一种太阳电池的多级栅线布局结构及方法与流程

本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种太阳电池的多级栅线布局结构及方法。

背景技术：

太阳电池是一种可以将太阳光能转换成电能的能量转换器件，目前的应用领域十分广泛，除了可以在地面、屋顶、水面进行发电以外，在卫星、小型飞机、小型汽车等特殊领域也有广泛的应用。随着太阳电池的迅速发展，针对太阳电池的不同设计优化也不断涌现，使得太阳电池的成本不断下降，效率不断提高。

常用的太阳电池的材料为硅以及砷化镓等半导体材料，大多数商用太阳电池都采用上下电极的方式，阳光从上电极栅线间照射进太阳电池，产生的电流从下电极和上电极向外流出，常用的正面栅状金属电极由两到三条主栅线与多条细栅线组成，主栅线与细栅线相互垂直相交且导通，在印刷过程中，一旦出现断栅或虚印现象，无法构成有效回路，电流在电池上的内耗增加，严重影响电流的收集汇聚。

太阳电池的上电极需要足够稀疏，以促使尽量多的阳光照射太阳电池，另一方面，上电极还需要确保有足够覆盖面积，以保证太阳电池产生的电流能够尽量多的被有效收集，因此电池的优化非常重要。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是提供一种太阳电池的多级栅线布局方法，可以提高效率，特别适用于大面积、高电流密度的太阳电池中。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种太阳电池的多级栅线布局结构，包括设置在太阳电池表面上的主栅线、次主栅线和细栅线，所述细栅线包括第一细栅线和第二细栅线，所述次主栅线与所述主栅线平行，所述主栅线与所述次主栅线之间通过所述第一细栅线垂直联通，所述次主栅线远离所述主栅线一端垂直联通所述第二细栅线，所述主栅线、所述次主栅线和所述细栅线将所述太阳电池分为两个区域。

进一步的，所述主栅线和所述第一细栅线构成第一区域，所述次主栅线和所述第二细栅线构成第二区域。

进一步的，所述第一细栅线连接所述主栅线一端粗，所述第一细栅线连接所述次主栅线一端细，所述第二细栅线连接所述次主栅线一端粗，所述第二细栅线另一端细。

进一步的，所述区域大于或等于两个。

进一步的，所述太阳电池为砷化镓大面积太阳电池或硅大面积太阳电池。

还包括一种太阳电池的多级栅线布局方法，该方法包括以下步骤，

分区步骤，以主栅线为基准，向远离主栅线的电池两端进行区域划分，每一个区域靠近主栅的一端都设有一个次主栅，次主栅与主栅平行，并且每个区域的细栅分布进行分别优化，根据优化的结果不同，不同区域的细栅粗细、细栅间距存在差异；

优化步骤，将太阳电池分为两个区域，靠近主栅线的区域为第一区域，远离主栅线的区域为第二区域，对所述区域进行优化，在优化过程中，首先对第二区域的细栅线进行优化，通过测量该电池的技术参数，确定第二区域的细栅线长度，第二区域的细栅线间距，计入流入第一区域的电流，然后对第一区域的细栅线进行优化；

区域长度划分步骤，将太阳电池划分为两个区域，以方便区域优化，电池长度为L，指定第二区域的长度为X×L(0<X<1)，并在此面积上对第二区域进行优化，获得细栅线的粗细优化值和细栅线间距优化值，使得第二区域的栅线发热功率、电池表面发热功率和栅线遮挡功率，损失之和最小，为第一损失；在第二区域电流全部流到第一区域的条件下，对第一区域进行优化，获得细栅线的粗细优化值和细栅线间距优化值，使得第一区域的栅线发热功率、电池表面发热功率和栅线遮挡功率，损失之和最小，为第二损失；当X取得某一值时，第一损失和第二损失的和P达到最小，此时可以确定第二区域的长度为X×L，第一区域的长度为(1-X)×L，细栅线的粗细和细栅线间距亦分别采取各区域的优化值。

进一步的，所述第一损失和第二损失的和P可通过下列公式计算：

P＝P_fingerA+P_fingerB+P_spaceA+P_spaceB+P_shadeA+P_shadeB+P_shade-busbar

其中P_fingerA为第二区域栅线发热功率，P_fingerB为第一区域栅线发热功率，可通过下列公式计算：

P_spaceA为第二区域电池表面发热功率，P_spaceB为第一区域栅线发热功率，可通过下列公式计算：

P_shadeA为第二区域栅线遮挡功率，P_shadeB为第一区域栅线遮挡功率，可通过下列公式计算：

P_shade-busbar为主栅遮挡功率损失，可通过下列公式计算：

其中，Im(mA/cm2)为电池片工作点电流密度，Vm(V)为电池片工作点电压，length(cm)为栅线长度，myheight(um)为栅线高度，resisivity(Ω-cm)为栅线电阻率，sheet(Ω)为电池片表面方阻，mywidthA(um)为第二细栅线粗端宽度，mynarrowA(um)为第二细栅线细端宽度，lengthA(cm)为第二细栅线长度，myspaceA(mm)为第二细栅线间距，mywidthB(um)为第一细栅线粗端宽度，mynarrowB(um)为第一细栅线细端宽度，lengthB(cm)为第一细栅线长度，myspaceB(mm)为第一细栅线间距

