晶硅電池正面電極：從多主柵到無(wú)主柵

太陽(yáng)能電池的正面設(shè)計(jì)交織著太多的優(yōu)化、約束和妥協(xié)，這里也因此成了廠(chǎng)家專(zhuān)利申請(qǐng)和設(shè)備制造商新技術(shù)研發(fā)的必爭(zhēng)之地。傳統(tǒng)晶硅電池正面采用銀質(zhì)的細(xì)柵和主柵將電池產(chǎn)生的電能收集并傳到出去。為什么最近幾年陸續(xù)有廠(chǎng)家嘗試將主柵數(shù)量從2根提到到3、4甚至是5根？究竟主柵的數(shù)量在多少合適？為什么Schmid，Meyer Burger和GT Advanced Technology都提出了自己的無(wú)主柵正面金屬化方案？近幾年來(lái)，太陽(yáng)能電池主柵的數(shù)量成為人們口中的熱門(mén)話(huà)題。電池廠(chǎng)商從提高效率的角度將主柵從2根提高到3跟甚至5根，而設(shè)備制造商從降低成本的角度出發(fā)也打起了主柵數(shù)量的主意，將原本焊接在銀主柵上的焊帶替換為銅電極并一口氣將數(shù)量提升到十幾條甚至幾十條。為做區(qū)分，本文將這兩種提高主柵數(shù)量的技術(shù)路線(xiàn)分別稱(chēng)為多主柵和無(wú)主柵技術(shù)，兩個(gè)技術(shù)殊途同歸，擁有高性能和低成本兩方面優(yōu)勢(shì)，本文將向你介紹這一技術(shù)發(fā)展的前世今生。電極的設(shè)計(jì)太陽(yáng)光從電池正面進(jìn)入電池，正面的金屬電極會(huì)遮擋一部分硅片，這部分照在電極上的光能也就無(wú)法轉(zhuǎn)變成電能，從這個(gè)角度看，我們希望柵線(xiàn)做的越細(xì)越好。而柵線(xiàn)的責(zé)任在于傳導(dǎo)電流，從電阻率的角度分析，柵線(xiàn)越細(xì)則導(dǎo)電橫截面積越小，電阻損失越大。因此主柵和副柵設(shè)計(jì)的核心是在遮光和導(dǎo)電之間取得平衡。此外，由于制作柵線(xiàn)的漿料主要成分為價(jià)格較高的貴金屬銀，而將電池串聯(lián)為組件的過(guò)程中需要將一片電池的主柵通過(guò)焊帶與相鄰電池的背面焊接。因此電池正面電極的設(shè)計(jì)還牽扯成本和焊接工藝等復(fù)雜的方面。正是在種種妥協(xié)下，在5寸硅片占市場(chǎng)主流的歲月中，晶硅電池的電極設(shè)計(jì)都保持著人們印象中的細(xì)柵配合2條主柵的結(jié)構(gòu)。隨著近年來(lái)硅片尺寸的變大，細(xì)柵長(zhǎng)度被迫加長(zhǎng)；而隨著網(wǎng)印技術(shù)的改進(jìn)，網(wǎng)印柵線(xiàn)越做越細(xì)；最后近年來(lái)硅片成本大幅下滑后，用于正面電極的銀漿材料在電池生產(chǎn)成本中的份額逐漸提升。這些因素都對(duì)電池正面電極的設(shè)計(jì)提出了新的要求。電池廠(chǎng)商的“維新”在上述背景下，電池廠(chǎng)商選擇了一條“維新”式的技術(shù)升級(jí)之路解決正面電極設(shè)計(jì)的新問(wèn)題。日本的京瓷成了其中第一個(gè)吃螃蟹的制造商。雖然京瓷2013年在全球組件供應(yīng)商排行中僅排名第九，太陽(yáng)能也不是京瓷的目前的主營(yíng)業(yè)務(wù)，但其實(shí)京瓷早在1975就開(kāi)始進(jìn)入太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)，并在1998年成為當(dāng)時(shí)全球產(chǎn)量最多的太陽(yáng)能制造商。進(jìn)入20世紀(jì)初，京瓷的研發(fā)人員遇到了這樣一個(gè)問(wèn)題，為了進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的效率，他們嘗試采用更細(xì)的主柵和細(xì)柵增加電池的有效受光面積，但由于之前介紹過(guò)的原理，隨著電極變細(xì)串聯(lián)電阻提高，電池的填充因子也因此降低。為了解決這一矛盾，京瓷尋找到的解決方案是增加主柵的數(shù)量。