晶硅電池正面電極：從多主柵到無主柵

太陽能電池的正面設計交織著太多的優(yōu)化、約束和妥協，這里也因此成了廠家專利申請和設備制造商新技術研發(fā)的必爭之地。傳統(tǒng)晶硅電池正面采用銀質的細柵和主柵將電池產生的電能收集并傳到出去。為什么最近幾年陸續(xù)有廠家嘗試將主柵數量從2根提到到3、4甚至是5根？究竟主柵的數量在多少合適？為什么Schmid，Meyer Burger和GT Advanced Technology都提出了自己的無主柵正面金屬化方案？ 　　近幾年來，太陽能電池主柵的數量成為人們口中的熱門話題。電池廠商從提高效率的角度將主柵從2根提高到3跟甚至5根，而設備制造商從降低成本的角度出發(fā)也打起了主柵數量的主意，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量的技術路線分別稱為多主柵和無主柵技術，兩個技術殊途同歸，擁有高性能和低成本兩方面優(yōu)勢，本文將向你介紹這一技術發(fā)展的前世今生。 　　電極的設計 　　太陽光從電池正面進入電池，正面的金屬電極會遮擋一部分硅片，這部分照在電極上的光能也就無法轉變成電能，從這個角度看，我們希望柵線做的越細越好。而柵線的責任在于傳導電流，從電阻率的角度分析，柵線越細則導電橫截面積越小，電阻損失越大。因此主柵和副柵設計的核心是在遮光和導電之間取得平衡。 　　此外，由于制作柵線的漿料主要成分為價格較高的貴金屬銀，而將電池串聯為組件的過程中需要將一片電池的主柵通過焊帶與相鄰電池的背面焊接。因此電池正面電極的設計還牽扯成本和焊接工藝等復雜的方面。正是在種種妥協下，在5寸硅片占市場主流的歲月中，晶硅電池的電極設計都保持著人們印象中的細柵配合2條主柵的結構。隨著近年來硅片尺寸的變大，細柵長度被迫加長；而隨著網印技術的改進，網印柵線越做越細；最后近年來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成本中的份額逐漸提升。這些因素都對電池正面電極的設計提出了新的要求。 　　電池廠商的“維新” 　　在上述背景下，電池廠商選擇了一條“維新”式的技術升級之路解決正面電極設計的新問題。日本的京瓷成了其中第一個吃螃蟹的制造商。雖然京瓷2013年在全球組件供應商排行中僅排名第九，太陽能也不是京瓷的目前的主營業(yè)務，但其實京瓷早在1975就開始進入太陽能產業(yè)，并在1998年成為當時全球產量最多的太陽能制造商。 　　進入20世紀初，京瓷的研發(fā)人員遇到了這樣一個問題，為了進一步提高太陽能電池的效率，他們嘗試采用更細的主柵和細柵增加電池的有效受光面積，但由于之前介紹過的原理，隨著電極變細串聯電阻提高，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量。這樣不但可以減少電流在細柵中經過的距離，還減少了每條主柵自身承載的電流。意味著3主柵結構在電池層面可以配合更細的柵線而不會顯著影響填充因子，增加主柵的數量對減小電池組串后的電阻同樣有效。京瓷稱自己的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，經過優(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主柵設計申請了專利。 　　遵循同樣的思路，三菱在2009年推出擁有四條主柵的太陽能電池。2012年，業(yè)界傳出京瓷將憑借自身專利限制采用同類的3主柵產品在日本銷售，雖然這一專利最終并沒有顯現出蘋果“圓角矩形”在手機行業(yè)那般的威力，但仍然在行業(yè)內敲響了專利的警鐘。隨著時間邁入2013年，越來越多的電池制造商在專利或效率的壓力下開始了增加主柵數量的嘗試，力諾光伏、中利騰輝、尚德、阿特斯和海潤先后推出了自己的四主柵電池或組件產品，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。這里我們將主柵數量大于3但仍保留傳統(tǒng)設計原則的電極設計稱為多主柵結構。 　　但在傳統(tǒng)網印電池生產的框架下，主柵數量增加確實可以減小電阻損耗，但有其限制之處。若想在減小電阻的同時不至于增加遮光損失和材料成本，就要像當初京瓷那樣減小柵線的寬度。但細柵的寬度受制于網印的工藝，而主柵又因為還肩負著連接焊帶的責任而無法太細，太細的主柵將造成焊接的困難，無法保證焊接拉力。這也是我們現在并沒有看到太多的量產的多主柵類型的產品的根本原因。