其中，widthA(um)＝mywidthA/10000，narrowA(um)＝mynarrowA/10000，spaceA(cm)＝myspaceA/10，widthB(um)＝mywidthA/10000，narrowB(um)＝mynarrowA/10000，spaceB(cm)＝myspaceA/10

进一步的，所述技术参数包括理想最大功率工作点电压、最大功率工作点电流、栅线的电阻率、栅线高度和电池的表面方阻。

进一步的，所述区域大于或等于两个。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.本发明在优化过程中，首先对第N区域的细栅线进行优化，计入流入第N-1区域的电流，然后依次对第N-2区域……第一区域的细栅线进行优化。这样通过对太阳电池不同区域的细栅线的粗细、细栅线间距的分别优化，对太阳电池各个区域的电流实现了有效收集。

2.本发明的次主栅线同时起到防止断栅和提高电池成品率的作用。

附图说明

图1是本发明实施例1的一般砷化镓太阳电池的栅线布局示意图

图2是本发明实施例1的分区砷化镓太阳电池的栅线布局示意图

图3是本发明实施例2的一般硅太阳电池的栅线布局示意图

图4是本发明实施例2的分区硅太阳电池的栅线布局示意图

图中：

1、细栅线 2、主栅线 3、次主栅线

4、第二区域 5、第一区域

具体实施方式

将太阳电池沿着连接外电极的主栅线2，向远离主栅线2的电池端方向，将太阳电池分为N(N≥2)个区域，记入靠近主栅线2的区域为第一区域5，记入远离主栅线2的区域为第N区域。在优化过程中，首先对第N区域的细栅线1进行优化，计入流入第N-1区域的电流，然后依次对第N-2……第一区域的细栅线1进行优化。

本发明提供的一种太阳电池的多级栅线布局方法，对区域长度划分的依据为：根据实际电池需要，确定太阳电池划分区域的个数，一般可以设置2-3个区域，以方便区域优化。以2个区域，电池长度为L为例，指定第二区域4的长度为X×L(0<X<1)，并在此面积上对第二区域4进行优化，获得细栅线1的粗细优化值和细栅线1间距优化值，使得第二区域4的发热功率和遮挡功率损失之和最小，为第一损失；在第二区域4电流全部流到第一区域5的条件下，对第一区域5进行优化，获得细栅线1的粗细优化值和细栅线间距优化值，使得第一区域5的发热功率和遮挡功率损失之和最小，为第二损失；当X取得某一值时，第一损失和第二损失的和达到最小，此时可以确定第二区域4的长度为X×L，第一区域5的长度为(1-X)×L，细栅线1的粗细和细栅线1间距亦分别采取各区域的优化值。

进一步的，所述第一损失和第二损失的和P可通过下列公式计算：

P＝P_fingerA+P_fingerB+P_spaceA+P_spaceB+P_shadeA+P_shadeB+P_shade-busbar

其中P_fingerA为第二区域栅线发热功率，P_fingerB为第一区域栅线发热功率，可通过下列公式计算：

P_spaceA为第二区域电池表面发热功率，P_spaceB为第一区域栅线发热功率，可通过下列公式计算：

P_shadeA为第二区域栅线遮挡功率，P_shadeB为第一区域栅线遮挡功率，可通过下列公式计算：

P_shade-busbar为主栅遮挡功率损失，可通过下列公式计算：

其中，Im(mA/cm2)为电池片工作点电流密度，Vm(V)为电池片工作点电压，length(cm)为栅线长度，myheight(um)为栅线高度，resisivity(Ω-cm)为栅线电阻率，sheet(Ω)为电池片表面方阻，mywidthA(um)为第二细栅线粗端宽度，mynarrowA(um)为第二细栅线细端宽度，lengthA(cm)为第二细栅线长度，myspaceA(mm)为第二细栅线间距，mywidthB(um)为第一细栅线粗端宽度，mynarrowB(um)为第一细栅线细端宽度，lengthB(cm)为第一细栅线长度，myspaceB(mm)为第一细栅线间距