這樣不但可以減少電流在細(xì)柵中經(jīng)過(guò)的距離，還減少了每條主柵自身承載的電流。意味著3主柵結(jié)構(gòu)在電池層面可以配合更細(xì)的柵線(xiàn)而不會(huì)顯著影響填充因子，增加主柵的數(shù)量對(duì)減小電池組串后的電阻同樣有效。京瓷稱(chēng)自己的3主柵電池“不但增大了有效受光面積，相比與傳統(tǒng)2主柵電池，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的3主柵電池電阻損耗更小，效率更高。”隨后，京瓷也為自己的3主柵設(shè)計(jì)申請(qǐng)了專(zhuān)利。遵循同樣的思路，三菱在2009年推出擁有四條主柵的太陽(yáng)能電池。2012年，業(yè)界傳出京瓷將憑借自身專(zhuān)利限制采用同類(lèi)的3主柵產(chǎn)品在日本銷(xiāo)售，雖然這一專(zhuān)利最終并沒(méi)有顯現(xiàn)出蘋(píng)果“圓角矩形”在手機(jī)行業(yè)那般的威力，但仍然在行業(yè)內(nèi)敲響了專(zhuān)利的警鐘。隨著時(shí)間邁入2013年，越來(lái)越多的電池制造商在專(zhuān)利或效率的壓力下開(kāi)始了增加主柵數(shù)量的嘗試，力諾光伏、中利騰輝、尚德、阿特斯和海潤(rùn)先后推出了自己的四主柵電池或組件產(chǎn)品，而中電電氣更是直接推出了名為Waratah的5主柵系列電池和組件。這里我們將主柵數(shù)量大于3但仍保留傳統(tǒng)設(shè)計(jì)原則的電極設(shè)計(jì)稱(chēng)為多主柵結(jié)構(gòu)。但在傳統(tǒng)網(wǎng)印電池生產(chǎn)的框架下，主柵數(shù)量增加確實(shí)可以減小電阻損耗，但有其限制之處。若想在減小電阻的同時(shí)不至于增加遮光損失和材料成本，就要像當(dāng)初京瓷那樣減小柵線(xiàn)的寬度。但細(xì)柵的寬度受制于網(wǎng)印的工藝，而主柵又因?yàn)檫€肩負(fù)著連接焊帶的責(zé)任而無(wú)法太細(xì)，太細(xì)的主柵將造成焊接的困難，無(wú)法保證焊接拉力。這也是我們現(xiàn)在并沒(méi)有看到太多的量產(chǎn)的多主柵類(lèi)型的產(chǎn)品的根本原因。其實(shí)康斯坦茨大學(xué)的研究人員早已通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，即使不考慮銀漿成本，在主柵寬度一定的情況下（1.4mm），在組件層面來(lái)看，4主柵就是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)了。超過(guò)4條主柵后，額外主柵帶來(lái)的遮光損失將超過(guò)它減少的電阻損失。而如果主柵寬度是根據(jù)數(shù)量?jī)?yōu)化且不受工藝限制的話(huà)，那組件效率會(huì)隨著主柵數(shù)量的提高和寬度的減少而提高。通過(guò)這樣的分析我們不難看出，若是想進(jìn)一步發(fā)掘提高主柵數(shù)量的潛力，就必須將主柵匯流和焊接的職能區(qū)分開(kāi)，進(jìn)而使用更多更細(xì)的主柵。設(shè)備制造商的“革新”更多更細(xì)的主柵正是同一時(shí)期設(shè)備制造商給出的答案。廠(chǎng)商從新技術(shù)降低生產(chǎn)成本帶動(dòng)設(shè)備銷(xiāo)售的角度出發(fā)，以減少銀在太陽(yáng)能電池工藝中的使用為目標(biāo)，選擇了另外一條相對(duì)“激進(jìn)”但眼光更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的路徑。通過(guò)新的設(shè)計(jì)，主柵可直接鏈接到相鄰電池的背面而無(wú)需搭配焊帶，雖然與電池廠(chǎng)商的“維新”一樣提高主柵的數(shù)量，但其不再局限于漸進(jìn)式的從2增加到5，而是直接增加到兩位數(shù)。由于主柵更密集，電流在細(xì)柵上傳到的距離大大縮短，這意味著主柵和細(xì)柵都可以做的更細(xì)更薄，導(dǎo)電性等相對(duì)弱一些但價(jià)格更低的材料也有機(jī)會(huì)擺脫冷板凳。