太陽能行業(yè)中的雙面半片技術(shù)

太陽的光線出現(xiàn)在生活中的每一個地方，人們的生活已經(jīng)離不開太陽，太陽能不僅為植物生長提供光源，而且也能為人類提供能源，現(xiàn)在的光伏發(fā)電就是很大程度上利用了太陽能。光伏制造業(yè)的發(fā)展有如一部時代大片，跌宕起伏，扣人心弦，而身處其中的光伏人更是深有體驗(yàn)。在我們的意識印記中，制造業(yè)更多地意味著儀容嚴(yán)肅的數(shù)字和數(shù)據(jù)。

倘若換個角度思考：讓數(shù)字變成文字，讓文字擁有靈魂，以數(shù)入文，以文入哲，我們或可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)制造業(yè)的哲學(xué)之美。在近期第四屆雙玻大會上，CQC向億晶光電隆重頒發(fā)全球首張雙面雙玻組件領(lǐng)跑證書。獲證組件是億晶光電量產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)品，采用PERC雙面和半片等多種前沿技術(shù)，對于光伏制造業(yè)具有里程碑意義。此資訊被行業(yè)媒體廣為轉(zhuǎn)發(fā)，雙面和半片技術(shù)的創(chuàng)新再次成為業(yè)內(nèi)眾多專家的關(guān)注焦點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。“知過去者，善掌未來。”筆者首嘗淺析雙面半片技術(shù)中的哲學(xué)元素，并適時穿插闡述雙面或半片技術(shù)的主要?dú)v程，以期于時間的鎖孔之中，窺探光伏技術(shù)浩瀚的未來。

雙面半片技術(shù)的哲學(xué)思維億晶光電在每種新型電池或組件產(chǎn)品的設(shè)計時，都會充分考慮電池和組件的技術(shù)可行性、成本可控性和產(chǎn)品可靠性的“三可原則”，以達(dá)到“可研、可產(chǎn)、可用”的“三可目標(biāo)”。這其中，雙面半片組件又暗含豐富的哲學(xué)思想，使得我們在慨嘆“光伏人的忙與乏”之余，可從以下角度進(jìn)一步了解此產(chǎn)品。2.1半片：一分為二在唯物辯證法中，“一分為二”是指一切事物、現(xiàn)象和過程都可分為兩個互相對立和互相統(tǒng)一的部分。光伏行業(yè)中，硅料顆粒經(jīng)若干工序成為完整硅片和電池片，再變成半片電池進(jìn)行組件封裝，卻也恰含 “合后再分，分后必合”之趣意，并與我國明末清初思想家方以智先生的“一分為二，合二而一”的哲學(xué)思想有異曲同工之感。

半片技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生隨著高效電池技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，電池短路電流和組件的輸出電流獲得大幅度提升，這使得電池和組件內(nèi)阻所造成的功率損耗顯著增加。因此，降低此部分功率損耗成為提升組件效率的的重要途徑之一。根據(jù)如下公式：光伏制造中雙面半片技術(shù)中的哲學(xué)思維在公式(1)中，R為組件內(nèi)阻，I為組件中電流串電流，P為內(nèi)阻所導(dǎo)致的功率損耗。當(dāng)R為恒定值時，則降低電流可以削減由此造成的功率損耗。從原理上講，晶硅太陽能電池發(fā)電主要過程為，半導(dǎo)體電池表面部分電子吸收光照能量后產(chǎn)生躍遷，在內(nèi)建電場作用下，產(chǎn)生電流。理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明，這一電流值與電池片面積成正比。依此理論，在不改變其他任何參數(shù)和條件的前提下，可以采用降低單體電池面積的方法來減小電池串中的電流，從而降低功率損耗?？紤]到組件電路設(shè)計的需求，半片結(jié)構(gòu)可以更好地實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)設(shè)計，保證組件的輸出電流和輸出電壓與整片結(jié)構(gòu)在同一數(shù)量級，對光伏電站設(shè)計無明顯影響。由此便形成了將晶體硅電池“一分為二”的思想。

