晶硅电池正面电极：从多主栅到无主栅

太阳能电池的正面设计交织着太多的优化、约束和妥协，这里也因此成了厂家专利申请和设备制造商新技术研发的必争之地。传统晶硅电池正面采用银质的细栅和主栅将电池产生的电能收集并传到出去。为什么最近几年陆续有厂家尝试将主栅数量从2根提到到3、4甚至是5根？究竟主栅的数量在多少合适？为什么Schmid，Meyer Burger和GT Advanced Technology都提出了自己的无主栅正面金属化方案？近几年来，太阳能电池主栅的数量成为人们口中的热门话题。电池厂商从提高效率的角度将主栅从2根提高到3跟甚至5根，而设备制造商从降低成本的角度出发也打起了主栅数量的主意，将原本焊接在银主栅上的焊带替换为铜电极并一口气将数量提升到十几条甚至几十条。为做区分，本文将这两种提高主栅数量的技术路线分别称为多主栅和无主栅技术，两个技术殊途同归，拥有高性能和低成本两方面优势，本文将向你介绍这一技术发展的前世今生。电极的设计太阳光从电池正面进入电池，正面的金属电极会遮挡一部分硅片，这部分照在电极上的光能也就无法转变成电能，从这个角度看，我们希望栅线做的越细越好。而栅线的责任在于传导电流，从电阻率的角度分析，栅线越细则导电横截面积越小，电阻损失越大。因此主栅和副栅设计的核心是在遮光和导电之间取得平衡。此外，由于制作栅线的浆料主要成分为价格较高的贵金属银，而将电池串联为组件的过程中需要将一片电池的主栅通过焊带与相邻电池的背面焊接。因此电池正面电极的设计还牵扯成本和焊接工艺等复杂的方面。正是在种种妥协下，在5寸硅片占市场主流的岁月中，晶硅电池的电极设计都保持着人们印象中的细栅配合2条主栅的结构。随着近年来硅片尺寸的变大，细栅长度被迫加长；而随着网印技术的改进，网印栅线越做越细；最后近年来硅片成本大幅下滑后，用于正面电极的银浆材料在电池生产成本中的份额逐渐提升。这些因素都对电池正面电极的设计提出了新的要求。电池厂商的“维新”在上述背景下，电池厂商选择了一条“维新”式的技术升级之路解决正面电极设计的新问题。日本的京瓷成了其中第一个吃螃蟹的制造商。虽然京瓷2013年在全球组件供应商排行中仅排名第九，太阳能也不是京瓷的目前的主营业务，但其实京瓷早在1975就开始进入太阳能产业，并在1998年成为当时全球产量最多的太阳能制造商。进入20世纪初，京瓷的研发人员遇到了这样一个问题，为了进一步提高太阳能电池的效率，他们尝试采用更细的主栅和细栅增加电池的有效受光面积，但由于之前介绍过的原理，随着电极变细串联电阻提高，电池的填充因子也因此降低。为了解决这一矛盾，京瓷寻找到的解决方案是增加主栅的数量。这样不但可以减少电流在细栅中经过的距离，还减少了每条主栅自身承载的电流。意味着3主栅结构在电池层面可以配合更细的栅线而不会显著影响填充因子，增加主栅的数量对减小电池组串后的电阻同样有效。京瓷称自己的3主栅电池“不但增大了有效受光面积，相比与传统2主栅电池，经过优化后的3主栅电池电阻损耗更小，效率更高。”随后，京瓷也为自己的3主栅设计申请了专利。遵循同样的思路，三菱在2009年推出拥有四条主栅的太阳能电池。2012年，业界传出京瓷将凭借自身专利限制采用同类的3主栅产品在日本销售，虽然这一专利最终并没有显现出苹果“圆角矩形”在手机行业那般的威力，但仍然在行业内敲响了专利的警钟。随着时间迈入2013年，越来越多的电池制造商在专利或效率的压力下开始了增加主栅数量的尝试，力诺光伏、中利腾辉、尚德、阿特斯和海润先后推出了自己的四主栅电池或组件产品，而中电电气更是直接推出了名为Waratah的5主栅系列电池和组件。这里我们将主栅数量大于3但仍保留传统设计原则的电极设计称为多主栅结构。但在传统网印电池生产的框架下，主栅数量增加确实可以减小电阻损耗，但有其限制之处。若想在减小电阻的同时不至于增加遮光损失和材料成本，就要像当初京瓷那样减小栅线的宽度。但细栅的宽度受制于网印的工艺，而主栅又因为还肩负着连接焊带的责任而无法太细，太细的主栅将造成焊接的困难，无法保证焊接拉力。这也是我们现在并没有看到太多的量产的多主栅类型的产品的根本原因。其实康斯坦茨大学的研究人员早已通过计算发现，即使不考虑银浆成本，在主栅宽度一定的情况下（1.4mm），在组件层面来看，4主栅就是最优的结构了。