Perché le celle solari BC sono più soggette a incurvamento e deformazione

Risposta rapida: Le celle a contatto posteriore sono più soggette a incurvamento e deformazione rispetto alle celle a contatto frontale perché entrambi i contatti di polarità si trovano sul retro, quindi il volume di metallizzazione posteriore e lo stress che introduce sono sbilanciati rispetto al fronte. Quando la cella si raffredda dopo la cottura, il metallo posteriore si contrae contro una faccia frontale non metallizzata, e il risultato è una curvatura che può essere misurata in frazioni di millimetro su una cella da 182 mm o 105 mm. Le temperature di processo coinvolte — circa 110 °C nelle fasi successive rispetto a un riferimento ambiente vicino a 22 °C — determinano quanto si accumula la contrazione differenziale. L'incurvamento è importante perché una cella deformata non poggia piatta sul stringer o nel laminato, il che produce errori di posizionamento, spessore irregolare dell'incapsulante dopo la laminazione e, nel caso peggiore, micro-crepe nel giunto.

Produzione di moduli fotovoltaici · di Jerry, Ooitech

Incurvamento e deformazione delle celle solari BC

Nell'intensa competizione tra le rotte tecnologiche fotovoltaiche, le celle solari BC, o a contatto posteriore, si distinguono per il loro design efficiente e visivamente pulito. Senza linee di griglia metalliche sulla superficie frontale, le celle BC sono diventate una delle direzioni tecnologiche più seguite dell'industria.

Dietro quell'aspetto pulito, tuttavia, si nasconde un difficile problema di produzione: le celle BC sono naturalmente più soggette a incurvamento e deformazione.

Come hanno sottolineato gli specialisti del settore, tutti gli elettrodi sono posizionati sul lato posteriore, quindi la cella è intrinsecamente soggetta a deformazione. Durante l'assemblaggio del modulo, vengono continuamente aggiunti più materiali sul retro, tra cui adesivo isolante, aree della ribbon di saldaturas e pasta saldante. Man mano che questi strati si accumulano, il problema della deformazione può diventare sempre più grave.

Allora, perché le celle BC sono più soggette a incurvamento e deformazione rispetto alle celle solari convenzionali?

1. Asimmetria strutturale crea un rischio intrinseco di deformazione

La caratteristica più distintiva di una cella BC è che sia gli elettrodi positivi che quelli negativi sono posizionati sulla superficie posteriore. Non ci sono linee di griglia metalliche sul fronte. Questo design migliora l'assorbimento della luce, ma introduce anche una debolezza strutturale intrinseca.

La ricerca indica che Le celle BC mostrano una deformazione significativamente maggiore rispetto alle TOPCon celle con elettrodi distribuiti sulle superfici anteriore e posteriore. Con strutture posteriori simili, le linee di griglia frontali possono compensare parzialmente la deformazione causata dal ritiro sul retro.

Le celle BC non hanno queste linee di griglia frontali. Il conseguente squilibrio di stress tra le superfici frontale e posteriore rende più probabile la deformazione cilindrica durante la produzione e l'uso.

Questa asimmetria strutturale è essenzialmente il risultato di uno stress irregolare. È simile al modo in cui un girasole si piega verso la luce solare a causa dei diversi tassi di crescita sui suoi lati ombreggiati e illuminati. In una cella BC, lo stress di contrazione generato dai molteplici strati sul lato posteriore è molto maggiore dello stress sul fronte, causando naturalmente la curvatura del wafer.

2. Disallineamento di Espansione Termica tra i Materiali del Lato Posteriore

Diversi strati funzionali devono essere applicati sul retro di una cella BC. Oltre agli elettrodi metallici convenzionali, questi possono includere materiali isolanti, pasta saldante e nastri di saldatura. Le differenze nei coefficienti di espansione termica tra questi materiali sono una causa primaria dell'incurvamento.

• La differenza di espansione tra metallo e silicio è particolarmente significativa. L'argento ha un coefficiente di espansione termica circa sette volte quello del silicio. Durante la produzione delle celle, questa differenza può generare uno stress termico sostanziale tra la metallizzazione in argento e il substrato di silicio. L'incurvamento può diventare ancora più grave dopo la stampa della pasta saldante.

• Anche i materiali isolanti giocano un ruolo importante. L'isolamento è necessario per separare gli elettrodi positivi e negativi sulla superficie posteriore, ma il coefficiente di espansione termica del materiale isolante differisce da quello del wafer di silicio. Se l'area di contatto tra l'isolamento e la cella è troppo grande, il consumo di materiale aumenta e lo stress causato dal disallineamento di espansione termica aumenta anch'esso. Questo può intensificare l'incurvamento della cella e portare a rischi di processo come rottura della cella e celle che si attaccano o si sovrappongono durante la manipolazione.

