太陽電池組件2010jk

太陽電池組件周潘兵zhoupanbing@南昌大學太陽能光伏學院本章主要介紹:

基本概念光伏電池的互聯(lián)

太陽電池組件的結(jié)構(gòu)及類型封裝材料設備封裝工藝電池組件失效問題探討QuartzsandPolysiliconIngotsCellWaferModule3.1基本概念

太陽電池是光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的最小單元，稱之為單體太陽電池或稱電池片。電池片一般不直接作為電源使用，主要有以下的原因：

①單體電池是由硅晶材料制成，薄而脆，不能經(jīng)受較大的撞擊；②太陽電池必須與大氣隔絕使用，因為大氣中的水分和腐蝕性氣體會緩慢地腐蝕電極，逐漸使電極脫落；③電池片的工作電壓是0.4～0.6V，遠不能滿足一般用電設備的電壓要求。地面應用的太陽電池組件的技術(shù)要求如下：

①有一定的標稱工作電壓和輸出功率；②組件的壽命長，要求正常工作20～30年，而且所用材料、零部件及其結(jié)構(gòu)的使用壽命一致，不會因部分損壞而造成整個組件失效；③有良好的電絕緣性；④有足夠的機械強度，能經(jīng)受運輸、安裝和使用過程中的振動、沖擊和其它應力；⑤組合引起的效率損失??；⑥成本較低。

太陽電池片本身具有良好的穩(wěn)定性，它的器件結(jié)構(gòu)也是一種穩(wěn)定的物理結(jié)構(gòu)，如果是在密封良好的理想條件下使用具有極長的壽命，而現(xiàn)在的產(chǎn)品中只能保證20～25年壽命的原因就在于封裝材料和封裝工藝的限制。太陽電池組件的性能中最重要的就是組件的耐老化性能，而這主要是由封裝材料的耐老化性能決定的，所以在這個領(lǐng)域內(nèi)材料是第一位的，關(guān)于組件最重要的研究工作都是圍繞材料展開的，其目的就是延長組件的壽命，同時還要降低生產(chǎn)成本。3.2光伏電池的互聯(lián)3.2.1相同特性電池的互聯(lián)

在理想情況下，在組件中的電池會表現(xiàn)出來同樣的特性，并且整個組件與單個電池的I-V曲線具有相同的形狀，只是坐標軸的尺度會有差異。因此對N個串聯(lián)和M個并聯(lián)起來的電池：

3.2.2非相同特性電池的互聯(lián)

在實際情況下，所有電池都具有不同的特性，輸出最小的電池限制了整個組件的總輸出。組件中電池的最大輸出的總和與組件實際達到的最大輸出之間的差別就是失諧損耗。

確定并聯(lián)電池組短路電流的方法確定并聯(lián)電池組開路電壓的方法確定串聯(lián)電池組開路電壓和短路電流的方法3.2.3非相同特性的電池組件

假如上述圖中的電池被替換成電池組件、電池串、電池模塊或者源電路，會出現(xiàn)相似的效果和曲線形狀。來自于不同廠家的電池或組件，即使額定電流相同，仍可能具有不同的光譜響應，從而導致失諧損耗的出現(xiàn)。

3.2.4熱斑效應

存在于組件里的失諧電池可導致某些電池在產(chǎn)生能量而某些電池在消耗能量。當組件或者組件串被短路時，所有的“好”電池的輸出都會消耗在“壞”電池上。3.2.4熱斑效應能量在“壞”電池上的消耗導致電池P-N結(jié)的局部擊穿，在很小的區(qū)域會產(chǎn)生很大的能量消耗，導致局部過熱，稱為“熱斑”，從而會導致電池或玻璃開裂、焊料熔化等破壞性的結(jié)果，電池組件也會發(fā)生同樣的問題。-熱斑效應對于熱斑問題和失諧電池，一個解決辦法是在原電路基礎上加裝旁路二極管。當光線不被遮擋時，每個二極管處于反偏壓，每個電池都產(chǎn)生電能。當一個電池被遮擋時就會停止產(chǎn)生電能，成為一個高阻值電阻，同時其他電池促使其反偏壓，導致連接電池兩端的二極管導通，原本流過被遮擋電池的電流被二極管分流。具有故障電池的電池矩陣的輸出