片技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)從技術(shù)角度言，半片組件具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)提升封裝效率。半片組件封裝損失較低，一般在0.2%-0.5%，而常規(guī)組件一般>1.5%，對于PERC電池，此區(qū)別相對更明顯。故半片組件可將CTM提升1到1.5個百分點(diǎn)以上。利用了低電流特點(diǎn)，有效提高組件的封裝效率。2)降低組件溫升。組件中的電流經(jīng)過電池片和光伏焊帶時，存在焦耳發(fā)熱現(xiàn)象。一般來講，1/2劃片組件電流為正常組件的1/2，在內(nèi)阻視為近似定值的情況下，小電流可以減少焦耳熱;另外，低電流還可以顯著降低組件熱斑風(fēng)險，提高組件使用壽命。研究表明，組件功率溫度系數(shù)絕對值可降低到0.4%/℃以下，且半片組件溫度比常規(guī)組件低2℃~4℃，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，此部分發(fā)電量增量可達(dá)1%以上。3)減少遮擋損失。由于半片組件采用串聯(lián)-并聯(lián)結(jié)構(gòu)(可參圖1)，故遮擋某片電池時，其對組件輸出功率的降低值遠(yuǎn)低于整片電池所封裝組件的相應(yīng)值，故可更好地避免陰影遮擋對組件的危害，并可進(jìn)一步提升光伏電站的發(fā)電量。

光伏制造中雙面半片技術(shù)中的哲學(xué)思維圖1半片組件的結(jié)構(gòu)由于半片電池組件具有上述優(yōu)勢，且設(shè)備技術(shù)取得一定進(jìn)展，制造成本穩(wěn)定下降，故其在近年來產(chǎn)能擴(kuò)展較快。據(jù)PVinfolink數(shù)據(jù)，截至2018年8月，半片組件的產(chǎn)能已超過18GW，其中億晶光電半片組件產(chǎn)能達(dá)800MW以上，且在持續(xù)擴(kuò)容中。光伏制造業(yè)的發(fā)展有如一部時代大片，跌宕起伏，扣人心弦，而身處其中的光伏人更是深有體驗(yàn)。在我們的意識印記中，制造業(yè)更多地意味著儀容嚴(yán)肅的數(shù)字和數(shù)據(jù)。倘若換個角度思考：讓數(shù)字變成文字，讓文字擁有靈魂，以數(shù)入文，以文入哲，我們或可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)制造業(yè)的哲學(xué)之美。2.2雙面：辯證統(tǒng)一辯證統(tǒng)一乃唯物主義辯證法的基本觀點(diǎn)，是指人們在認(rèn)識事物的時候，既要看到事物相互區(qū)別的一面，又要看到其相互聯(lián)系的一面。從兩個方面看問題，方可透視其本質(zhì)。最早出現(xiàn)的太陽能電池采用單面發(fā)電形式，其單面發(fā)電的性質(zhì)使得電池和組件的另一面成為能源轉(zhuǎn)化的荒漠。為彌補(bǔ)這一缺憾，雙面技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果顯示，雙面技術(shù)最早始于20世紀(jì)60年代。1966年，日本科學(xué)家H.Mori申請首個雙面結(jié)構(gòu)太陽電池的專利，其電池結(jié)構(gòu)是P /N/P ，在N型硅片兩邊都形成P-N結(jié)，同時在電池兩邊都有發(fā)射極和接觸柵線電極，該結(jié)構(gòu)被叫做三極管電池。而雙面電池概念的提出則應(yīng)歸功于前蘇聯(lián)科學(xué)家A.Zaitseva和O.Fedoseeva帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)。