由于這一類(lèi)技術(shù)中主柵其實(shí)更可以看作是替代了傳統(tǒng)焊帶的角色，讓更多更細(xì)的焊帶直接鏈接電池細(xì)柵，匯集電流的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電池互連，在電池層面取消了傳統(tǒng)的主柵，我們將這一類(lèi)技術(shù)稱(chēng)之為“無(wú)主柵”（busbar-free）技術(shù)。目前市面上出現(xiàn)的無(wú)主柵技術(shù)基本遵循以下設(shè)計(jì)。保留傳統(tǒng)的第一步正面網(wǎng)印，在電池上制作底層的柵線(xiàn)，我們?nèi)宰裱瓊鹘y(tǒng)稱(chēng)其為細(xì)柵。而后通過(guò)不同的方法將多條垂直于細(xì)柵的柵線(xiàn)覆蓋在其上，形成交叉的導(dǎo)電網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，為介紹方便，我們?nèi)耘f稱(chēng)呼第二層?xùn)啪€(xiàn)為主柵。主柵的材料目前多為銅線(xiàn)。其具體技術(shù)又各有不同，各家也有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。無(wú)主柵技術(shù)對(duì)比最早提出無(wú)主柵概念的是加拿大電池和組件公司Day4 Energy，該公司在2008年就獲得了后來(lái)被稱(chēng)為Day4 Electrode的專(zhuān)利技術(shù)。該技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)電池工藝的革新體現(xiàn)在金屬化和互連兩個(gè)工藝中，電池在PECVD減反射鍍層后網(wǎng)印細(xì)柵，而后不網(wǎng)印主柵，而是將一層內(nèi)嵌銅線(xiàn)的聚合物薄膜覆蓋在電池正面，如圖一所示。這層薄膜內(nèi)嵌的銅線(xiàn)表面也鍍有特別的低熔點(diǎn)金屬，在隨后的組件層壓工藝中，層壓機(jī)的壓力和溫度幫助銅線(xiàn)和網(wǎng)印的細(xì)柵結(jié)合在一起。這些銅線(xiàn)的一端匯集在一個(gè)較寬的匯流帶上，在同一步層壓工藝中連接在相鄰電池的背面。2011年，Day4 Energy將更名為DNA技術(shù)的電池連技術(shù)成功應(yīng)用于Roth & Rau的異質(zhì)結(jié)電池，并取得了19.3%的組件效率。同年總部位于瑞士的設(shè)備制造商Meyer Burger收購(gòu)Roth & Rau。2012年Day4 Energy因經(jīng)營(yíng)不善從股票市場(chǎng)退市，并將其技術(shù)出售給Meyer Burger，后者將DNA技術(shù)更名為SmartWire并繼續(xù)開(kāi)發(fā)，并于2013年向市場(chǎng)發(fā)布。由于Day4 Energy前期的市場(chǎng)耕耘，Meyer Burger稱(chēng)使用該技術(shù)的組件已經(jīng)在世界各地的電站項(xiàng)目擁有了200MW的安裝量。與傳統(tǒng)3主柵技術(shù)相比，由于銅線(xiàn)的截面為圓形，制成組件后可以將有效遮光面積減少30%，同時(shí)減少電阻損失，組件總功率提高3%。由于30條主柵分布更密集，主柵和細(xì)柵之間的觸電多達(dá)2660個(gè)，在硅片隱裂和微裂部位電流傳導(dǎo)的路徑更加優(yōu)化，因此由于微裂造成的損失被大大減小，產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)量可提高1%。更為重要的是由于主柵材料采用銅線(xiàn)，電池的銀材料用量可以減少80%。Schmid2012年德國(guó)太陽(yáng)能設(shè)備制造商Schmid也發(fā)布了自己的無(wú)主柵技術(shù)Multi Busbar。雖然設(shè)計(jì)理念與Day4 Energy的技術(shù)類(lèi)似，但實(shí)現(xiàn)方式有所不同。