有一個旁路二極管的“壞”電池對總輸出的影響

當總電路短路時，“壞”電池和二極管上消耗的能量約等于一個“好”電池的輸出能量。將每個電池配備一個旁路二極管成本太高，所以二極管通常會連接于一組電池的兩端，被遮擋的電池的最大功率消耗大約等于該電池所在電池組的總發(fā)電能力。對于硅太陽電池，在不引起損壞的情況下，一個旁路二極管最多連接10～15個電池。因此對于通常的36電池組件，最少需要3個旁路二極管以保證不被熱斑效應所損壞。如果商業(yè)組件不具有旁路二極管，要保證組件不會長時間被短路，并且那部分組件不會被周圍建筑物或鄰近的電池陣列所遮擋。在每個太陽能電池內(nèi)部集成一枚二極管的方案也是可行的，它是確保各個電池都不被損壞的一個低成本方法。合格的二極管應當能夠承受其保護組件的2倍開路電壓或者1.3倍的短路電流的工作條件。一些組件包含阻塞二極管，保證電流只會從組件流出。例如，它可以防止夜間蓄電池對太陽電池放電。因為阻塞二極管會消耗一部分電能，所以不是所有的電池串都具有阻塞二極管。與旁路二極管相似，阻塞二極管應當可以承受其保護組件的2倍開路電壓或者1.3倍的短路電流。3.2太陽電池組件的結(jié)構(gòu)及類型

根據(jù)太陽電池片的類型太陽電池組件可分為：單晶硅組件、多晶硅組件、砷化鎵組件、非晶硅薄膜電池組件等，其中晶體硅電池組件約占市場的80％～90％。

封裝材料與工藝也不盡相同，主要分為：環(huán)氧樹脂膠封、層壓封裝、硅膠封裝等。目前用得最多的是層壓封裝方式，因為這種封裝方式適宜于大面積電池片的工業(yè)化封裝。

常見太陽電池組件輸出峰值功率有8，10，20，36，40，50，75，160W等。大功率的太陽電池發(fā)電系統(tǒng)須將多個組件連接成方陣。太陽電池單體、組件和方陣見圖2所示。組件使用較多的是9串4列或12串3列共36片串聯(lián)，額定電壓為12V的組件。太陽電池組件的常見結(jié)構(gòu)形式

1玻璃殼體式結(jié)構(gòu)

玻璃殼體式太陽電池組件示意圖

1-玻璃殼體;2-硅太陽電池;3-連接條;4-粘接劑;

5-襯底;6-下底板;7-邊框線;8-電極接線柱

2平板式太陽電池組件glassEVAcellsEVATPTJunctionbox目前平板式太陽電池是由高轉(zhuǎn)換效率的單片太陽電池、EVA膠膜、低鐵鋼化玻璃和TPT復合薄膜組成，采用層壓封裝工藝。

成品太陽電池組件正面外觀成品太陽電池組件正面外觀全膠密封太陽電池組件示意圖

1-硅太陽電池;2-粘接劑;3-電極引線;4-下底板;5-互連條3全膠密封太陽電池組件全膠密封太陽電池組件一般采用環(huán)氧樹脂封裝或硅膠封裝。雙面玻璃太陽電池組件--光伏建筑一體化與普通組件結(jié)構(gòu)相比，雙面玻璃組件利用玻璃代替TPE（或TPT)作為組件背板材料，如圖所示。由于這種組件有美觀、透光的優(yōu)點，在光伏建筑上應用非常廣泛，如：太陽能智能窗，太陽能涼亭和光伏建筑頂棚、光伏玻璃幕墻等。與建筑結(jié)合是太陽能光電發(fā)展的一大趨勢，預計雙面玻璃組件商業(yè)市場會進一步擴大。如何讓太陽能電池與建筑物的屋頂和外墻相結(jié)合，既能夠遮擋一部分陽光，又能夠讓一部分陽光射入建筑物內(nèi)部？一種解決辦法：德國設計師們將不透明的太陽能電池安裝于雙面玻璃之間，并且在電池片與電池片之間留出一定的空隙。每個屋頂3～5KW美國Springerville4.6MWp光伏電站LeipzigerLand.32，727塊153Wp的組件=5MWp西班牙20MW光伏電站3.3封裝材料

