Waarom BC-zonnecellen gevoeliger zijn voor buiging en kromtrekken
Inhoudsopgave
Snel antwoord: Back-contactcellen zijn gevoeliger voor buiging en vervorming dan front-contactcellen, omdat beide polariteitscontacten zich aan de achterzijde bevinden, waardoor het volume van de achterzijde-metallisatie en de spanning die deze introduceert, niet in balans is met de voorzijde. Wanneer de cel na het stoken afkoelt, krimpt het achterzijde-metaal tegen een niet-gemetalliseerd voorvlak, en het resultaat is een kromming die meetbaar is in fracties van een millimeter over een cel van 182 mm of 105 mm. De betrokken procestemperaturen — ongeveer 110 °C in latere stappen tegen een omgevingsreferentie van ongeveer 22 °C — bepalen hoeveel differentiële krimp zich opbouwt. Buiging is belangrijk omdat een vervormde cel niet vlak op de stringer of in het laminaat ligt, wat positioneringsfouten, ongelijke dikte van het encapsulatiemateriaal na laminering en in het slechtste geval microscheurtjes bij de verbinding veroorzaakt.
PV-moduleproductie · door Jerry, Ooitech
BC-zonnecel buiging en kromtrekken
In de intense concurrentie tussen fotovoltaïsche technologieroutes vallen BC- of achtercontactzonnecellen op door hun efficiënte en visueel schone ontwerp. Zonder metalen gridlijnen op het frontoppervlak zijn BC-cellen een van de meest gevolgde technologierichtingen in de industrie geworden.
Achter dat schone uiterlijk schuilt echter een moeilijk productieprobleem: BC-cellen zijn van nature gevoeliger voor buiging en kromtrekken.
Zoals industriële specialisten hebben opgemerkt, bevinden alle elektroden zich aan de achterzijde, waardoor de cel inherent vatbaar is voor vervorming. Tijdens de moduleassemblage worden voortdurend meer materialen aan de achterkant toegevoegd, waaronder isolerende lijm, soldeerbands en soldeerpasta. Naarmate deze lagen zich opbouwen, kan het kromtrekkingsprobleem steeds ernstiger worden.
Waarom zijn BC-cellen dan gevoeliger voor buiging en kromtrekken dan conventionele zonnecellen?
1. Structurele asymmetrie creëert een inherent kromtrekkingsrisico
Het meest kenmerkende van een BC-cel is dat zowel de positieve als negatieve elektroden op het achteroppervlak zijn geplaatst. Er zijn geen metalen gridlijnen aan de voorkant. Dit ontwerp verbetert de lichtabsorptie, maar introduceert ook een inherente structurele zwakte.
Onderzoek geeft aan dat BC-cellen vertonen aanzienlijk meer kromtrekking dan TOPCon cellen met elektroden verdeeld over de voor- en achteroppervlakken. Bij vergelijkbare achterstructuren kunnen frontgridlijnen de vervorming door krimp aan de achterkant gedeeltelijk compenseren.
BC-cellen hebben deze frontgridlijnen niet. De resulterende spanningsonbalans tussen het voor- en achteroppervlak maakt cilindrische vervorming waarschijnlijker tijdens productie en gebruik.
Deze structurele asymmetrie is in wezen het resultaat van ongelijke spanning. Het lijkt op de manier waarop een zonnebloem naar zonlicht buigt vanwege verschillende groeisnelheden aan de beschaduwde en verlichte zijden. In een BC-cel is de krimpspanning die wordt gegenereerd door de meerdere achterzijdelagen veel groter dan de spanning aan de voorkant, waardoor de wafer op natuurlijke wijze buigt.
2. Thermische uitzettingsmismatch tussen achterzijde-materialen
Er moeten verschillende functionele lagen op de achterzijde van een BC-cel worden aangebracht. Naast de conventionele metalen elektroden kunnen deze isolerende materialen, soldeerpasta en soldeerbanden omvatten. Verschillen in de thermische uitzettingscoëfficiënten van deze materialen zijn een primaire oorzaak van kromtrekken.
Het uitzettingsverschil tussen metaal en silicium is bijzonder significant. Zilver heeft een thermische uitzettingscoëfficiënt die ongeveer zeven keer die van silicium is. Tijdens de productie van cellen kan dit verschil aanzienlijke thermische spanning genereren tussen de zilvermetallisatie en het siliciumsubstraat. Kromtrekken kan nog ernstiger worden nadat soldeerpasta is aangebracht.
Isolerende materialen spelen ook een belangrijke rol. Isolatie is nodig om de positieve en negatieve elektroden op het achteroppervlak te scheiden, maar de thermische uitzettingscoëfficiënt van het isolerende materiaal verschilt van die van de siliciumwafer. Als het contactoppervlak tussen de isolatie en de cel te groot is, neemt het materiaalverbruik toe en stijgt ook de spanning die wordt veroorzaakt door thermische uitzettingsmismatch. Dit kan het kromtrekken van de cel versterken en leiden tot procesrisico's zoals celbreuk en cellen die tijdens het hanteren aan elkaar plakken of overlappen.
3. Enkelzijdig solderen produceert ongebalanceerde mechanische spanning
BC-modules gebruiken meestal enkelzijdig solderen, waarbij alle soldeerbanden op het achteroppervlak zijn geconcentreerd. Dit is fundamenteel anders dan conventioneel dubbelzijdig solderen.
Wanneer bijvoorbeeld 21 soldeerbanden op een cel van 182 mm × 105 mm worden bevestigd, treedt er aanzienlijk kromtrekken op wanneer de temperatuur daalt van 110°C naar 22°C. Dit gebeurt ongeacht of de celdikte 0,13 mm, 0,15 mm of 0,18 mm is.