其主柵也為有特殊鍍層的銅線(xiàn)，但銅線(xiàn)不是內(nèi)嵌在聚合物薄膜中，而是直接鋪設(shè)在電池表面。除銅線(xiàn)鋪設(shè)方式外，另一點(diǎn)顯著不同在于Schmid技術(shù)對(duì)細(xì)柵的要求，細(xì)柵網(wǎng)版需特殊設(shè)計(jì)，在細(xì)柵與主柵交界處預(yù)留焊盤(pán)，如圖四柵線(xiàn)交疊處所示。在電池網(wǎng)印細(xì)柵完成后，電池來(lái)到改進(jìn)的串焊機(jī)，而串焊機(jī)將通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)配合真空吸盤(pán)，將15條銅線(xiàn)將精確的鋪設(shè)在電池表面的細(xì)柵的焊盤(pán)之上，并采用紅外輻射完成焊接，同時(shí)也將銅線(xiàn)焊接在相鄰電池的背面。焊接完成后的電池進(jìn)行普通的層壓。Schmid的無(wú)主柵技術(shù)可以說(shuō)在最大程度上繼承了現(xiàn)有的網(wǎng)印電池和組件工藝。所需更換的就是細(xì)柵網(wǎng)版和新的串焊設(shè)備。與Meyer Burger類(lèi)似，Schmid稱(chēng)相比3主柵，其Multi Busbar技術(shù)可以降低電阻損失，將填充因子提高0.3%， 效率凈提高0.6%。銀漿的用量也可以降低75%。GT Advanced Technology在這一波無(wú)主柵設(shè)備的浪潮中，總部設(shè)于美國(guó)的GTAdvanced Technology公司也不甘示弱，在2014年3月發(fā)布了名為Merlin的無(wú)主柵技術(shù)。該技術(shù)在一種實(shí)現(xiàn)方法在設(shè)計(jì)理念上更偏向SmartWire，在細(xì)柵網(wǎng)印后，鍍層銅線(xiàn)鋪設(shè)在電池正面，在組件層壓步驟中一次完成主柵細(xì)柵間和電池間的互連。根據(jù)專(zhuān)利，Merlin技術(shù)還有其他電池互連的實(shí)現(xiàn)方法。具體到發(fā)布會(huì)上公開(kāi)的設(shè)計(jì)，從圖六可以看出，Merlin技術(shù)的細(xì)柵采用分段結(jié)構(gòu)，這進(jìn)一步挖掘了主柵數(shù)量增多所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)分段的細(xì)柵進(jìn)一步減少銀的用量和正面遮擋。相對(duì)的，這樣也帶來(lái)了額外的問(wèn)題，即如果一條銅線(xiàn)斷裂，則這一串短細(xì)柵的電流都將無(wú)法收集。為了解決這一問(wèn)題，我們看到Merlin的主柵銅線(xiàn)之間出現(xiàn)了不同于SmartWire和Multi Busbar的浮動(dòng)連接線(xiàn)，據(jù)推測(cè)這些連接線(xiàn)與電池的發(fā)射極并不相連，僅起到主銅線(xiàn)之間的互聯(lián)作用，或許兼具一些支持作用。這就引出了Merlin與SmartWire的另一個(gè)不同，其銅線(xiàn)并不一定需要聚合物薄膜的支撐，銅線(xiàn)與連接線(xiàn)組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自身可能就可以維持形態(tài)鋪設(shè)在電池上，并在層壓工藝中與分段細(xì)柵互連。組件商則向GTAT購(gòu)買(mǎi)Merlin銅網(wǎng)和鋪設(shè)設(shè)備，用于將購(gòu)買(mǎi)的半成品電池加工為組件。展望綜上，無(wú)主柵電池的優(yōu)勢(shì)主要在于通過(guò)減少遮擋和電阻損失增加組件功率，通過(guò)使用銅線(xiàn)代替銀主柵降低成本。傳統(tǒng)技術(shù)往往在提高效率的同時(shí)增加了成本，但無(wú)主柵技術(shù)破天荒的實(shí)現(xiàn)了魚(yú)和熊掌的兼得。