學(xué)，應(yīng)該改進(jìn)。

由于EVA材料的易水解性，不作為絕緣材料處理是可以的，但是也不宜當(dāng)成空氣處理，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)更科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法。在這里我們可以借鑒IEC60664-4標(biāo)準(zhǔn)的做法，對(duì)光伏組件邊緣的EVA設(shè)計(jì)一個(gè)符合使用條件下可能預(yù)見(jiàn)的破壞機(jī)理的嚴(yán)酷實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下，只要EVA的絕緣破壞，實(shí)驗(yàn)即不通過(guò)。

減少組件非活性面積的另一個(gè)途徑是減小電池片間的間距，常規(guī)的電池組件很難做到這一點(diǎn)。因?yàn)橐獪p小組件內(nèi)部的串聯(lián)電阻，必然會(huì)增加互聯(lián)條的截面積，為了減少互聯(lián)條的遮光面積就要減小互聯(lián)條的寬度，增加厚度，厚度增加必然使連接應(yīng)力增加，為了減小這個(gè)應(yīng)力，電池片間的距離就不能太小。

然而對(duì)于全背電極電池(包括IBC電池、MWT電池)而言，由于其正、負(fù)電極全部由電池背面引出，配合具有預(yù)制電路圖形的背板，既有電池片相對(duì)準(zhǔn)確的定位，又省去了穿上穿下的互聯(lián)條，所以這個(gè)間隙可以做的很小。全背電極電池組件的封裝背板見(jiàn)圖4。這是我們?nèi)畴姌O電池(IBC、MWT)組件用背板的一個(gè)樣品局部。該背板具有串聯(lián)電阻低、背反射率高、透水、透氣率低等特點(diǎn)，幫助電池組件提高組裝效率。

圖4 全背電極電池組件背板電路(局部)

二、構(gòu)建一個(gè)好的光學(xué)系統(tǒng)

太陽(yáng)光譜曲線如圖5所示，在這里我們?yōu)榱嗣枋龊陀?jì)算方便起見(jiàn)，將常見(jiàn)的太陽(yáng)光的能量譜轉(zhuǎn)換為量子譜，這是因?yàn)樵诂F(xiàn)有技術(shù)范圍內(nèi)，通常一個(gè)能量高于半導(dǎo)體材料帶隙寬度的光量子，只能激發(fā)出一對(duì)電子-空穴對(duì)，我們且將這些光子稱為有效光子。在一個(gè)輻照平面內(nèi)太陽(yáng)光所能產(chǎn)生的電流，與該輻照面內(nèi)陽(yáng)光的有效光子的數(shù)量成正比。圖5中光譜曲線和橫軸所圍成的面積直接與該面積波長(zhǎng)范圍內(nèi)的有效光量子數(shù)成正比。

圖5 AM1.5太陽(yáng)光量子譜圖

圖6 有效吸收不同波長(zhǎng)陽(yáng)光所需的硅片厚度

硅是間接帶隙半導(dǎo)體材料，有效光子激發(fā)硅中的電子躍遷至較高能級(jí)時(shí)除了有能量的變化外，而且有動(dòng)量的改變，因此有效吸收入射光所需要的硅片厚度遠(yuǎn)比直接帶隙的半導(dǎo)體材料所需的厚度大得多。假設(shè)太陽(yáng)光垂直入射到硅片，則圖6表示的是入射光子被有效吸收與所需硅片厚度的關(guān)系。其中橫坐標(biāo)表示入射光的波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)代表有效吸收該波長(zhǎng)的光子所需要的硅晶體的厚度。

從圖中可見(jiàn)，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)的波長(zhǎng)為1000nm時(shí)，需要190μm的有效硅片厚度，當(dāng)光子的波長(zhǎng)為1100nm也就是硅的極限吸收波長(zhǎng)時(shí)，所需硅片的厚度已經(jīng)達(dá)到4600μm。也就是說(shuō)為了有效吸收1000nm~1100nm的近紅外光，需要的硅片厚度是4.6mm。

這個(gè)厚度對(duì)于實(shí)際的電池來(lái)說(shuō)這顯然是不現(xiàn)實(shí)的，一方面會(huì)消耗大量的硅材料，另一方面由于硅中載流子壽命(或擴(kuò)散長(zhǎng)度)的限制、硅材料體電阻的限制，用如此之厚的硅片做電池其效率的提高顯然是得不償失的。從圖5面積的估算，1000nm~1100nm波段的量子數(shù)占陽(yáng)光中有效量子數(shù)的約14.5%，充分利用這個(gè)波段的光量子，在提高光伏電池、光伏組件轉(zhuǎn)換效率中占有重要地位。