其實康斯坦茨大學的研究人員早已通過計算發(fā)現，即使不考慮銀漿成本，在主柵寬度一定的情況下（1.4mm），在組件層面來看，4主柵就是最優(yōu)的結構了。超過4條主柵后，額外主柵帶來的遮光損失將超過它減少的電阻損失。 　　而如果主柵寬度是根據數量優(yōu)化且不受工藝限制的話，那組件效率會隨著主柵數量的提高和寬度的減少而提高。通過這樣的分析我們不難看出，若是想進一步發(fā)掘提高主柵數量的潛力，就必須將主柵匯流和焊接的職能區(qū)分開，進而使用更多更細的主柵。 　　設備制造商的“革新” 　　更多更細的主柵正是同一時期設備制造商給出的答案。廠商從新技術降低生產成本帶動設備銷售的角度出發(fā)，以減少銀在太陽能電池工藝中的使用為目標，選擇了另外一條相對“激進”但眼光更為長遠的路徑。 　　通過新的設計，主柵可直接鏈接到相鄰電池的背面而無需搭配焊帶，雖然與電池廠商的“維新”一樣提高主柵的數量，但其不再局限于漸進式的從2增加到5，而是直接增加到兩位數。由于主柵更密集，電流在細柵上傳到的距離大大縮短，這意味著主柵和細柵都可以做的更細更薄，導電性等相對弱一些但價格更低的材料也有機會擺脫冷板凳。由于這一類技術中主柵其實更可以看作是替代了傳統(tǒng)焊帶的角色，讓更多更細的焊帶直接鏈接電池細柵，匯集電流的同時實現電池互連，在電池層面取消了傳統(tǒng)的主柵，我們將這一類技術稱之為“無主柵”（busbar-free）技術。 　　目前市面上出現的無主柵技術基本遵循以下設計。保留傳統(tǒng)的第一步正面網印，在電池上制作底層的柵線，我們仍遵循傳統(tǒng)稱其為細柵。而后通過不同的方法將多條垂直于細柵的柵線覆蓋在其上，形成交叉的導電網格結構，為介紹方便，我們仍舊稱呼第二層柵線為主柵。主柵的材料目前多為銅線。其具體技術又各有不同，各家也有其獨到的優(yōu)勢。 　　無主柵技術對比 　　最早提出無主柵概念的是加拿大電池和組件公司Day4 Energy，該公司在2008年就獲得了后來被稱為Day4 Electrode的專利技術。該技術對傳統(tǒng)電池工藝的革新體現在金屬化和互連兩個工藝中，電池在PECVD減反射鍍層后網印細柵，而后不網印主柵，而是將一層內嵌銅線的聚合物薄膜覆蓋在電池正面，如圖一所示。這層薄膜內嵌的銅線表面也鍍有特別的低熔點金屬，在隨后的組件層壓工藝中，層壓機的壓力和溫度幫助銅線和網印的細柵結合在一起。這些銅線的一端匯集在一個較寬的匯流帶上，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技術的電池連技術成功應用于Roth & Rau的異質結電池，并取得了19.3%的組件效率。同年總部位于瑞士的設備制造商Meyer Burger收購Roth & Rau。2012年Day4 Energy因經營不善從股票市場退市，并將其技術出售給Meyer Burger，后者將DNA技術更名為SmartWire并繼續(xù)開發(fā)，并于2013年向市場發(fā)布。由于Day4 Energy前期的市場耕耘，Meyer Burger稱使用該技術的組件已經在世界各地的電站項目擁有了200MW的安裝量。 　　與傳統(tǒng)3主柵技術相比，由于銅線的截面為圓形，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，主柵和細柵之間的觸電多達2660個，在硅片隱裂和微裂部位電流傳導的路徑更加優(yōu)化，因此由于微裂造成的損失被大大減小，產線的產量可提高1%。更為重要的是由于主柵材料采用銅線，電池的銀材料用量可以減少80%。 　　Schmid 　　2012年德國太陽能設備制造商Schmid也發(fā)布了自己的無主柵技術Multi Busbar。雖然設計理念與Day4 Energy的技術類似，但實現方式有所不同。其主柵也為有特殊鍍層的銅線，但銅線不是內嵌在聚合物薄膜中，而是直接鋪設在電池表面。除銅線鋪設方式外，另一點顯著不同在于Schmid技術對細柵的要求，細柵網版需特殊設計，在細柵與主柵交界處預留焊盤，如圖四柵線交疊處所示。在電池網印細柵完成后，電池來到改進的串焊機，而串焊機將通過圖像識別技術配合真空吸盤，將15條銅線將精確的鋪設在電池表面的細柵的焊盤之上，并采用紅外輻射完成焊接，同時也將銅線焊接在相鄰電池的背面。焊接完成后的電池進行普通的層壓。 　　Schmid的無主柵技術可以說在最大程度上繼承了現有的網印電池和組件工藝。所需更換的就是細柵網版和新的串焊設備。