3. Saldatura su un Solo Lato Produce Stress Meccanico Sbilanciato

I moduli BC di solito usano la saldatura su un solo lato, con tutti i nastri di saldatura concentrati sulla superficie posteriore. Questo è fondamentalmente diverso dalla saldatura convenzionale su entrambi i lati.

Ad esempio, quando 21 nastri di saldatura sono attaccati a una cella da 182 mm × 105 mm, si verifica un incurvamento significativo mentre la temperatura scende da 110°C a 22°C. Questo accade sia che lo spessore della cella sia 0,13 mm, 0,15 mm o 0,18 mm.

La deformazione deriva principalmente dallo stress termico irregolare generato durante la saldatura. È un problema strutturale intrinseco associato all'interconnessione su un solo lato usata per le celle BC.

Ciò che è più preoccupante è che aumentare lo spessore della cella non risolve efficacemente il problema. I risultati della simulazione mostrano che la saldatura su un solo lato può produrre un'imbarcatura fino a 4,9 mm. Anche quando lo spessore della cella viene aumentato a 0,18 mm, l'imbarcatura diminuisce solo di circa il 18%. Nelle stesse condizioni, l'imbarcatura massima causata dalla saldatura su entrambi i lati è di soli 0,07 mm.

Ciò significa che raggiungere il livello di imbarcatura della saldatura su entrambi i lati solo aumentando lo spessore del wafer richiederebbe uno spessore ben oltre 0,18 mm. Ciò aumenterebbe sostanzialmente il consumo di silicio e i costi dei materiali.

Il problema può anche continuare durante la laminazione. La deformazione asimmetrica causata dalla saldatura su un solo lato può comprimere il incapsulante attorno ai bordi della cella e all'area centrale. L'incapsulante può diventare più sottile o persino essere perforato, creando punti di concentrazione locale dello stress che minacciano l'integrità strutturale e l'affidabilità a lungo termine del modulo.

4. Celle più sottili e più grandi amplificano il problema

L'industria fotovoltaica continua a perseguire wafer più sottili per ridurre i costi del silicio e formati di cella più grandi per aumentare la potenza del modulo. Entrambe le tendenze possono rendere più grave l'imbarcatura delle celle BC. La ricerca mostra che ridurre lo spessore della cella e aumentare le dimensioni della cella aumentano entrambi significativamente la deformazione.

Per una cella da 210 mm × 210 mm, ridurre lo spessore da 150 μm a 70 μm aumenta l'imbarcatura riportata da 1,69 mm a 8,25 mm, quasi un aumento di cinque volte.

Queste cifre mostrano chiaramente la sfida creata dall'assottigliamento del wafer. Per un'industria che cerca sia maggiore efficienza sia costi inferiori, il controllo dell'incurvamento riducendo lo spessore del silicio è diventata una barriera tecnica da affrontare.

6. Strategie di mitigazione del settore e prospettive

Il settore sta già esplorando diversi modi per gestire l'incurvamento delle celle BC. Gli approcci comuni includono:

• Design di moduli a mezza cella: Dimensioni delle celle più piccole possono ridurre l'altezza assoluta dell'incurvamento.

• Materiali e larghezze delle linee di griglia ottimizzati: La regolazione delle strutture di metallizzazione può aiutare a gestire lo stress sul lato posteriore.

• Saldatura a bassa temperatura: Temperature di processo più basse possono ridurre lo stress termico durante l'interconnessione.

• Pressatura a caldo con adesivo conduttivo: Questo fornisce un'alternativa ai processi di saldatura convenzionali ad alta temperatura.

• Meccanismi di correzione con blocco di pressione curvo: Strutture di correzione speciali possono essere integrate nelle apparecchiature tabber e stringer per controllare la forma della cella durante la lavorazione.

Interconnessione con nastro di saldatura a bassa temperatura

Riferimenti

• Dong Peng, Ricerca sui processi di celle solari a contatto posteriore di tipo N ad alta efficienza

• MeCan Solar, Comportamento dell'incurvamento e ottimizzazione della struttura delle linee di griglia di celle BC sottili di grande formato

• Solar and Energy Storage Review, L'aspetto attraente della saldatura su un solo lato non può nascondere l'incurvamento e i suoi rischi correlati

Il Punto di Vista di Ooitech

Il controllo dell'incurvamento deve essere trattato come un problema completo del processo del modulo, non solo come un problema di spessore della cella. Temperatura di saldatura, disposizione del nastro, controllo della pressione, movimentazione e laminazione devono essere regolati insieme, specialmente quando si utilizzano celle BC sottili e di grande formato. Una piccola deformazione lasciata senza controllo nella fase di interconnessione può diventare un problema di resa o affidabilità più avanti nella linea di produzione.