太陽電池組件使用的封裝材料有環(huán)氧樹脂、有機硅樹脂、玻璃、EVA、Tedlar或Tedlar復合薄膜(如TPT或TPE)、連接條、鋁框等。封裝材料的特性對太陽電池組件的性能、使用壽命有重要影響。優(yōu)良的太陽電池組件，除了要求太陽電池本身效率要高外，優(yōu)良的封裝材料和合理的封裝工藝也是不可缺少的。3.3.1環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂用于環(huán)氧樹脂膠封太陽電池組件。

環(huán)氧樹脂是指分子中還有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的線性有機高分子化合物。通過改變固化劑、促進劑等，環(huán)氧樹脂的配方可以千變?nèi)f化，從而具備各種不同的性能，以滿足各種不同的要求。

特性①機械性能優(yōu)良；②耐化學藥品性和耐氣候性好；③電絕緣、尺寸穩(wěn)定性好。④優(yōu)異的工藝性：可供選擇的品種多、固化方便、黏附力強和固化收縮率低。

用于封裝太陽電池的環(huán)氧樹脂一般為雙組分液體，使用時現(xiàn)場配制，主要是透光性、耐濕性、絕緣性和氣密性好。環(huán)氧樹脂一般在小型組件的封裝上應用較多，主要用于太陽能草坪燈、玩具等消費品等。環(huán)氧樹脂作為太陽電池封裝材料存在的問題：1.耐老化性能相對差，容易老化而變黃。2.使用過程中還會由于老化導致材料脆化，通過對環(huán)氧樹脂改性可在一定程度上改善其耐老化性能。3.封裝材料要求具有較高的耐濕性和氣密性。但環(huán)氧樹脂是高分子材料，其分子間距離為50～200nm，大大超過水分子的體積。水的滲透降低電池的使用壽命。提高環(huán)氧樹脂的疏水性是有效地提高其耐濕性的一項措施。4.用環(huán)氧樹脂封裝太陽電池時，由于與其它材料的膨脹系數(shù)不同，在成型固化過程而產(chǎn)生內(nèi)應力，造成強度下降、老化龜裂、封裝開裂、空洞、剝離等各種缺陷。通過添加改性劑或增塑劑可以降低材料體系的內(nèi)應力；加入“軟”的聚合物粒子如橡膠、硅膠，形成一種使應力易于傳遞和耗散的結(jié)構(gòu)，也可大大降低材料的內(nèi)應力。但是，要求添加的材料既與環(huán)氧樹脂融合，又不影響封裝后電池的透光性顯得難度大。

環(huán)氧樹脂封裝太陽電池組件工藝簡單、材料成本低廉，在小型組件封裝上使用較多，早期太陽能草坪燈大都采用這種組件。但由于環(huán)氧樹脂抗熱氧老化、紫外老化的性能相對較差，有被EVA層壓封裝取代的趨勢。

3.3.2有機硅膠

有機硅膠用于硅膠封裝太陽電池組件。

有機硅化合物，是指含有Si-C鍵、且至少有一個有機基是直接與硅原子相連的化合物，習慣上也常把那些通過氧、硫、氮等使有機基與硅原子相連接的化合物也當作有機硅化合物。其中，以硅氧鍵（-Si-0-Si-）為骨架組成的聚硅氧烷，是有機硅化合物中為數(shù)最多，研究最深、應用最廣的一類，約占總用量的90%以上。

