CN110828586A - 一种晶硅电池、光伏组件和光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶硅电池、光伏组件和光伏发电系统，属于地面用晶硅太阳能组件领域。针对现有技术中存在的因电池片互联的局部连接失效而引起的电流局部富集，产生局部高温，轻则减小组件功率减小发电量，严重则会灼烧组件引发火灾等，后果十分严重的问题，本发明提供了一种晶硅电池、光伏组件和光伏发电系统，所述晶硅电池包括银栅线、衬底、掺杂区和背场，掺杂区上层的银栅线分隔为若干区域，栅线分隔的设计在部分导电互联材料失效时，减少未失效的导电互联材料上产生电流富集，本发明减少晶硅光伏组件因组件内部电池片互联的局部连接失效而引起的电流局部富集问题，提高了光伏发电系统的安全性。

Description

一种晶硅电池、光伏组件和光伏发电系统

技术领域

本发明涉及地面用晶硅太阳能组件领域，更具体地说，涉及一种晶硅电池、光伏组件和光伏发电系统。

背景技术

随着光伏组件的提效，高功率的组件已成为市场主流，人们在追求高效率组件的同时却没有做好安全问题的防护，随之而来的光伏组件发系统安全问题也日益突出。近年来屡有光伏组件发电系统事故的报道，尤其是分布式发电系统居多。在光伏发电系统中事故中，有一类因组件内部电池片互联的局部连接失效而引起的电流局部富集问题而引起的事故占有重要比例，其表现多为局部背板有鼓包、灼烧点或烧毁。

以目前市场主流的P型电池片在叠瓦组件中的应用举例说明。如图4所示为主流的P型电池片结构，电池片的P区基底上层依次为N掺杂区和银栅线，P区基底下层依次为背场和银栅线，银栅线分为主栅和副栅，每条主栅的一侧或两侧均匀或非均匀的连接有若干条副栅。

如图5所示为叠瓦电池串，叠瓦电池串包括若干电池片，电池片包括主栅和副栅，每条主栅的一侧或两侧均匀或非均匀的连接有若干条副栅，叠瓦技术将电池片用导电胶互联，导电胶设置在银栅线上，叠瓦技术省去焊带焊接，减少遮光面积和线损，节省空间。

若叠瓦电池串中某一片电池片出现部分导电胶连接失效，如图6中左侧虚线框内导电胶连接失效，整个电池串的电流并不会明显降低，如图7中左侧电池片内的载流子可以通过N掺杂层层间传输、P层层间传输到右侧被收集，如图6和图7所示，电池片左侧银栅线收集的电流通过银栅线互联结构传输到右侧导电胶未失效部分，如此该片电池片即使在出现部分导电胶连接失效的情况下，其输出电流近似于未出现部分导电胶连接失效时的输出电流，整个电池串的输出电流也近似于未出现部分导电胶连接失效时的串输出电流。这样的设计是为了电池片在局部连接失效时任然可以输出更高的功率，但这样的设计也带来了安全风险。如图6和图7所示，当电池片左侧导电胶失效时，电池片右侧的导电胶承担了整片电池的电流传输，即通过右侧导电胶的电流密度增加了。假设单片电池片有N个导电胶连接点，若其中N-1个导电胶连接点失效，那么剩余完好的导电胶连接点就通过其正常情况下近似N倍的电流，由于主栅和副栅互联结构存在一定的电阻，电流会略微损失，这样的电流富集会使电池片产生局部背板有鼓包、灼烧点或烧毁等安全风险。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的因电池片互联的局部连接失效而引起的电流局部富集，产生局部高温，轻则减小组件功率减小发电量，严重则会灼烧组件引发火灾等，后果十分严重的问题，本发明提供了一种晶硅电池、光伏组件和光伏发电系统，它可以减少晶硅光伏组件因组件内部电池片互联的局部连接失效而引起的电流局部富集问题，提高安全性，保障光伏用户人身财产安全，光伏发电系统的健康发展。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种晶硅电池，包括栅线、衬底、掺杂区和背场，衬底上层为掺杂区，衬底和掺杂区构成PN结，衬底下层为背场，掺杂区的上层和背场的下层均为栅线，掺杂区上层的栅线由若干区域组成，各个区域之间间隔设置。分隔的栅线之间没有任何连接，栅线是非常好的导体。