自雙面電池問世始，前期主要是國外團(tuán)隊(duì)和企業(yè)在做研發(fā)和量產(chǎn)推廣。1)早期的雙面太陽電池主要局限于空間應(yīng)用。2)2000年以后，雙面太陽電池技術(shù)又重新受到重視。日本日立公司在三極管電池結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，制備出高效雙面電池，其正面效率達(dá)21.3%，背面效率達(dá)19.8%。3)同時，日本三洋公司(現(xiàn)已被松下并購)開始商業(yè)化其專利雙面電池-帶本征薄層的非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池(HIT)。德國康斯坦茨國際太陽能研究中心(ISCKonstanz)和荷蘭能源研究中心(ECN)等機(jī)構(gòu)也加入到晶硅雙面太陽電池的產(chǎn)業(yè)化研究與推廣。隨著中國光伏在21世紀(jì)10年代的崛起，雙面電池和組件在中國的研發(fā)和量產(chǎn)以后起之秀勢態(tài)雄冠全球。2010年左右，中國開始出現(xiàn)量產(chǎn)雙面電池，2015后有更多的中國光伏企業(yè)啟動晶體硅雙面太陽電池的研發(fā)與量產(chǎn)計劃。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)雙面電池總產(chǎn)能已達(dá)20GW，增幅高達(dá)100%，以億晶光電為例，其目前雙面電池總產(chǎn)能占其電池總產(chǎn)能的70%以上，量產(chǎn)雙面電池的正面效率達(dá)22.2%。預(yù)計明年國內(nèi)雙面電池產(chǎn)能仍將保持較大增幅，厚積薄發(fā)的雙面電池技術(shù)迎來更佳發(fā)展契機(jī)。2.3減反與增反：矛盾統(tǒng)一在單面太陽能電池為主的時代，光伏技術(shù)主要以減反射(以下簡稱“減反”)為主。而隨著雙面電池和組件的規(guī)模應(yīng)用，光伏技術(shù)人員、組件制造商和電站業(yè)主越來越重視增反射(以下簡稱“增反”)技術(shù)的研究。雙面組件和系統(tǒng)中的減反與增反，貌似一對矛盾，但又可以和諧地實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，共同推進(jìn)光伏行業(yè)的發(fā)展。2.3.1減反技術(shù)采用新的光伏技術(shù)或材料結(jié)構(gòu)，以減少入射光的反射，可提高光的有效捕捉，從而提高太陽能電池和組件效率，為未來的光伏平價上網(wǎng)提供重要的技術(shù)支撐。目前光伏行業(yè)中的減反技術(shù)主要有：1)電池中的減反技術(shù)。目前主要應(yīng)用有不同材料的減反膜和減反結(jié)構(gòu)設(shè)計。2)組件中的減反技術(shù)。目前主流技術(shù)為減反膜玻璃，用以進(jìn)一步降低組件正面的光污染，對提升組件的CTM值有積極貢獻(xiàn)，同時對分布式的推廣應(yīng)用亦頗有意義。

增反技術(shù)實(shí)際上，此前增反技術(shù)在光伏組件結(jié)構(gòu)中也有一些應(yīng)用，但直到雙面組件規(guī)模應(yīng)用始，大家才對此予以關(guān)注。與減反技術(shù)所不同的是，增反技術(shù)主要應(yīng)用于光伏組件和系統(tǒng)。1)組件中的增反技術(shù)。主要包括高反射背板材料(包括高反射率高分子背板、雙面雙玻組件中的鍍釉網(wǎng)格玻璃)、電池背面高反射率的高反射白色封裝材料技術(shù)等。2)系統(tǒng)中的增反技術(shù)。此方面僅適用于雙面組件，即在光伏系統(tǒng)的地面采用設(shè)計的反光方案，使得更多的光線能夠從地表反射到組件的背面，更好地實(shí)現(xiàn)雙面組件的發(fā)電增益。3)其他類增反技術(shù)。比如目前市場有小規(guī)模應(yīng)用的覆于焊帶表面的定向反光膜和反光焊帶技術(shù)等。三、從雙面和半片的發(fā)展看未來光伏技術(shù)格局“創(chuàng)新”是五大發(fā)展理念的核心。光伏前沿技術(shù)從無到有，從有到強(qiáng)，百花齊放，是光伏行業(yè)貫徹創(chuàng)新理念的最好體現(xiàn)。2015年領(lǐng)跑者計劃的實(shí)施，力促行業(yè)快速駛向平價上網(wǎng)的彼岸。制造端方面，PERC、N型電池、HIT、IBC、雙面電池技術(shù)、黑硅、MWT等多種電池技術(shù)，以及半片電池、雙面組件、疊瓦、多主柵、異質(zhì)結(jié)等多種組件技術(shù)強(qiáng)勢進(jìn)入光伏行業(yè)技術(shù)人員攻關(guān)課題名錄和光伏市場，為光伏行業(yè)和市場注入了強(qiáng)勁的生命力。評價體系建設(shè)方面，CQC等國內(nèi)權(quán)威機(jī)構(gòu)自2015年7月即初步構(gòu)建領(lǐng)跑者技術(shù)評價體系，并力推相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，為領(lǐng)跑者計劃實(shí)施提供必要的技術(shù)支撐，為規(guī)范化光伏領(lǐng)跑者市場做出積極貢獻(xiàn)。

在光伏新技術(shù)爆發(fā)的今日，業(yè)內(nèi)諸多專家在多種場合對未來光伏的技術(shù)格局進(jìn)行多次激烈的討論，也會有一些大膽的看法認(rèn)為將來某種電池技術(shù)或組件結(jié)構(gòu)將會壟斷行業(yè)。目前太陽能還未能更好被人類利用，需要科研人員不斷努力，研究出更高效地產(chǎn)品，這樣才能保證我們?nèi)祟惖哪茉磯蛉祟惏l(fā)展所需。