De vervorming komt voornamelijk voort uit ongelijke thermische spanning die tijdens het solderen wordt gegenereerd. Het is een inherent structureel probleem dat verband houdt met de enkelzijdige interconnectie die voor BC-cellen wordt gebruikt.
Zorgwekkender is dat het vergroten van de celdikte het probleem niet effectief oplost. Simulatieresultaten tonen aan dat enkelzijdig solderen doorbuiging tot wel 4,9 mm kan veroorzaken. Zelfs wanneer de cel dikte wordt verhoogd tot 0,18 mm, neemt de doorbuiging slechts met ongeveer 18% af. Onder dezelfde omstandigheden is de maximale doorbuiging veroorzaakt door dubbelzijdig solderen slechts 0,07 mm.
| Soldeerconditie | Cel- of procesconditie | Gerapporteerd doorbuigingsgedrag |
|---|---|---|
| Enkelzijdig solderen | 182 mm × 105 mm cel met 21 linten | Significante doorbuiging tijdens afkoeling van 110°C tot 22°C |
| Enkelzijdig solderen | Cel dikte van 0,13 mm, 0,15 mm of 0,18 mm | Doorbuiging blijft significant bij alle drie de diktes |
| Enkelzijdig solderen | Simulatieresultaat | Doorbuiging kan 4,9 mm bereiken |
| Enkelzijdig solderen | Dikte verhoogd tot 0,18 mm | Doorbuiging wordt slechts met ongeveer 18% verminderd |
| Dubbelzijdig solderen | Zelfde vergelijkingsomstandigheden | Maximale doorbuiging is ongeveer 0,07 mm |
Dit betekent dat het bereiken van het doorbuigingsniveau van dubbelzijdig solderen alleen door het verdikken van de wafer een dikte ver voorbij 0,18 mm zou vereisen. Dat zou het siliciumverbruik en de materiaalkosten aanzienlijk verhogen.
Het probleem kan zich ook voortzetten tijdens het lamineren. Asymmetrische kromtrekking veroorzaakt door eenzijdig solderen kan de encapsulant rond de celranden en het centrale gebied samendrukken. Het inkapselingsmateriaal kan dunner worden of zelfs doorboord raken, waardoor lokale spanningsconcentratiepunten ontstaan die de structurele integriteit en de langdurige betrouwbaarheid van de module in gevaar brengen.
4. Dunnere en grotere cellen versterken het probleem
De fotovoltaïsche industrie blijft streven naar dunnere wafers om siliciumkosten te verlagen en grotere celformaten om het modulevermogen te verhogen. Beide trends kunnen de doorbuiging van BC-cellen ernstiger maken. Onderzoek toont aan dat het verminderen van de celdikte en het vergroten van de celgrootte beide de vervorming aanzienlijk verhogen.
Voor een 210 mm × 210 mm cel verhoogt het verminderen van de dikte van 150 μm tot 70 μm de gerapporteerde doorbuiging van 1,69 mm tot 8,25 mm, bijna een vijfvoudige toename.
| Celgrootte | Celdikte | Gerapporteerde doorbuiging |
|---|---|---|
| 210 mm × 210 mm | 150 μm | 1,69 mm |
| 210 mm × 210 mm | 70 μm | 8,25 mm |
Deze cijfers tonen duidelijk de uitdaging die het dunner maken van wafers met zich meebrengt. Voor een industrie die zowel hogere efficiëntie als lagere kosten nastreeft, is het beheersen van kromtrekking terwijl de siliciumdikte wordt verminderd een technische barrière geworden die moet worden aangepakt.
6. Mitigatiestrategieën en vooruitzichten in de industrie
De industrie onderzoekt al verschillende manieren om kromtrekking van BC-cellen te beheersen. Veelvoorkomende benaderingen zijn onder meer:
Halfcel-moduleontwerpen: Kleinere celafmetingen kunnen de absolute doorbuigingshoogte verminderen.
Geoptimaliseerde materialen en breedtes van geleiderbanen: Het aanpassen van metallisatiestructuren kan helpen bij het beheersen van spanning aan de achterzijde.
Lagetemperatuursolderen: Lagere procestemperaturen kunnen thermische spanning tijdens de verbinding verminderen.
Heetpersen met geleidende lijm: Dit biedt een alternatief voor conventionele hogetemperatuursoldeerprocessen.
Correctiemechanismen met gebogen drukblokken: Speciale correctiestructuren kunnen worden geïntegreerd in tabber- en stringer-apparatuur om de celvorm tijdens de verwerking te beheersen.
Verbinding met soldeerlint bij lage temperatuur
Referenties
Dong Peng, Onderzoek naar hoogrendementsprocessen voor N-type achtercontactzonnecellen
MeCan Solar, Kromtrekkingsgedrag en optimalisatie van de geleiderbaanstructuur van dunne BC-cellen in groot formaat
Solar and Energy Storage Review, Het aantrekkelijke uiterlijk van enkelzijdig solderen kan kromtrekking en de daarmee samenhangende risico's niet verbergen
Ooitech's Visie
Kromtrekkingsbeheersing moet worden behandeld als een volledig moduleprocesprobleem, niet alleen als een probleem van de celdikte. Soldeertemperatuur, lintindeling, drukregeling, handling en laminering moeten op elkaar worden afgestemd, vooral wanneer dunne en grote BC-cellen worden gebruikt. Een kleine vervorming die tijdens de verbindingsfase niet onder controle wordt gehouden, kan later in de productielijn een opbrengst- of betrouwbaarheidsprobleem worden.