其中，widthA(um)＝mywidthA/10000，narrowA(um)＝mynarrowA/10000，spaceA(cm)＝myspaceA/10，widthB(um)＝mywidthA/10000，narrowB(um)＝mynarrowA/10000，spaceB(cm)＝myspaceA/10

下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：

栅线设计之前，需要获取电池的栅线电阻率、栅线与电池的接触电阻、栅线高度、电池的表面方阻、电池的理想最大工作点电流密度和电池的理想最大工作点电压等技术参数。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例提供的三结砷化镓太阳电池的栅线设计方法，外形尺寸为8cm*8cm，通过测算，获得该电池的理想最大功率工作点电压为2.38V，最大功率工作点电流为17mA/cm²，栅线的电阻率为3e-6Ω-cm，栅线高度为3um，电池的表面方阻为1000Ω。

一般砷化镓太阳电池的栅线布局如图1所示，包括主栅线2和细栅线1，细栅线1与主栅线2相互垂直联通，电流通过细栅线1进行收集，收集到的电流沿着细栅线1流向主栅线2，最终通过主栅线2与外接电极连接。

将图1所示的砷化镓太阳电池进行分区，如图2所示，一种太阳电池的多级栅线布局方法，包括设置在太阳电池上的主栅线2和细栅线1，在主栅线2的两侧设有次主栅线3，次主栅线3与主栅线2平行，主栅线2与次主栅线3之间通过细栅线1垂直联通，次主栅线3远离主栅线2一端垂直联通细栅线1，主栅线2、次主栅线3和细栅线1构成第一区域5，次主栅线2和细栅线1构成第二区域4。第二区域4的长度分别为1cm，2cm，3cm，4cm，5cm，栅线最细要求为8.1um，则获取第二区域4的栅线布图最优参数为：

根据第二区域4优化的结果，在已知第二区域4的电流全部流入第一区域5的前提下，在栅线形状以及栅线间距等方面对第一区域5进行栅线优化，优化结果如下：

与不采用分区域的最优栅线相比，在AM0条件下电池的效率得到了提升，如下表：

根据以上优化结果，可以推算出在第二区域4的细栅线1长度为3cm的情况下，电池的效率增益最高，其相对效率增益达到0.152％，具体参数为第二区域4的细栅线1连接次主栅线3的粗端宽度为8.65um，另一侧细端宽度为8.1um，细栅线1与细栅线1间距为0.65mm，第一区域5的细栅线1连接次主栅线3细端宽度为8.1um，细栅线1连接主栅线2粗端为17.01um，细栅线1间距为0.363mm，主栅线2和次主栅线3的宽度根据实际需要设置，优选的次主栅线3宽度为10um，主栅线2宽度为200um。

实施例2

如图3、图4所示，本实施例提供的单晶硅太阳电池的栅线设计方法，外形尺寸为16cm*16cm，通过测算，获得其理想最大功率工作点电压为0.62V，最大功率工作点电流为38.5mA/cm2，栅线的电阻率为3e-6Ω-cm，栅线高度为10um，栅线宽度25um，电池的表面方阻为70Ω。

一般硅太阳电池栅线布图如图3所示，包括主栅线2和细栅线1，细栅线1与主栅线2相互垂直联通，电流通过细栅线1进行收集，收集到的电流沿着细栅线1流向主栅线2，最终通过主栅线2与外接电极连接。

将图3所示的硅太阳电池进行分区，如图4所示，一种太阳电池的多级栅线布局方法，包括设置在太阳电池上的主栅线2和细栅线1，在主栅线2的两侧设有次主栅线3，次主栅线3与主栅线2平行，主栅线2与次主栅线3之间通过细栅线1垂直联通，次主栅线3远离主栅线2一端垂直联通细栅线1，主栅线2、次主栅线3和细栅线1构成第一区域5，次主栅线3和细栅线1构成第二区域4。第二区域4的长度分别为0.5cm，1cm，1.5cm，2cm，2.5cm，3cm，3.5cm，在第二区域4的栅线布图设计最优以后，进行第一区域5的栅线优化。经过优化后的第一区域5和第二区域4参数如下表：

根据以上优化结果，可以推算出在第二区域4的细栅线1长度为2cm的情况下，电池的效率增益最高，其相对效率提升达到了0.28％，具体参数为第二区域4的细栅线1间距为1.27mm，第一区域5的细栅线1间距为0.71mm，次主栅线3和主栅线2的宽度根据实际需要设置，优选的次主栅线3宽度为10um，主栅线2宽度为300um。

本发明具有的优点和积极效果是：

在多主栅线情况下，经过采用本专利的设计方法，可以在不增加主栅线数量的情况下，使太阳电池的效率得到进一步的提升，这在一定情况下减少了由于主栅数目增加带来的用料损耗和额外的工艺步骤，从而可以起到节省生产成本的作用。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。