有機硅膠是具有特殊結(jié)構(gòu)的封裝材料，兼具有無機材料和有機材料的許多特性：

1.耐高溫、耐低溫、耐老化、抗氧化、電絕緣、疏水。

2.是彈性體。

3.硅膠分為中性、酸性等，酸性硅膠因為會腐蝕硅片，所以一般使用中性硅膠。

4.硅膠對玻璃陶瓷、金屬等黏結(jié)力很強。

5.有機硅膠是一種透明材料，透光率可達90％以上。

6.具有低溫固化的特點。

特性有機硅膠作為太陽電池封裝材料存在的問題：

有機硅膜在熱、空氣、潮氣等老化條件下，聚硅氧烷的側(cè)基極易被氧化，從而發(fā)生大分子的側(cè)鏈或有機自由基的耦合等副反應而老化，使物理性能發(fā)生明顯的變化，因此，封裝太陽電池組件用的硅膠需要加入適宜的添加劑來提高其老化性能。3.3.3EVA膠膜EVA膠膜用于層壓封裝太陽電池組件。標準的太陽電池組件中一般要加入兩層EVA膠膜，EVA膠膜在電池與玻璃、電池與TPT之間起粘接作用。

(1)EVA膠膜簡介

太陽電池硅晶片若直接暴露于大氣中，其光電轉(zhuǎn)換效能會衰減。為此采用透明、耐光老化、粘接性好、能承受大氣變化且具有彈性的EVA膠層將硅晶片組包封，并和上層保護材料玻璃、下層保護材料TPT粘合為一體，構(gòu)成太陽電池板。EVA是乙烯與醋酸乙烯脂的共聚物，EVA具有優(yōu)良的柔韌性、耐沖擊性、彈性、光學透明性、低溫繞曲性、粘著性、耐環(huán)境應力開裂性、耐候性、耐腐蝕性、熱密封性以及電性能等。上世紀80年代前，國內(nèi)外曾試過用液態(tài)硅樹脂和聚乙烯醇縮丁醛樹脂片(PVB)，但因價格高、施工條件苛刻、物性不好而被淘汰。80年代起國外開始研制EVA膠膜，它是一種熱熔粘接膠膜，常溫下無粘性而具抗粘連性，經(jīng)一定條件熱壓便發(fā)生熔融粘接與交聯(lián)固化，在太陽電池封裝與戶外使用上均獲得了相當滿意的結(jié)果。

我國于上世紀80年代中期開始，陸續(xù)從美國引進單晶硅太陽電池生產(chǎn)線，并逐年從美國進口EVA膠膜。為改變每年進口封裝材料的被動局面，國家科委將EVA膠膜國產(chǎn)化列入“八五”攻關(guān)計劃。浙江化工研究院等單位于80年代后期著手EVA膠膜國產(chǎn)化研究。

1995年11月由國家科委在杭州通過了浙江化工研究院的成果鑒定與攻關(guān)驗收。該成果獲得浙江省1996年度科技進步二等獎。EVA膠膜的研究成功，填補了國內(nèi)空白。1998年浙江化工研究院建成了國內(nèi)第一條年產(chǎn)30萬平方米、幅寬達1000mm以上太陽能電池EVA膠膜生產(chǎn)線，同時將第二代快速固化膠膜產(chǎn)品推向市場，獲得大量使用。2002年獲國家發(fā)改委/世界銀行/GEF技術(shù)進步項目支持。EVA的性能主要取決于分子量和醋酸乙烯酯(以VA表示)的含量：當分子量一定時，VA的含量增高，EVA的彈性、柔軟性、粘結(jié)性、相溶性和透明性提高；VA的含量降低，EVA則接近于聚乙烯的性能。當VA含量一定時，分子量降低則軟化點下降，而加工性及表面光澤改善，但強度降低；分子量增大，可提高耐沖擊性和應力開裂性。

EVA膠膜是一種熱固性的膜狀熱熔膠，常溫下不發(fā)粘，便于操作；在熔融狀態(tài)下，它和硅晶片、玻璃、TPT產(chǎn)生粘接，成為太陽電池板。優(yōu)質(zhì)的EVA膠膜經(jīng)加熱封裝后，變得完全透明，它和玻璃粘合后能提高玻璃的透光率，起著增透的作用.