SmartWire和Merlin更是突破了傳統(tǒng)的電池組串工藝，使電池排布更自由，更緊密，采用上述技術(shù)的組件有望更小更輕，對(duì)下游項(xiàng)目開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，這就意味著安裝中更小的占地面積，更低的屋頂承重要求和更低的人力成本。此外，無(wú)主柵作為一種電池互連技術(shù)與其他技術(shù)廣泛兼容。不但可以搭配網(wǎng)印電極和鍍銅電極，還可以用于異質(zhì)結(jié)的ITO。反觀問(wèn)題方面，雖然該技術(shù)兼容網(wǎng)印工藝，但如果設(shè)備制造商想要采用無(wú)主柵技術(shù)，還是需要購(gòu)入新設(shè)備并調(diào)整配套工藝的參數(shù)。除MeyerBurger的SmartWire技術(shù)外，其他無(wú)主柵技術(shù)目前缺乏項(xiàng)目驗(yàn)證，在實(shí)際性能和可靠性缺乏證明的情況下，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)商如果采用這樣的新技術(shù)組件，在融資方面將面臨巨大挑戰(zhàn)。國(guó)際光伏技術(shù)路線(xiàn)圖（ITRPV）委員會(huì)日前公布了2014年最新版本的路線(xiàn)圖，其中指出電池中使用的銀已經(jīng)成為限制成本進(jìn)一步降低的重要因素，其成本為每瓦0.0167美元，約占電池非硅成本的10%。作為替換銀的材料，業(yè)界一直對(duì)銅寄予厚望。但由于網(wǎng)印技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，ITRPV預(yù)計(jì)鍍銅電極在光伏產(chǎn)業(yè)大規(guī)模使用將會(huì)推遲到2018年以后。近年來(lái)網(wǎng)印技術(shù)的改進(jìn)主要在于二次印刷（double print）和分次印刷（dual print），其中后者將細(xì)柵和主柵的網(wǎng)印步驟分開(kāi)，通過(guò)在主柵網(wǎng)印中使用含銀更低的漿料實(shí)現(xiàn)降低成本的目的。網(wǎng)印技術(shù)的這些改進(jìn)也將會(huì)拖延無(wú)主柵技術(shù)的推廣。GTAT在發(fā)布其Merlin技術(shù)時(shí)表示，2014年將進(jìn)行該技術(shù)的各項(xiàng)認(rèn)證和生產(chǎn)準(zhǔn)備，2015年正式推向市場(chǎng)。到2018年，公司Merlin相關(guān)業(yè)務(wù)的產(chǎn)值預(yù)計(jì)達(dá)到4億到10億美元，占電池互連新技術(shù)市場(chǎng)的8%到20%。GTM Research的分析師在評(píng)論該技術(shù)時(shí)表示，2015年將成為電池組件制造商 “重新開(kāi)始設(shè)備投資的一年，Merlin技術(shù)有望借助這波投資的東風(fēng)。”雷軍在概括小米手機(jī)的成功時(shí)說(shuō)：“站在風(fēng)口上，豬也會(huì)飛起來(lái)。”筆者也認(rèn)為無(wú)主柵技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化將很大程度上受產(chǎn)業(yè)環(huán)境的影響。雖然去年以來(lái)組件價(jià)格恢復(fù)穩(wěn)定，但制造企業(yè)仍在恢復(fù)元?dú)?，短期難以進(jìn)行設(shè)備投入，尤其是對(duì)電極制作和互連這樣關(guān)鍵工藝的升級(jí)。而ITRPV的預(yù)測(cè)偏重鍍銅電極，無(wú)主柵技術(shù)中使用的銅線(xiàn)既可以搭配鍍銅電極，也可以兼容網(wǎng)印細(xì)柵，即無(wú)主柵可以起到兩種電極材料的過(guò)渡，其產(chǎn)業(yè)化難度將低于鍍銅技術(shù)。因此，intoPV Research的預(yù)測(cè)介于GTM Research和ITRPV之間，我們預(yù)計(jì)在2016年到2017年，無(wú)主柵技術(shù)將有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。（李陽(yáng)）