超过4条主栅后，额外主栅带来的遮光损失将超过它减少的电阻损失。而如果主栅宽度是根据数量优化且不受工艺限制的话，那组件效率会随着主栅数量的提高和宽度的减少而提高。通过这样的分析我们不难看出，若是想进一步发掘提高主栅数量的潜力，就必须将主栅汇流和焊接的职能区分开，进而使用更多更细的主栅。设备制造商的“革新”更多更细的主栅正是同一时期设备制造商给出的答案。厂商从新技术降低生产成本带动设备销售的角度出发，以减少银在太阳能电池工艺中的使用为目标，选择了另外一条相对“激进”但眼光更为长远的路径。通过新的设计，主栅可直接链接到相邻电池的背面而无需搭配焊带，虽然与电池厂商的“维新”一样提高主栅的数量，但其不再局限于渐进式的从2增加到5，而是直接增加到两位数。由于主栅更密集，电流在细栅上传到的距离大大缩短，这意味着主栅和细栅都可以做的更细更薄，导电性等相对弱一些但价格更低的材料也有机会摆脱冷板凳。由于这一类技术中主栅其实更可以看作是替代了传统焊带的角色，让更多更细的焊带直接链接电池细栅，汇集电流的同时实现电池互连，在电池层面取消了传统的主栅，我们将这一类技术称之为“无主栅”（busbar-free）技术。目前市面上出现的无主栅技术基本遵循以下设计。保留传统的第一步正面网印，在电池上制作底层的栅线，我们仍遵循传统称其为细栅。而后通过不同的方法将多条垂直于细栅的栅线覆盖在其上，形成交叉的导电网格结构，为介绍方便，我们仍旧称呼第二层栅线为主栅。主栅的材料目前多为铜线。其具体技术又各有不同，各家也有其独到的优势。无主栅技术对比最早提出无主栅概念的是加拿大电池和组件公司Day4 Energy，该公司在2008年就获得了后来被称为Day4 Electrode的专利技术。该技术对传统电池工艺的革新体现在金属化和互连两个工艺中，电池在PECVD减反射镀层后网印细栅，而后不网印主栅，而是将一层内嵌铜线的聚合物薄膜覆盖在电池正面，如图一所示。这层薄膜内嵌的铜线表面也镀有特别的低熔点金属，在随后的组件层压工艺中，层压机的压力和温度帮助铜线和网印的细栅结合在一起。这些铜线的一端汇集在一个较宽的汇流带上，在同一步层压工艺中连接在相邻电池的背面。2011年，Day4 Energy将更名为DNA技术的电池连技术成功应用于Roth & Rau的异质结电池，并取得了19.3%的组件效率。同年总部位于瑞士的设备制造商Meyer Burger收购Roth & Rau。2012年Day4 Energy因经营不善从股票市场退市，并将其技术出售给Meyer Burger，后者将DNA技术更名为SmartWire并继续开发，并于2013年向市场发布。由于Day4 Energy前期的市场耕耘，Meyer Burger称使用该技术的组件已经在世界各地的电站项目拥有了200MW的安装量。与传统3主栅技术相比，由于铜线的截面为圆形，制成组件后可以将有效遮光面积减少30%，同时减少电阻损失，组件总功率提高3%。由于30条主栅分布更密集，主栅和细栅之间的触电多达2660个，在硅片隐裂和微裂部位电流传导的路径更加优化，因此由于微裂造成的损失被大大减小，产线的产量可提高1%。更为重要的是由于主栅材料采用铜线，电池的银材料用量可以减少80%。Schmid2012年德国太阳能设备制造商Schmid也发布了自己的无主栅技术Multi Busbar。虽然设计理念与Day4 Energy的技术类似，但实现方式有所不同。其主栅也为有特殊镀层的铜线，但铜线不是内嵌在聚合物薄膜中，而是直接铺设在电池表面。除铜线铺设方式外，另一点显著不同在于Schmid技术对细栅的要求，细栅网版需特殊设计，在细栅与主栅交界处预留焊盘，如图四栅线交叠处所示。在电池网印细栅完成后，电池来到改进的串焊机，而串焊机将通过图像识别技术配合真空吸盘，将15条铜线将精确的铺设在电池表面的细栅的焊盘之上，并采用红外辐射完成焊接，同时也将铜线焊接在相邻电池的背面。焊接完成后的电池进行普通的层压。Schmid的无主栅技术可以说在最大程度上继承了现有的网印电池和组件工艺。所需更换的就是细栅网版和新的串焊设备。