更进一步的，间隔设置的栅线区域数量不少于两个。栅线的分割区域数量和分隔距离没有限制，分隔区栅线之间距离与掺杂层方阻有关，掺杂层方阻越小分隔区栅线之间距离越大，分隔栅线图形没有要求，无须等分。

根据有限次实验分析：

若切割后电池片宽度在40mm左右；

对于掺杂层方阻小于60Ω/□，分隔区栅线之间距离在10mm左右；

对于掺杂层方阻大于等于60Ω/□小于120Ω/□，分隔区栅线之间距离在6mm左右；

对于掺杂层方阻大于等于120Ω/□，分隔区栅线之间距离在4mm左右。

若切割后电池片宽度在80mm左右；

对于掺杂层方阻小于60Ω/□，分隔区栅线之间距离在20mm左右；

对于掺杂层方阻大于等于60Ω/□小于120Ω/□，分隔区栅线之间距离在12mm左右；

对于掺杂层方阻大于等于120Ω/□，分隔区栅线之间距离在8mm左右。

Ω/□是方阻的单位，1Ω/□为1方阻。若电池片叠加了SE技术，SE图形要屏蔽分隔区，分隔区不需要重掺杂，若电池片使用TCO膜来收集载流子，如异质结电池，则分隔区不可使用TCO膜。

更进一步的，所述电池包括切片组件。因为提高分隔栅线之间的距离会带来一定的电池效率损失，所以本发明更加适用于使用切割小片的组件，电池效率的损失源于电池栅线分隔的地方因为栅线距离的关系收集载流子数量减少，本设计带来的效率损失是由于分隔区的栅线距离增加且左右不互通，分隔区的光生载流子无法有效的被栅线收集而造成电流损失。本发明更适用于切割小片组件是因为切割小片的宽度小，分隔区不需要太大的距离就能有效的阻隔左右部分的电流互通，对切割小片的组件电池而言，电流损失影响不大。

更进一步的，所述电池为叠瓦电池、拼片电池或半片电池。本发明适用于所有因组件内部电池片互联的局部连接失效而引起的电流局部富集问题的晶硅太阳能电池。

更进一步的，栅线分为主栅和副栅，主栅上设置有导电互联材料。叠瓦电池的主栅设置导电胶，半片电池或拼片电池的主栅设置焊带。

更进一步的，所述的衬底为P型或N型衬底。

更进一步的，所述的掺杂区为N型或P型掺杂区。衬底和掺杂区构成PN结，PN结导通形成电流。

一种光伏组件，包括所述的晶硅电池，所述电池串联、并联组成光伏组件电路。

更进一步的，所述光伏组件包括若干条主栅，每条主栅的一侧或两侧均匀或非均匀的连接有若干条副栅。

一种光伏发电系统，包括一种光伏组件，还包括控制器和负载，光伏组件与控制器连接提供电能，控制器控制电流流向负载。

更进一步的，负载包括直流负载和交流负载。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本发明对电池结构中与掺杂区连接的银栅线设计分隔为若干区域，不局限分隔数量，在银栅线连接的导电互联材料局部失效时，导电互联材料失效部分的电流只有少数可以通过未失效部分的导电互联材料，未失效的导电互联材料通过的电流密度与没有导电互联材料失效时区别不大，可以减少因组件内部电池片互联的局部连接失效而引起的电流局部富集，减少了电流富集造成的鼓包、发热等问题，提高了光伏发电系统的安全性，

附图说明

图1为太阳能光伏电池等效简化电路；

图2为一种包含串并联结构的光伏组件等效简化电路；

图3为光伏发电系统电路输出电能流程图；

图4为主流的P型电池片结构图；

图5为叠瓦电池串示意图；

图6为叠瓦电池串中部分导电胶连接失效示意图；

图7为叠瓦电池串中部分导电胶连接失效后电流流向示意图；

图8为本发明分段式主副栅设计电池结构图；

图9为图8的细化等效电路图；

图10为本发明分段式主副栅结构电池的叠瓦电池串示意图；

图11为本发明分段式主副栅结构电池的叠瓦电池串中部分导电胶连接失效示意图；

图12为本发明分段式主副栅结构电池的叠瓦电池串中部分导电胶连接失效后电流流向示意图；

图13为本发明分段式主副栅设计电池中部分导电胶连接失效后细化等效电路图；

图14为现有技术半片电池示意图；

图15为本发明分隔栅线的半片电池部分焊带失效示意图；

图16为本发明分隔栅线的半片电池串部分焊带失效示意图。

图中标号说明：1、银栅线；2、N掺杂区；3、P区基底；4、背场；5、主栅；6、副栅；7、电池片；8、导电胶。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例