未經(jīng)改性的EVA具有透明、柔軟、有熱熔粘接性、熔融溫度低(<80℃)、熔融流動性好等特點，這些特征滿足了太陽電池封裝的需求。但其耐熱性差，易延伸而彈性低，內(nèi)聚強度低而抗蠕變性差，易產(chǎn)生熱脹冷縮致硅晶片碎裂。為此要對EVA進行改性，其辦法是采取化學交聯(lián)，即在EVA中添加有機過氧化物交聯(lián)劑，當EVA膠膜加熱到一定溫度時，交聯(lián)劑分解產(chǎn)生自由基，引發(fā)EVA分子間的結(jié)合，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使EVA膠層交聯(lián)固化，當交聯(lián)度達到65％以上時就能承受大氣的變化，不再發(fā)生熱脹冷縮。如果EVA膠膜未經(jīng)改性，它必定會受紫外線破壞，發(fā)生龜裂，或降解變色，或和玻璃、TPT脫膠，從而大大地降低太陽電池的效率，縮短其使用壽命，尤其用于高原地區(qū)的太陽電池更應重視此問題。因此還要采取抗紫外光老化措施:使EVA膠層內(nèi)含有吸收紫外光的主、輔劑配合的復合光穩(wěn)定劑，能起到吸收紫外光的協(xié)同效應。EVA膠膜具有吸收紫外光性能，除保護EVA膠層本身外，還可保護電池背材TPT，從而能保障太陽電池長年正常工作。(2)EVA太陽電池膠膜主要性能指標

一般說來，用于太陽電池封裝的EVA膠膜必須滿足以下主要性能指標。①固化條件快速型，加熱至135℃，恒溫15～20min；慢速型，加熱至145℃，恒溫30～40min。②厚度0.3～0.8mm；寬度：1100mm，800mm，600mm等多種規(guī)格。③太陽電池封裝用的EVA膠膜固化后的性能要求透光率大于90％；交聯(lián)度大于65％，剝離強度(N／cm)：玻璃／膠膜大于30；TPT／膠膜大于15；耐溫性：高溫80℃，低溫-40℃，尺寸穩(wěn)定性較好；具有較好的耐紫外光老化性能。

3.3.4玻璃

標準太陽電池組件的蓋板材料通常采用低鐵鋼化玻璃，其特點是：透過率高、抗沖擊能力強和使用壽命長。

鋼化玻璃是一種預應力玻璃,為提高玻璃的強度,通常使用化學或物理的方法，在玻璃表面形成壓應力，玻璃承受外力時首先抵消表層應力，從而提高了承載能力，增強玻璃自身抗風壓性，寒暑性，沖擊性等。鋼化玻璃的主要優(yōu)點：

1.是強度較之普通玻璃提高數(shù)倍，抗彎強度是普通玻璃的3~5倍，抗沖擊強度是普通玻璃5~10倍，提高強度的同時亦提高了安全性。

2.是使用安全，其承載能力增大改善了易碎性質(zhì)，即使鋼化玻璃破壞也呈無銳角的小碎片，對人體的傷害極大地降低了.鋼化玻璃的耐急冷急熱性質(zhì)較之普通玻璃有2~3倍的提高，一般可承受150℃以上的溫差變化，對防止熱炸裂有明顯的效果。鋼化玻璃的缺點：

