降低光伏组件生产损耗的研究

作者：申燕，侯俊杰，韩燕旭，贾艳飞，姚旭 来源：《新材料产业》 2016年第3期

随着煤炭、石油等资源的日益枯竭，环境也在日益恶化，寻求新能源取代化石能源已成为历史的必然。光伏发电以其无污染、能源广、无地域限制等巨大优势，在新的历史需求下脱颖而出，引起人们的广泛关注。光伏发电系统中的核心部分是光伏组件，其作用是吸收太阳能，并将其转化为电能，有的电能被送往蓄电池进行储存，有的电能则被直接使用。

电池片作为光伏组件的基本发电源，由于单片电池片在接受阳光照射时，产生的电流和电压很小，不能满足使用要求，因此需要将电池片串、并联焊接起来，经过严密封装，做成组件。通常，组件的规格有6×10（宽6片电池片，长10片）、6×12等。光伏组件的生产工序主要包括：电池片焊接、电池串敷设、组件层压、装框、功率测试；所涉及的原辅材料多达十余种，主要为：电池片、焊带、汇流条、钢化玻璃、乙烯-乙烯醋酸酯共聚物（EVA）、背板、铝边框、接线盒、硅胶等。其中，电池片作为光伏组件生产中最基本的原材料，不但价格昂贵，而且最易损坏。降低电池片损失，提高电池片利用率，成为降低光伏组件生产成本的有效措施。

电池片的损失包括原损和工损2方面，原损、工损一般以是否焊接为界限，焊接前发现的不可用电池片称之为原损，焊接后的称为工损。寻找影响电池片原损、工损的因素，进而采取相应措施，减少电池片损失，是光伏行业努力的方向。本文就光伏组件生产中电池片损耗的因素，分别从原损和工损2个方面进行探讨。

一、原损的影响因素

电池片的原损主要包括2方面，一方面是由于电池片外观不合格而不允许投产，比如：脏污、色差、漏浆、栅线不良、背场不良、氧化、崩边、烧结不良等，统称之为“外观不良”；另一方面是指由于电池片破损而不能投产，称之为“碎片”，碎片包含小缺角、裂片、隐裂。影响原损的因素主要有以下2点。

1.片源等级

通常情况下，电池片等级分为A级片、B级片、C级片。A级片是指按照电池片检验标准（通常按照国家标准，有时应客户要求有略微差异）检验出的合格片，是光伏组件生产的首选片源，也是市场上交易的主要片源。B级片外观较A级片要求略低，比如：单片允许有轻微颜色差异、轻微滚轮印、轻微线痕、轻微栅线缺失等，这些瑕疵不允许出现的A级片中，但由于问题较小，不影响电池片整体外观；同时，与A级片相比价格较低，在市场上也得到一定关注。低于B级片要求的统归为C级片，C级片一般不采用。由于B级片在外观上较A级片本身存在差距，所以，组件生产过程中，B级片原损率远远高于A级片。

图1是笔者所在公司2015年4-8月份A级片、B级片外观不良率折线图，可以看出，A级片外观不良率平均值为0.067%，B级片外观不良率平均值为1.582%，B级片外观不良率高于A级片1.5%。图2是该时间段A级片、B级片碎片率折线图，可以看出，A级片碎片率平均值为0.547%，B级片碎片率平均值为1.540%，B级片碎片率高于A级片1.0%。无论是外观不良率，还是碎片率，A级片都远低于B级片，因此，选用A级片是降低原损的主要途径。

2.二次分选与否

根据电池片外观颜色的不同，A级片通常由浅蓝到深蓝分为A1、A1+、A2、A3四类。然而，由于对颜色辨识或要求上存在个体差异，为避免生产出“色差组件”，生产过程中，有时会对

A级片进行重新分选，将颜色细分为6类或者更多。电池片是极薄易碎的物品，再次进行人工分选，势必增大电池片“碎片率”。事实上，合格供应商提供的A级电池片无论在颜色还是其它外观要求上，可以完全满足直接上线要求。另一方面，因为分选人员个体差异，再次分选可能会将电池片的一些缺陷放大，通俗讲，就是“过于严格”，把可以投用的电池片拦截下来，增大外观不良率。例如，图2A级片碎片率折线图中，4-6月份采用“先分选、再上线”的方式，7、8月份采用“不分选、直接上线”的方式，可以看出，7、8月份A级片碎片率（平均值）由0.695%降至0.324%。放眼市场光伏企业，A级电池片“不分选、直接上线”做法已很成熟。因此，对于合格供货商，尽量采取“不二次分选，直接上线”的做法，可避免电池片破裂，降低碎片率，减少原损率。

二、工损的影响因素

在电池片焊接、电池串敷设、组件层压、装框、功率测试的任何一个环节，都可能会出现因为发现电池片某种异常而需要进行更换、返工的现象。异常越多、发现的越晚，造成的工损和返工的难度也越大，带来的损失除了电池片之外，还有其他材料损失。因此，找准影响电池片工损的因素，及早发现异常，是降低损失的最佳途径。电池片工损集中出现在焊接工序，表现形式主要为电池片破裂。引起焊接工序电池片破裂的因素多种，有焊接方式的因素，也有工艺、材料、环境、人工等因素。

1.焊接方式

电池片焊接分为手工焊接和自动焊接2种。手工焊接首先将电池片从盒中取出，放到焊接台进行单焊，然后将单焊好的电池放回暂存区，最后再将单焊好的电池片放至串焊台进行串焊，整个过程电池片被移动了3次，电池片移动的次数越多，破碎的几率就越大。同时，正面焊接时，由于电池两面的应力不同，会导致电池片弯曲变形；背面串焊时，电池片同样会再一次弯曲变形。受热变形2次，大大增加了发生隐裂的机率。