太阳能光伏电池的等效简化电路图如图1所示，电池电路包括电池并联电阻Rsh、串联电阻Rs、等效二极管和电流源，并联电阻Rsh、电流源和二极管均并联，串联电阻Rs与并联后的并联电阻Rsh、电流源和二极管串联，图1是标准的电池片7等效电路图，电阻Rs此处包括电池内部所有的串联电阻，在图1所示电路中，基底电阻、掺杂区的电阻和栅线的电阻均是串联的，统一规划成Rs。在目前光伏发电系统中，当组件内部电池片7互联的局部连接失效时，失效处所在的电池串电流与失效前串电流相比并没有大幅降低，此时串电流全部流经未失效连接处，即未失效处电流密度增大，形成电流富集，会造成局部过热。

本发明适用于所有因组件内部电池片7互联的局部连接失效而引起的电流局部富集问题的晶硅太阳能电池，本实施例以目前市场主流的P型电池片7在叠瓦组件中的应用举例说明，现有技术电池片7如图4所示为主流的P型电池片7结构，电池片7的P区基底3上层依次为N掺杂区2和银栅线1，P区基底3下层依次为背场4和银栅线1，银栅线1分为主栅5和副栅6，每条主栅5的一侧或两侧均匀或非均匀的连接有若干条副栅6。

如图5所示为叠瓦电池串，叠瓦电池串包括若干电池片7，电池片7包括主栅5和副栅6，叠瓦技术将电池片7用导电胶8互联，导电胶8设置在与N掺杂区2连接的银栅线1上，叠瓦技术省去焊带焊接，减少遮光面积和线损，节省空间。

如图6和图7所示，当电池片7的左侧部分导电胶8连接失效时，电池片7左侧的载流子在N掺杂层2和P层基底3层间传输，被右侧收集，传输到右侧未失效导电胶8部分；这样即使导电胶8失效，电池的输出电流与导电胶8未失效时电流近似，即使导电胶8失效仍能输出更高的功率，但使未失效的导电胶8通过倍数于正常值的电流，产生的电流富集会使电池片7产生局部背板有鼓包、灼烧点或烧毁等安全风险，图6中B指代栅线的副栅互联结构，副栅互联防止电池损坏副栅断栅，断栅后电流可以从互联结构中流通，不影响电池的使用。

本实施例设计一种防止晶硅光伏组件局部电流富集的电池，电池片7采用分隔式主副栅设计，减少了因组件内部电池片7互联的局部连接失效而引起的电流局部富集问题。

如图8所示为一种分段式主副栅设计电池结构，电池片7的P区基底3上层依次为N掺杂区2和银栅线1，P区基底3下层依次为背场4和银栅线1，银栅线1分为主栅5和副栅6，每条主栅5的一侧或两侧均匀或非均匀的连接有若干条副栅6。如图8中A部所示，A部表示本实施例的电池片7中与N掺杂区2连接的银栅线1分隔，本实施例中银栅线1分隔为左右两部分，左右两部分银栅线1互不相连，本发明对银栅线1的分隔形状和分隔类型不受限制，分隔的距离和形状根据不同情况可以调整。

本实施例细化等效电路图如图9所示，分隔后的电池电路包括左侧电池内部电路、右侧电池内部电路、分隔区N掺杂层层间传输电阻Rs1、分隔区P层层间传输电阻Rs2、左侧银栅线间传输电阻Rs3和右侧银栅线间传输电阻Rs4，左侧导电胶8接触电阻与体电阻统一为Rs5和右侧导电胶8接触电阻与体电阻统一为Rs6，左侧电池内部电路和右侧电池内部电路结构相同，都包括电池内并联电阻Rsh、等效二极管和电流源，电池并联电阻Rsh、等效二极管和电流源均并联连接，左侧电池内部电路和右侧电池内部电路并联，分隔区N掺杂层层间传输电阻Rs1的两端分别连接左侧电池内部电路和右侧电池内部电路，分隔区P层层间传输电阻Rs2的两端也分别连接左侧电池内部电路和右侧电池内部电路，即分隔区P层层间传输电阻Rs2与分隔区N掺杂层层间传输电阻Rs1并联，左侧银栅线间传输电阻Rs3与左侧电池内部电路和分隔区N掺杂层层间传输电阻Rs1以及分隔区P层层间传输电阻Rs2的连接点连接，右侧银栅线间传输电阻Rs4与右侧电池内部电路和分隔区N掺杂层层间传输电阻Rs1以及分隔区P层层间传输电阻Rs2的连接点连接。分隔区P层层间传输电阻Rs1远大于分隔区N掺杂层传输电阻Rs2远大于左/右银栅线间传输电阻Rs3和Rs4，即Rs2＞＞Rs1＞＞Rs3＝Rs4。

