Почему BC-солнечные элементы более подвержены изгибу и короблению
Содержание
Краткий ответ: Тыльные контактные элементы более склонны к изгибу и короблению, чем лицевые контактные элементы, поскольку оба полюсных контакта расположены на задней стороне, поэтому объём задней металлизации и создаваемое ею напряжение неуравновешены относительно лицевой стороны. Когда элемент остывает после обжига, задний металл сжимается относительно неметаллизированной лицевой поверхности, и результатом становится кривизна, которую можно измерить в долях миллиметра на элементе размером 182 мм или 105 мм. Используемые температуры обработки — около 110 °C на последующих этапах при температуре окружающей среды около 22 °C — определяют, насколько накапливается дифференциальное сжатие. Изгиб имеет значение, потому что искривлённый элемент не лежит ровно на стрингере или в ламинате, что приводит к ошибкам позиционирования, неравномерной толщине инкапсулянта после ламинирования и, в худшем случае, к микроТрещинам в месте соединения.
Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech
Изгиб и коробление BC-солнечных элементов
В условиях жесткой конкуренции между технологическими направлениями в фотовольтаике BC-элементы (с задними контактами) выделяются своей эффективностью и эстетичным дизайном. Благодаря отсутствию металлических токопроводящих линий на лицевой стороне, BC-элементы стали одним из наиболее пристально отслеживаемых технологических направлений в отрасли.
Однако за этим чистым внешним видом скрывается сложная производственная проблема: BC-элементы естественным образом более склонны к изгибу и короблению.
Как отмечают отраслевые специалисты, все электроды расположены на задней стороне, поэтому ячейка изначально склонна к деформации. Во время сборки модуля на заднюю сторону непрерывно добавляются дополнительные материалы, включая изоляционный клей, областей паяльной лентыs и паяльную пасту. По мере накопления этих слоёв проблема коробления может становиться всё более серьёзной.
Итак, почему BC-элементы более подвержены изгибу и короблению, чем обычные солнечные элементы?
1. Структурная асимметрия создает неотъемлемый риск коробления
Наиболее отличительной особенностью BC-элемента является размещение как положительного, так и отрицательного электродов на тыльной поверхности. На лицевой стороне отсутствуют металлические токопроводящие линии. Такая конструкция улучшает поглощение света, но также создает неотъемлемую структурную слабость.
Исследования показывают, что BC-ячейки демонстрируют значительно большее коробление, чем TOPCon ячейки с электродами, распределёнными по передней и задней поверхностям. При аналогичной структуре тыльной стороны лицевые токопроводящие линии могут частично компенсировать деформацию, вызванную усадкой на тыльной стороне.
BC-элементы не имеют таких лицевых токопроводящих линий. Возникающий дисбаланс напряжений между лицевой и тыльной поверхностями делает цилиндрическую деформацию более вероятной в процессе производства и эксплуатации.
Эта структурная асимметрия по сути является результатом неравномерного напряжения. Это похоже на то, как подсолнух наклоняется к солнечному свету из-за разной скорости роста на затененной и освещенной сторонах. В BC-элементе напряжение сжатия, создаваемое несколькими слоями на тыльной стороне, значительно больше, чем напряжение на фронтальной стороне, что естественным образом вызывает изгиб пластины.
2. Несоответствие теплового расширения материалов тыльной стороны
На тыльную сторону BC-элемента необходимо нанести несколько функциональных слоев. Помимо обычных металлических электродов, они могут включать изоляционные материалы, паяльную пасту и паяльные ленты. Различия в коэффициентах теплового расширения этих материалов являются основной причиной коробления.
Разница в расширении между металлом и кремнием особенно значительна. Серебро имеет коэффициент теплового расширения примерно в семь раз выше, чем у кремния. Во время производства элементов эта разница может создавать значительные термические напряжения между серебряной металлизацией и кремниевой подложкой. Коробление может стать еще более серьезным после нанесения паяльной пасты.
Изоляционные материалы также играют важную роль. Изоляция необходима для разделения положительного и отрицательного электродов на тыльной поверхности, но коэффициент теплового расширения изоляционного материала отличается от коэффициента кремниевой пластины. Если площадь контакта между изоляцией и элементом слишком велика, увеличивается расход материала и возрастает напряжение, вызванное несоответствием теплового расширения. Это может усилить коробление элемента и привести к технологическим рискам, таким как растрескивание элемента, а также слипание или перекрытие элементов при обращении.
3. Односторонняя пайка создает несбалансированное механическое напряжение
BC-модули обычно используют одностороннюю пайку, при которой все паяльные ленты сосредоточены на тыльной поверхности. Это принципиально отличается от обычной двусторонней пайки.
Например, когда 21 паяльная лента прикрепляется к элементу размером 182 мм × 105 мм, возникает значительное коробление при снижении температуры с 110°C до 22°C. Это происходит независимо от того, составляет ли толщина элемента 0,13 мм, 0,15 мм или 0,18 мм.
