Warum BC-Solarzellen anfälliger für Biegung und Verzug sind
Inhaltsverzeichnis
Kurze Antwort: Rückkontaktzellen neigen stärker zum Durchbiegen und Verziehen als Vorderseitenkontaktzellen, da beide Polaritätskontakte auf der Rückseite liegen, sodass das Metallisierungsvolumen der Rückseite und die dadurch eingebrachte Spannung gegenüber der Vorderseite unausgeglichen sind. Wenn die Zelle nach dem Feuern abkühlt, zieht sich das rückseitige Metall gegen eine nicht metallisierte Vorderseite zusammen, und das Ergebnis ist eine Krümmung, die in Bruchteilen eines Millimeters über eine 182-mm- oder 105-mm-Zelle gemessen werden kann. Die beteiligten Prozesstemperaturen – etwa 110 °C in späteren Schritten gegenüber einer Umgebungsreferenz nahe 22 °C – bestimmen, wie viel differentielle Kontraktion sich ansammelt. Durchbiegung ist wichtig, weil eine verzogene Zelle nicht flach auf dem Stringer oder im Laminat aufliegt, was zu Positionierungsfehlern, ungleichmäßiger Dicke des Verkapselungsmaterials nach der Laminierung und im schlimmsten Fall zu Mikrorissen an der Verbindungsstelle führt.
PV-Modulfertigung · von Jerry, Ooitech
BC-Solarzellen-Verbiegung und -Verwerfung
Im intensiven Wettbewerb zwischen den Technologierouten der Photovoltaik stechen BC- oder Rückkontakt-Solarzellen durch ihr effizientes und optisch sauberes Design hervor. Da keine Metallfinger auf der Vorderseite vorhanden sind, sind BC-Zellen zu einer der am genauesten beobachteten Technologierichtungen der Branche geworden.
Hinter diesem sauberen Erscheinungsbild verbirgt sich jedoch ein schwieriges Fertigungsproblem: BC-Zellen neigen naturgemäß eher zu Verbiegung und Verwerfung.
Wie Branchenspezialisten betont haben, befinden sich alle Elektroden auf der Rückseite, sodass die Zelle von Natur aus anfällig für Verformung ist. Während der Modulmontage werden kontinuierlich weitere Materialien auf der Rückseite aufgebracht, darunter Isolierkleber, Lötbands und Lotpaste. Wenn diese Schichten aufgebaut werden, kann das Verformungsproblem zunehmend ernster werden.
Warum sind BC-Zellen also anfälliger für Verbiegung und Verwerfung als herkömmliche Solarzellen?
1. Strukturelle Asymmetrie schafft ein inhärentes Verwerfungsrisiko
Das markanteste Merkmal einer BC-Zelle ist, dass sowohl positive als auch negative Elektroden auf der Rückseite platziert sind. Auf der Vorderseite befinden sich keine Metallfinger. Dieses Design verbessert die Lichtabsorption, führt aber auch eine inhärente strukturelle Schwäche ein.
Forschungsergebnisse zeigen, dass BC-Zellen zeigen eine deutlich größere Verformung als TOPCon -Zellen mit über Vorder- und Rückseite verteilten Elektroden. Bei ähnlichen Rückseitenstrukturen können Frontfinger die durch Schrumpfung auf der Rückseite verursachte Verformung teilweise ausgleichen.
BC-Zellen haben diese Frontfinger nicht. Das daraus resultierende Spannungsungleichgewicht zwischen Vorder- und Rückseite macht zylindrische Verformungen während der Herstellung und Nutzung wahrscheinlicher.
Diese strukturelle Asymmetrie ist im Wesentlichen das Ergebnis ungleichmäßiger Spannung. Sie ähnelt der Art, wie sich eine Sonnenblume zum Licht hin neigt, weil ihre beschattete und beleuchtete Seite unterschiedlich schnell wachsen. In einer BC-Zelle ist die Kontraktionsspannung, die durch die mehreren Schichten auf der Rückseite erzeugt wird, viel größer als die Spannung auf der Vorderseite, was den Wafer natürlich zum Biegen bringt.