與Meyer Burger類似，Schmid稱相比3主柵，其Multi Busbar技術可以降低電阻損失，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 　　在這一波無主柵設備的浪潮中，總部設于美國的GTAdvanced Technology公司也不甘示弱，在2014年3月發(fā)布了名為Merlin的無主柵技術。該技術在一種實現方法在設計理念上更偏向SmartWire，在細柵網印后，鍍層銅線鋪設在電池正面，在組件層壓步驟中一次完成主柵細柵間和電池間的互連。根據專利，Merlin技術還有其他電池互連的實現方法。 　　具體到發(fā)布會上公開的設計，從圖六可以看出，Merlin技術的細柵采用分段結構，這進一步挖掘了主柵數量增多所帶來的優(yōu)勢，通過分段的細柵進一步減少銀的用量和正面遮擋。相對的，這樣也帶來了額外的問題，即如果一條銅線斷裂，則這一串短細柵的電流都將無法收 　　集。為了解決這一問題，我們看到Merlin的主柵銅線之間出現了不同于SmartWire和Multi Busbar的浮動連接線，據推測這些連接線與電池的發(fā)射極并不相連，僅起到主銅線之間的互聯作用，或許兼具一些支持作用。這就引出了Merlin與SmartWire的另一個不同，其銅線并不一定需要聚合物薄膜的支撐，銅線與連接線組成的網絡結構自身可能就可以維持形態(tài)鋪設在電池上，并在層壓工藝中與分段細柵互連。 　　組件商則向GTAT購買Merlin銅網和鋪設設備，用于將購買的半成品電池加工為組件。 　　展望 　　綜上，無主柵電池的優(yōu)勢主要在于通過減少遮擋和電阻損失增加組件功率，通過使用銅線代替銀主柵降低成本。傳統(tǒng)技術往往在提高效率的同時增加了成本，但無主柵技術破天荒的實現了魚和熊掌的兼得。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，采用上述技術的組件有望更小更輕，對下游項目開發(fā)來說，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，無主柵作為一種電池互連技術與其他技術廣泛兼容。不但可以搭配網印電極和鍍銅電極，還可以用于異質結的ITO。 　　反觀問題方面，雖然該技術兼容網印工藝，但如果設備制造商想要采用無主柵技術，還是需要購入新設備并調整配套工藝的參數。除MeyerBurger的SmartWire技術外，其他無主柵技術目前缺乏項目驗證，在實際性能和可靠性缺乏證明的情況下，項目開發(fā)商如果采用這樣的新技術組件，在融資方面將面臨巨大挑戰(zhàn)。 　　國際光伏技術路線圖（ITRPV）委員會日前公布了2014年最新版本的路線圖，其中指出電池中使用的銀已經成為限制成本進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)界一直對銅寄予厚望。但由于網印技術的持續(xù)改進，ITRPV預計鍍銅電極在光伏產業(yè)大規(guī)模使用將會推遲到2018年以后。近年來網印技術的改進主要在于二次印刷（double print）和分次印刷（dual print），其中后者將細柵和主柵的網印步驟分開，通過在主柵網印中使用含銀更低的漿料實現降低成本的目的。網印技術的這些改進也將會拖延無主柵技術的推廣。 　　GTAT在發(fā)布其Merlin技術時表示，2014年將進行該技術的各項認證和生產準備，2015年正式推向市場。到2018年，公司Merlin相關業(yè)務的產值預計達到4億到10億美元，占電池互連新技術市場的8%到20%。GTM Research的分析師在評論該技術時表示，2015年將成為電池組件制造商 “重新開始設備投資的一年，Merlin技術有望借助這波投資的東風。” 　　雷軍在概括小米手機的成功時說：“站在風口上，豬也會飛起來。”筆者也認為無主柵技術的產業(yè)化將很大程度上受產業(yè)環(huán)境的影響。雖然去年以來組件價格恢復穩(wěn)定，但制造企業(yè)仍在恢復元氣，短期難以進行設備投入，尤其是對電極制作和互連這樣關鍵工藝的升級。而ITRPV的預測偏重鍍銅電極，無主柵技術中使用的銅線既可以搭配鍍銅電極，也可以兼容網印細柵，即無主柵可以起到兩種電極材料的過渡，其產業(yè)化難度將低于鍍銅技術。因此，intoPV Research的預測介于GTM Research和ITRPV之間，我們預計在2016年到2017年，無主柵技術將有機會實現大規(guī)模產業(yè)化應用。（李陽）