Деформация в основном возникает из-за неравномерного термического напряжения, создаваемого во время пайки. Это неотъемлемая структурная проблема, связанная с односторонним соединением, используемым для BC-элементов.
Более тревожным является то, что увеличение толщины элемента не решает проблему эффективно. Результаты моделирования показывают, что односторонняя пайка может вызвать коробление до 4,9 мм. Даже при увеличении толщины ячейки до 0,18 мм коробление уменьшается лишь примерно на 18%. При тех же условиях максимальное коробление, вызванное двусторонней пайкой, составляет всего 0,07 мм.
| Условия пайки | Ячейка или условия процесса | Зарегистрированное поведение коробления |
|---|---|---|
| Односторонняя пайка | Ячейка 182 мм × 105 мм с 21 ленточным выводом | Значительное коробление при охлаждении с 110°C до 22°C |
| Односторонняя пайка | Толщина ячейки 0,13 мм, 0,15 мм или 0,18 мм | Коробление остается значительным при всех трех толщинах |
| Односторонняя пайка | Результат моделирования | Коробление может достигать 4,9 мм |
| Односторонняя пайка | Толщина увеличена до 0,18 мм | Коробление уменьшается лишь примерно на 18% |
| Двусторонняя пайка | Те же условия сравнения | Максимальное коробление составляет примерно 0,07 мм |
Это означает, что для достижения уровня коробления двусторонней пайки только за счет утолщения пластины потребуется толщина, значительно превышающая 0,18 мм. Это существенно увеличит расход кремния и материальные затраты.
Проблема может также сохраняться при ламинировании. Асимметричное коробление, вызванное односторонней пайкой, может сжимать инкапсулянт вокруг краёв ячейки и центральной области. Инкапсулянт может становиться тоньше или даже пробиваться, создавая локальные точки концентрации напряжений, которые угрожают структурной целостности и долгосрочной надёжности модуля.
4. Более тонкие и крупные ячейки усугубляют проблему
Фотоэлектрическая промышленность продолжает стремиться к более тонким пластинам для снижения затрат на кремний и к более крупным форматам ячеек для увеличения мощности модулей. Обе тенденции могут сделать коробление BC-ячеек более серьезным. Исследования показывают, что уменьшение толщины ячейки и увеличение размера ячейки значительно увеличивают деформацию.
Для ячейки 210 мм × 210 мм уменьшение толщины со 150 мкм до 70 мкм увеличивает зарегистрированное коробление с 1,69 мм до 8,25 мм, то есть почти в пять раз.
| Размер ячейки | Толщина ячейки | Зарегистрированное коробление |
|---|---|---|
| 210 мм × 210 мм | 150 мкм | 1,69 мм |
| 210 мм × 210 мм | 70 мкм | 8,25 мм |
Эти цифры наглядно демонстрируют проблему, создаваемую утонением пластин. Для отрасли, стремящейся одновременно к повышению эффективности и снижению затрат, контроль коробления при уменьшении толщины кремния стал техническим барьером, который необходимо преодолеть.
6. Отраслевые стратегии смягчения и перспективы
Отрасль уже изучает несколько способов управления короблением BC-элементов. Распространенные подходы включают:
Модульные конструкции с половинными элементами: Меньшие размеры элементов могут уменьшить абсолютную высоту прогиба.
Оптимизированные материалы и ширина токосборных линий: Регулировка структур металлизации может помочь управлять напряжением на тыльной стороне.
Низкотемпературная пайка: Более низкие температуры процесса могут снизить термическое напряжение при межсоединении.
Горячее прессование с токопроводящим клеем: Это обеспечивает альтернативу традиционным высокотемпературным процессам пайки.
Корректирующие механизмы с изогнутым прижимным блоком: Специальные корректирующие конструкции могут быть интегрированы в оборудование для табберов и стрингеров для контроля формы элемента в процессе обработки.
Межсоединение низкотемпературной паяльной лентой
Ссылки
Дун Пэн, Исследование процессов высокоэффективных n-типа тыльноконтактных солнечных элементов
MeCan Solar, Поведение коробления и оптимизация структуры токосборных линий крупноформатных тонких BC-элементов
Обзор солнечной энергетики и накопителей, Привлекательный внешний вид односторонней пайки не может скрыть коробление и связанные с ним риски
Мнение Ooitech
Контроль коробления должен рассматриваться как комплексная проблема модульного процесса, а не только как проблема толщины элемента. Температура пайки, раскладка лент, контроль давления, обращение и ламинирование должны быть согласованы вместе, особенно при использовании тонких и крупноформатных BC-элементов. Небольшая деформация, оставленная без контроля на этапе межсоединения, может стать проблемой выхода годных или надежности на более поздних этапах производственной линии.