2. Thermischer Ausdehnungsunterschied zwischen den rückseitigen Materialien
Auf der Rückseite einer BC-Zelle müssen mehrere funktionale Schichten aufgebracht werden. Neben den herkömmlichen Metallelektroden können dies Isoliermaterialien, Lotpaste und Lötbänder umfassen. Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Materialien sind ein Hauptgrund für die Verformung.
Der Ausdehnungsunterschied zwischen Metall und Silizium ist besonders signifikant. Silber hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der etwa siebenmal so hoch ist wie der von Silizium. Während der Zellherstellung kann dieser Unterschied erhebliche thermische Spannungen zwischen der Silbermetallisierung und dem Siliziumsubstrat erzeugen. Die Verformung kann nach dem Drucken der Lotpaste sogar noch stärker werden.
Auch Isoliermaterialien spielen eine wichtige Rolle. Eine Isolierung ist erforderlich, um die positiven und negativen Elektroden auf der Rückseite zu trennen, aber der Wärmeausdehnungskoeffizient des Isoliermaterials unterscheidet sich von dem des Siliziumwafers. Wenn die Kontaktfläche zwischen der Isolierung und der Zelle zu groß ist, steigt der Materialverbrauch und auch die Spannung durch den Wärmeausdehnungsunterschied nimmt zu. Dies kann die Zellverformung verstärken und zu Prozessrisiken wie Zellbruch und Zellen, die beim Handling aneinanderkleben oder sich überlappen, führen.
3. Einseitiges Löten erzeugt unausgeglichene mechanische Spannung
BC-Module verwenden normalerweise einseitiges Löten, wobei alle Lötbänder auf der Rückseite konzentriert sind. Dies unterscheidet sich grundlegend vom herkömmlichen beidseitigen Löten.
Wenn beispielsweise 21 Lötbänder auf einer 182 mm × 105 mm großen Zelle angebracht werden, tritt eine erhebliche Verformung auf, wenn die Temperatur von 110 °C auf 22 °C fällt. Dies geschieht unabhängig davon, ob die Zelldicke 0,13 mm, 0,15 mm oder 0,18 mm beträgt.
Die Verformung stammt hauptsächlich von ungleichmäßiger thermischer Spannung, die beim Löten entsteht. Es ist ein inhärentes strukturelles Problem, das mit der einseitigen Verschaltung von BC-Zellen verbunden ist.
Besorgniserregender ist, dass eine Erhöhung der Zelldicke das Problem nicht effektiv löst. Simulationsergebnisse zeigen, dass einseitiges Löten eine Verformung (Warpage) von bis zu 4,9 mm verursachen kann. Selbst wenn die Zellendicke auf 0,18 mm erhöht wird, nimmt die Verformung nur um etwa 18 % ab. Unter denselben Bedingungen beträgt die maximale Verformung durch doppelseitiges Löten nur 0,07 mm.
| Lötbedingung | Zell- oder Prozessbedingung | Berichtetes Verformungsverhalten |
|---|---|---|
| Einseitiges Löten | 182 mm × 105 mm Zelle mit 21 Bändern | Signifikante Verformung während des Abkühlens von 110°C auf 22°C |
| Einseitiges Löten | Zelldicke von 0,13 mm, 0,15 mm oder 0,18 mm | Verformung bleibt bei allen drei Dicken signifikant |
| Einseitiges Löten | Simulationsergebnis | Verformung kann 4,9 mm erreichen |
| Einseitiges Löten | Dicke auf 0,18 mm erhöht | Verformung wird nur um etwa 18 % reduziert |
| Doppelseitiges Löten | Gleiche Vergleichsbedingungen | Maximale Verformung beträgt ungefähr 0,07 mm |
Das bedeutet, dass das Erreichen des Verformungsniveaus des doppelseitigen Lötens allein durch eine dickere Wafer eine Dicke weit über 0,18 mm erfordern würde. Das würde den Siliziumverbrauch und die Materialkosten erheblich erhöhen.