图10为本实施例分隔设计结构电池的叠瓦电池串。若电池串中某一片电池片7出现部分导电胶8连接失效，如图11所示左侧虚线框内导电胶8连接失效，整个电池串的电流会明显降低，如图12所示左侧电池片7内的载流子可以通过N掺杂层层间传输、P层层间传输到右侧被收集，而左侧银栅线因为其连接的导电胶8已经失去导电能力，且又无法与右侧银栅线连接，左侧的载流子只能通过N掺杂层层间传输、P层层间传输到右侧被收集，但是P层层间传输电阻远大于N掺杂层传输电阻远大于左/右侧银栅线间传输电阻，即Rs2＞＞Rs1＞＞Rs3，如图13所示，Rs3连接的导电胶8失效，此处电路断路，此时该片电池片7左侧的载流子只有极其微小的部分被收集，其输出电流近似于未出现部分导电胶8连接失效时的输出电流的二分之一，所以整个电池串的输出电流也近似于未出现部分导电胶8连接失效时的串输出电流的二分之一。

这样的设计可以保证当电池片7在局部连接失效时，该电池片7所处的电池片7输出电流降低。半导体中的载流子在内电场方向下漂移，电场方向是垂直的，所以载流子很难横向流动，载流子的主要收集方式是被栅线收集。如图11、图12所示当左侧导电胶8失效时，由于栅线进行了分隔，则失效的部分就无法收集载流子了，左侧的电流只有少数可以通过右侧的导电胶8传输，通过右侧导电胶8的电流密度与未失效时区别不大。

本实施例说明以中间分隔一次为例，作为本实施例的一种改进，若设单片电池片7有N个导电胶8连接点，每个导电胶8连接点对应的电池栅线都有一个分隔，那么若其中N-1个导电胶8连接点失效，那么该电池串的电流就近似于原电流1/N，所以可以减少因组件内部电池片7互联的局部连接失效而引起的电流局部富集问题；图11中B部分与图6中B部分相同，指代栅线的副栅互联结构，副栅互联防止电池损坏副栅断栅，断栅后电流可以从互联结构中流通，不影响电池的使用。

当电池为半片电池时，如图14所示，半片电池利用焊带焊接技术完成电池片7之间的互联，批量生产中会产生虚焊、脱焊、过焊等焊接不良现象，通常检测设备EL(Electroluminescent)可以检测出绝大多数不良，避免不良产品流入电站。但是EL是通过给组件通入一定的电流，利用组件内部电路传输到每片电池片7，利用电致发光原理检测电池片7及焊带连接的好坏，若部分焊带连接本身并不牢固只是通入电流时焊带是满足电流传输要求，或者在后续使用中受使用环境的影响，部分焊带与电池片7电极接触电阻增大甚至断路，那么就会发生电流富集，引发不良后果。

本发明对半片电池采用分隔栅线设计，如图15所示，C部分为半片电池串的分隔区，在分隔栅线的半片电池串中，减少电流富集的原理与叠瓦电池串一样，等效电路图与叠瓦电池串一样，当其中某片电池片7与部分焊带连接失效时，如图16所示，整串的电流会下降到近似于原电流的二分之一，那么失效的焊带只承担近似于原电流二分之一电流的传输。

