大尺寸薄片化BC电池的翘曲行为及栅线结构优化

 

随着光伏行业持续向高效降本发展，晶硅太阳电池正朝着大尺寸、薄片化的方向快速演进，硅片厚度已从200 μm以上减至150 μm以下，尺寸也从156 mm逐步提升至182 mm和210 mm级别。这一趋势虽然有效降低了生产成本，但也带来了电池翘曲变形加剧、碎片率上升等结构可靠性问题，制约了薄片化技术的进一步推广。以往研究多基于传统全铝背场结构及小尺寸电池，已难以适用于当前主流的PERC、TOPCon、BC等新型电池结构在大尺寸薄硅片条件下的翘曲行为分析。美能探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

为系统揭示电池翘曲机理并指导工艺优化，本文通过建立182 mm×182 mm、210 mm×210 mm等多种尺寸的有限元模型，采用非线性结构分析方法，模拟电池在金属化烧结冷却过程中的变形行为，重点考察厚度、尺寸、栅线设计及材料性能对翘曲的影响，以期为电池结构设计与制造工艺提供理论依据和优化方向。

模型及方案

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太阳电池几何结构参数

采用ANSYS软件建立PERC、TOPCon（双面栅线）和BC（单面栅线）结构的有限元模型。电池尺寸选取182 mm × 182 mm、210 mm × 210 mm、210 mm × 105 mm、105 mm × 210 mm四种，厚度选取70、90、110、130、150 μm。栅线参数依据实际生产工艺设定。

电池栅线结构及网格示意图

翘曲行为研究方案示意图

双面电池模型分为三层：正面栅线层、硅片层、背面栅线层；BC电池仅含硅片层和背面栅线层。采用8节点Solid185单元划分网格，硅片区域网格密度1 mm，栅线区域0.5 mm。利用结构对称性建立1/4模型以节约计算资源。

金属材料模拟参数

约束条件为对称边界约束及中心点厚度方向位移约束。载荷为温度载荷，模拟烧结后从850°C冷却至25°C的过程，其中银栅线和铝栅线分别在835°C和577°C固化收缩。硅片热膨胀系数取3.5×10⁻⁶/K，并依据晶向定义其刚度矩阵。

线性与非线性有限元方法对比

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方形全片尺寸下基于线性与非线性分析的翘曲形貌图

电池翘曲属于小应变、大位移的几何非线性问题。线性分析因未考虑刚度矩阵随位移的变化，计算结果误差较大。在线性分析中，翘曲最大值出现在电池四角；而非线性分析中，电池呈筒状变形，沿主栅方向曲率几乎为零，沿细栅方向则有一定曲率。例如210 mm × 210 mm电池线性分析翘曲值为3.76 mm，非线性分析为3.24 mm，说明非线性方法更符合实际变形机制。

硅片类型对翘曲的影响

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不同硅片类型下最大翘曲值变化曲线

对比（100）面单晶硅、（110）面单晶硅与多晶硅的翘曲行为发现，（100）面单晶硅翘曲最大，抗弯性能最差；（110）面单晶硅翘曲最小，抗弯性能最优；多晶硅因晶界与位错影响光电性能，已较少使用。尽管（110）面硅片机械性能更优，但（100）面因制绒工艺成熟、光学性能好，仍是当前主流。

电池尺寸与厚度的影响

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不同硅片尺寸下最大翘曲值变化

对于210 mm × 210 mm电池，厚度从150 μm减至70 μm时，翘曲值从1.69 mm增至8.25 mm。相同厚度下，182 mm × 182 mm电池翘曲小于210 mm × 210 mm电池。将210 mm × 210 mm电池沿垂直细栅方向切分为105 mm × 210 mm后，翘曲显著降低；沿垂直主栅方向切分则改善不明显。说明尺寸增大和厚度减薄均会加剧翘曲，且切割方向对翘曲行为有重要影响。

栅线宽度的影响

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不同栅线宽度下最大翘曲值变化

在110 μm厚度下，细栅宽度从200 μm降至100 μm时，翘曲值从3.24 mm降至1.88 mm。而主栅宽度减小对翘曲改善有限。结果表明，背面细栅是引起翘曲的主要原因，优化其宽度可有效抑制变形。

栅线机械性能的影响

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栅线杨氏模量、热膨胀系数、屈服强度对最大翘曲值的影响

降低屈服强度可使栅线更早进入塑性阶段，减少弹性变形积累的残余应力，从而降低翘曲。杨氏模量和热膨胀系数在栅线进入塑性阶段后对最终翘曲值影响较小。

BC电池翘曲行为

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BC结构下栅线材质与间距对最大翘曲值的影响

BC电池因正面无栅线，翘曲程度高于PERC电池。在相同背面结构下，BC电池翘曲更大，说明正面栅线在一定程度上抵消了背面收缩引起的变形。减小背面栅线宽度可降低BC电池翘曲，但银栅线因屈服强度高，即使用更细宽度，其翘曲仍与较宽铝栅线相当，优化空间有限。

本文通过有限元模拟研究系统揭示了大尺寸薄片晶硅太阳电池的翘曲行为机理与关键影响因素。研究发现，电池翘曲主要表现为沿细栅方向的筒状变形，硅片晶向影响其抗弯性能，其中（110）面单晶硅表现最优，但当前产业主流的（100）面硅片因制绒工艺成熟仍被广泛采用。电池厚度减薄与尺寸增大均会显著加剧翘曲变形，例如210 mm × 210 mm电池厚度从150 μm降至70 μm时，翘曲值从1.69 mm增至8.25 mm；合理选择切割方向可有效改善半片电池翘曲，沿垂直细栅方向切割效果显著。研究进一步表明，背面细栅宽度和栅线屈服强度是控制翘曲的关键工艺参数，减小细栅宽度和采用低屈服强度材料能有效抑制变形。此外，BC电池因正面无栅线结构，翘曲问题更为突出，需在材料与结构设计上协同优化。本研究为后续电池结构设计、栅线优化和工艺改进提供了明确的理论依据与方向。

美能探针式台阶仪

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原文参考：薄片化趋势下晶硅太阳电池翘曲行为模拟研究

 

 

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