自动焊接首先用机械手将电池送入设备内执行定位测试，然后将电池和焊带进行预装配，最后将电池的正面和背面同步焊接，使单焊和串焊工序合二为一。与手工焊接相比，自动焊接对不但降低了电池片的操作次数，而且实现了单焊、串焊的同步进行。另一方面，自动焊接时机械手对电池片施加的机械力是稳定可控的，同时可以进行均匀、可控的温度处理。

相比之下，手工焊接时，手指和烙铁将焊带在电池片的主栅线上对齐并施加一定的力，这些力在常规下能够得到良好控制，当操作员缺乏经验或身体精神状态不佳时，不仅焊接效果会大打折扣，还可能导致电池片破裂。同时由于人工不可能在350℃左右的温度下接触电池片，电池片与焊接温度温差大也是必然存在的，也会增加裂片的机率。这也是手工焊接工艺的局限性。目前，国内光伏行业采用的自动焊接机有瑞士库迈思（Komax）公司的Xcell-X2、西班牙格罗萨伯（Gorosabel）集团的SL200、德国帝目（TeamTechnik）公司的TT1200和SOMONT公司的Stringer1200，其他国外自动焊接机有意大利的2BG、日本的外山和NPC。国内自动焊接机的主要供应商有无锡斯威克科技有限公司、天津必利忧科技发展有限公司、宁夏小牛自动化设备有限公司、石家庄冀展新能源设备有限公司。另外，河北工业大学机器人及自动化研究所为江苏爱动力自动化设备有限公司研发了一套太阳能电池高速焊接系统SPLW2400。

电池片极薄易碎的固有特性决定了对电池片的运输、接触次数越多，不确定因素越大，电池片破碎的机率也就越大。自动焊接将电池片的操作次数降至最低、消除了手动工艺存在的变数，减少了电池片碎片率。行业内采用自动焊接方式，A级片碎片率在0.3%以内。因此，引进全自动焊接设备，采用自动焊接工艺，是该行业今后努力的方向。

2.材料、工艺、环境的因素

除了焊接方式外，电池片的种类、焊接的材料、工艺及环境因素都会影响到电池片的工损。单晶电池片较多晶电池片易碎，这是由电池片本身的性质决定的；焊带软硬度要得当，在焊带满足抗伸强度与延伸率的前提下，手工焊接要求焊带的状态越软越好，软态的焊带在烙铁头走过之后会很好地和电池片接触在一起，焊接时产生的应力很小，可以降低碎片率。焊接温度要适中，温度偏低时，会形成虚焊；而温度偏高，又会使电池片由于热应力而产生变形，导致隐裂和碎片的产生。

王慧对电池片焊接过程的热应力和残余应力进行了研究。研究发现，焊接时温度分布不均匀是造成热变形和应力的主要原因。一方面，通过改进太阳能电池自动焊接机设备，焊接单元采用软接触电加热焊接技术，在成品输送装置上增加电加热模块来对成品电池片进行阶梯冷却，可以有效防止微纹裂和破片的产生。另一方面，通过增加预热环节，选择合适的焊接温度、焊带型号，可有效降低热变形和应力，进而降低碎片率和电池片焊接后的弯曲度。研究结果显示，焊接系统的预热温度在130～140℃、焊接温度选择230℃、焊带规格为2mm×0.25mm时比较合适，采用改进后焊机设备的碎片率小于0.25%，达到了行业碎片率低于0.3%的标准，这些措施使光伏电池片焊接的品质得到了提升。

3.人工因素

无论手工焊接，还是自动焊接，人为因素都是存在的。对于手工焊接，员工应保持焊接桌面清洁，当桌面上残留碎电池渣、锡珠、锡渣等时，用力焊接，会造成电池片破裂；员工焊接时，用力、速度都要适中，用力太小、速度太快，会造成虚焊；但用力过大，速度太慢，会导致电池片破裂[1]；员工手法要正确，不恰当的手法甚至会导致大量电池片损坏；除此之外，人员的注意力，甚至心理状态都会影响到工损情况。自动焊接受人的因素影响较小、焊接质量相对稳定，但需要操作人员定期上下料，熟练操作机台设备、标准化作业，尽量减少由于人为因素带来的损失。

此外，电池串敷设过程是一个对电池片再次查看的过程，此过程可以将不合格电池片替换出来。电池串敷设与层压之间有一个红外缺陷（EL）测试环节，通过EL测试，可以将黑片、暗片、裂纹的电池片检查出来。如人为疏忽，不对此过程认真查看，造成不合格电池片流转到层压之后，造成的返工代价极为昂贵，因此，需要认真排查敷设和E L测试工序。敷设过程由于人为因素，也可能导致电池片裂片。为了降低工损率，一些企业会将E L测试测出的黑片、暗片归到原损率中(这部分损失是电池片本身存在的)。

为了保证光伏组件生产的稳定性和产品的高质量，需要不断给新手提供工作培训的机会，传授生产经验，在降低成本的同时确保品质的稳定，这是进一步优化生产工艺，降低光伏组件制造成本的基础。

三、结语

光伏企业的发展壮大，离不开成本把控。电池片作为光伏组件生产的主要材料，其成本占据主要部分，降低电池片损耗、提高电池片使用率是成本把控的主要途经。总的来说，电池片片源越好、人与电池片接触的机会越少、采用更优良的自动焊接设备、员工操作越标准、责任心越强，光伏组件生产中电池片的原损、工损就会越少，光伏企业的成本就会降低。

10.3969/j.issn.1008-892X.2016.03.015