P层层间传电阻太大可以忽略其影响，但是N掺杂层层间会传输少部分载流子，目前主流PERC电池都叠加了SE技术，也就是在银栅线1与硅片接触部位及附近进行高浓度掺杂，而在电极以外的区域进行低浓度掺杂，这样，既降低了硅片和电极之间的接触电阻，又降低了表面的复合，提高短路电流和开路电压。激光掺杂会降低局部N掺杂区2的方阻，方阻就是方块电阻，方阻仅与导电膜的厚度等因素有关。如图12所示，在使用本实施例方案时优化SE图形，避免分隔区域被激光掺杂。

N掺杂层的层间传输电阻由以下几点决定：

1、分隔区N掺杂区2的掺杂浓度，决定N掺杂区2的电阻率ρ；

2、分隔区N掺杂区2的掺杂深度h；

3、电池片7的宽度W；

4、分隔区距离S；分隔区距离S指分隔左右栅线之间的距离，在这个距离内，左右两区域的栅线之间没有任何连接；

5、N掺杂区2的层间传输电阻Rs1＝(ρ*S)/(h*W)；

为了实现本发明减少电流富集的功能，需要提高分隔区N掺杂区2的方阻，从N掺杂区2传输电阻公式可得，提高分隔区N掺杂区2的方阻，需要减小电池片7的宽度W，提高分隔区距离S，因此本实施例更加适用于叠瓦、拼片或半片等使用切割小片的组件，提高分隔栅线之间的距离对电池的影响不大。

光伏组件包括电池片7，电池片7串联、并联组成光伏组件电路，光伏组件电路输出电能。电池片7并不能直接用于发电，没有封装的电池片7容易受到外部环境的侵蚀，如电极、导电互联材料氧化、失效，电池切片碎裂等，另外单个的电池片7输出电压有限，如一个M2的电池片7工作电流在10A左右，但是工作电压却比较小，只有约0.6V，实际应用中一般都是先把一定数量的电池片7组成电池串，然后将电池串互联排布后通过与玻璃、胶膜(EVA/POE)、背板等封装材料经过层压密封后形成组成光伏组件

光伏组件的内部电路连接方式包括串联、并联或者串并联混合等，如传统的组件只使用串联连接，半片、叠瓦组件包含串联和并联两种连接，如图2所示为本实施例一种包含串联、并联的结构的光伏组件等效简化电路，本发明对电池栅线的分隔适用于任何光伏组件排布模式，此只是举其中一列说明。

光伏组件发电系统如图3所示，包括光伏组件矩阵、控制器、蓄电池、直流负载、逆变器和交流负载/国家电网；光伏组件矩阵提供电能通过控制器控制电能通过蓄电池输出直流负载，或者控制器控制电能通过逆变器输出交流负载/国家电网。光伏组件矩阵由光伏组件串联、并联的方式组成，系统通过光伏组件矩阵电路输出电能。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (11)

1.一种晶硅电池，包括栅线、衬底、掺杂区和背场，衬底上层为掺杂区，衬底和掺杂区构成PN结，衬底下层为背场，掺杂区的上层和背场的下层均为栅线，其特征在于，掺杂区上层的栅线由若干区域组成，各个区域之间间隔设置。

2.根据权利要求1所述的一种晶硅电池，其特征在于，间隔设置的栅线区域数量不少于两个。

3.根据权利要求1所述的一种晶硅电池，其特征在于，所述电池包括切片组件。

4.根据权利要求3所述的一种晶硅电池，其特征在于，所述电池为叠瓦电池、拼片电池或半片电池。

5.根据权利要求1所述的一种晶硅电池，其特征在于，栅线分为主栅和副栅，主栅上设置有导电互联材料。

6.根据权利要求1所述的一种晶硅电池，其特征在于，所述的衬底为P型或N型衬底。

7.根据权利要求6所述的一种晶硅电池，其特征在于，所述的掺杂区为N型或P型掺杂区。

8.一种光伏组件，包括如权利要求1-7任意一项所述的一种晶硅电池，其特征在于，电池串联、并联组成光伏组件电路。

9.根据权利要求8所述的一种光伏组件，其特征在于，所述光伏组件包括若干条主栅，每条主栅的一侧或两侧均匀或非均匀的连接有若干条副栅。

10.一种光伏发电系统，包括如权利要求8-9任意一项所述的一种光伏组件组成的光伏组件矩阵，其特征在于，还包括控制器和负载，光伏组件与控制器连接提供电能，控制器控制电流流向负载。

11.根据权利要求10所述的一种光伏发电系统，其特征在于，负载包括直流负载和交流负载。

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