Das Problem kann sich auch in die Laminierung fortsetzen. Asymmetrische Verformung durch einseitiges Löten kann das Verkapselungsfolie um die Zellenränder und den zentralen Bereich komprimieren. Das Verkapselungsmaterial kann dünner werden oder sogar durchstochen werden, wodurch lokale Spannungskonzentrationspunkte entstehen, die die strukturelle Integrität und die langfristige Modulzuverlässigkeit gefährden.
4. Dünnere und größere Zellen verstärken das Problem
Die Photovoltaikindustrie verfolgt weiterhin dünnere Wafer, um Siliziumkosten zu senken, und größere Zellformate, um die Modulleistung zu erhöhen. Beide Trends können die Verformung von BC-Zellen verschlimmern. Die Forschung zeigt, dass die Reduzierung der Zelldicke und die Vergrößerung der Zellgröße die Verformung signifikant erhöhen.
Bei einer 210 mm × 210 mm Zelle erhöht die Reduzierung der Dicke von 150 μm auf 70 μm die berichtete Verformung von 1,69 mm auf 8,25 mm, was fast einer Verfünffachung entspricht.
| Zellgröße | Zelldicke | Berichtete Verformung |
|---|---|---|
| 210 mm × 210 mm | 150 μm | 1,69 mm |
| 210 mm × 210 mm | 70 μm | 8,25 mm |
Diese Zahlen verdeutlichen klar die Herausforderung, die das Dünnen von Wafern mit sich bringt. Für eine Industrie, die sowohl höhere Effizienz als auch geringere Kosten anstrebt, ist die Kontrolle der Verformung bei gleichzeitiger Reduzierung der Siliziumdicke zu einer technischen Hürde geworden, die bewältigt werden muss.
6. Branchenstrategien zur Minderung und Ausblick
Die Industrie erforscht bereits mehrere Ansätze, um die Verformung von BC-Zellen zu bewältigen. Gängige Ansätze umfassen:
Halbzellen-Moduldesigns: Kleinere Zelldimensionen können die absolute Durchbiegungshöhe reduzieren.
Optimierte Materialien und Breiten der Gitterlinien: Die Anpassung der Metallisierungsstrukturen kann helfen, die Spannung auf der Rückseite zu kontrollieren.
Niedertemperatur-Löten: Niedrigere Prozesstemperaturen können thermische Spannungen während der Verschaltung reduzieren.
Heißpressen mit leitfähigem Klebstoff: Dies bietet eine Alternative zu herkömmlichen Hochtemperatur-Lötverfahren.
Korrekturmechanismen mit gebogenen Druckblöcken: Spezielle Korrekturstrukturen können in Tabber- und Stringer-Anlagen integriert werden, um die Zellform während der Verarbeitung zu kontrollieren.
Niedertemperatur-Lötband-Verschaltung
Referenzen
Dong Peng, Forschung zu hocheffizienten N-Typ-Rückkontakt-Solarzellenprozessen
MeCan Solar, Verformungsverhalten und Optimierung der Gitterlinienstruktur von großformatigen dünnen BC-Zellen
Solar- und Energiespeicher-Review, Das ansprechende Erscheinungsbild des einseitigen Lötens kann Verformung und die damit verbundenen Risiken nicht verbergen
Ooitechs Ansicht
Die Verformungskontrolle muss als vollständiges Modulprozessproblem behandelt werden, nicht nur als Problem der Zelldicke. Löttemperatur, Bandanordnung, Druckkontrolle, Handhabung und Laminierung müssen zusammen abgestimmt werden, insbesondere wenn dünne und großformatige BC-Zellen verwendet werden. Eine kleine unkontrollierte Verformung in der Verschaltungsphase kann später in der Produktionslinie zu einem Ausbeute- oder Zuverlässigkeitsproblem werden.