与Meyer Burger类似，Schmid称相比3主栅，其Multi Busbar技术可以降低电阻损失，将填充因子提高0.3%， 效率净提高0.6%。银浆的用量也可以降低75%。GT Advanced Technology在这一波无主栅设备的浪潮中，总部设于美国的GTAdvanced Technology公司也不甘示弱，在2014年3月发布了名为Merlin的无主栅技术。该技术在一种实现方法在设计理念上更偏向SmartWire，在细栅网印后，镀层铜线铺设在电池正面，在组件层压步骤中一次完成主栅细栅间和电池间的互连。根据专利，Merlin技术还有其他电池互连的实现方法。具体到发布会上公开的设计，从图六可以看出，Merlin技术的细栅采用分段结构，这进一步挖掘了主栅数量增多所带来的优势，通过分段的细栅进一步减少银的用量和正面遮挡。相对的，这样也带来了额外的问题，即如果一条铜线断裂，则这一串短细栅的电流都将无法收集。为了解决这一问题，我们看到Merlin的主栅铜线之间出现了不同于SmartWire和Multi Busbar的浮动连接线，据推测这些连接线与电池的发射极并不相连，仅起到主铜线之间的互联作用，或许兼具一些支持作用。这就引出了Merlin与SmartWire的另一个不同，其铜线并不一定需要聚合物薄膜的支撑，铜线与连接线组成的网络结构自身可能就可以维持形态铺设在电池上，并在层压工艺中与分段细栅互连。组件商则向GTAT购买Merlin铜网和铺设设备，用于将购买的半成品电池加工为组件。展望综上，无主栅电池的优势主要在于通过减少遮挡和电阻损失增加组件功率，通过使用铜线代替银主栅降低成本。传统技术往往在提高效率的同时增加了成本，但无主栅技术破天荒的实现了鱼和熊掌的兼得。SmartWire和Merlin更是突破了传统的电池组串工艺，使电池排布更自由，更紧密，采用上述技术的组件有望更小更轻，对下游项目开发来说，这就意味着安装中更小的占地面积，更低的屋顶承重要求和更低的人力成本。此外，无主栅作为一种电池互连技术与其他技术广泛兼容。不但可以搭配网印电极和镀铜电极，还可以用于异质结的ITO。反观问题方面，虽然该技术兼容网印工艺，但如果设备制造商想要采用无主栅技术，还是需要购入新设备并调整配套工艺的参数。除MeyerBurger的SmartWire技术外，其他无主栅技术目前缺乏项目验证，在实际性能和可靠性缺乏证明的情况下，项目开发商如果采用这样的新技术组件，在融资方面将面临巨大挑战。国际光伏技术路线图（ITRPV）委员会日前公布了2014年最新版本的路线图，其中指出电池中使用的银已经成为限制成本进一步降低的重要因素，其成本为每瓦0.0167美元，约占电池非硅成本的10%。作为替换银的材料，业界一直对铜寄予厚望。但由于网印技术的持续改进，ITRPV预计镀铜电极在光伏产业大规模使用将会推迟到2018年以后。近年来网印技术的改进主要在于二次印刷（double print）和分次印刷（dual print），其中后者将细栅和主栅的网印步骤分开，通过在主栅网印中使用含银更低的浆料实现降低成本的目的。网印技术的这些改进也将会拖延无主栅技术的推广。GTAT在发布其Merlin技术时表示，2014年将进行该技术的各项认证和生产准备，2015年正式推向市场。到2018年，公司Merlin相关业务的产值预计达到4亿到10亿美元，占电池互连新技术市场的8%到20%。GTM Research的分析师在评论该技术时表示，2015年将成为电池组件制造商 “重新开始设备投资的一年，Merlin技术有望借助这波投资的东风。”雷军在概括小米手机的成功时说：“站在风口上，猪也会飞起来。”笔者也认为无主栅技术的产业化将很大程度上受产业环境的影响。虽然去年以来组件价格恢复稳定，但制造企业仍在恢复元气，短期难以进行设备投入，尤其是对电极制作和互连这样关键工艺的升级。而ITRPV的预测偏重镀铜电极，无主栅技术中使用的铜线既可以搭配镀铜电极，也可以兼容网印细栅，即无主栅可以起到两种电极材料的过渡，其产业化难度将低于镀铜技术。因此，intoPV Research的预测介于GTM Research和ITRPV之间，我们预计在2016年到2017年，无主栅技术将有机会实现大规模产业化应用。（李阳）