1.鋼化后的玻璃不能再進行切割，和加工，只能在鋼化前就對玻璃進行加工至需要的形狀，再進行鋼化處理。

2.鋼化玻璃強度雖然比普通玻璃強，但是鋼化玻璃在溫差變化大時有自爆（自己破裂）的可能性，而普通玻璃不存在自爆的可能性。

低鐵玻璃，又稱超白玻璃、無色玻璃、高透明玻璃，是玻璃產(chǎn)品中最高檔的品種，具有高透光率、高透明性，產(chǎn)品晶瑩剔透、高貴典雅，有玻璃家族“水晶王子”之稱。透光率決定玻璃的品質(zhì)，浮法玻璃的透光率為86%，而超白玻璃透光率可達92%以上，主要應用于高檔建筑、電子產(chǎn)品、高檔轎車玻璃、太陽能電池、高檔園藝建筑、高檔玻璃家具、各種仿水晶制品等行業(yè)。太陽能的開發(fā)與應用也將為超白玻璃的發(fā)展提供巨大商機——太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的玻璃基片就需要使用超白玻璃。超白玻璃科技含量高，生產(chǎn)難度大，具有較強的獲利能力。

超白玻璃中鐵是被作為有害雜質(zhì)來對待的，其原因是因為鐵(通常以Fe2O3和FeO的形式同時存在于玻璃中),使白玻著色而變綠,增大玻璃的吸熱率，同時會降低玻璃的透光率。玻璃中鐵的來源主要由原料本身、耐火材料或金屬材質(zhì)的生產(chǎn)設備等引入，一般很難完全避免，只能通過原材料和生產(chǎn)控制盡可能減少玻璃中鐵的含量。目前，太陽電池玻璃的鐵含量在0.008%～0.02%，而普通浮法玻璃的鐵含量一般在0.7%以上。

太陽電池組件用的低鐵玻璃，一般厚度為3.2mm，在晶體硅太陽電池響應的波長范圍內(nèi)（320～1100nm）透光率達90％以上，對于波長大于1200nm的紅外線有較高的反射率，同時能耐太陽紫外線的輻射。利用紫外-可見光光譜儀測得普通玻璃的光譜透過率(圖3-5)與太陽電池組件用的超白玻璃光譜透過率(圖3-6)比較，普通玻璃在波段700～1100段透過率下降較快，明顯低于超白玻璃的透過率。

由于玻璃體內(nèi)含鐵量過高及玻璃表面的光反射過大是降低太陽能利用率的主要原因之一。為此，人們主要在以下三方面努力：①降低玻璃中的鐵含量如河南思可達新型能源材料有限公司選用低鐵石英砂做熔制超白玻璃的原料。該公司生產(chǎn)上長期使用的石英砂，鐵含量都低于40ppm，雖然每噸成本高三百多元，但生產(chǎn)的超白玻璃的鐵含量明顯降低，通常在110ppm以下，有一半產(chǎn)品降到90ppm以下，以致保證了超白玻璃較高的透射性能。②如何增加玻璃強度和延長使用壽命。目前，玻璃廠商已能熟練地對2～3mm薄玻璃進行物理或化學鋼化處理，不僅光透過率仍保持較高值，而且使玻璃的強度提高為普通平板玻璃的3～4倍。薄玻璃經(jīng)過鋼化處理后，在太陽能利用中以薄代厚并達到相對降低玻璃鐵含量，提高光透過率及減輕太陽電池組件的自重及成本，不僅切實可行，而且效果明顯。

③研制新的防反射涂層或減反射表面材料。為了減少玻璃表面光反射率，玻璃制造商們通過物化處理方法，對玻璃表面進行一些減反射工藝處理，可制成“減反射玻璃”，其措施主要是在玻璃表面涂布一層薄膜層，可行之有效地減少玻璃的反射率。此薄膜層又稱之為減反射涂層。這種在玻璃表面制備的減反射層，可采用真空沉積法、浸蝕法和高溫燒結(jié)法等工藝得以實現(xiàn)。

玻璃制造商們選用浸蝕法工藝為多。該工藝是指浸涂硅酸鈉與化學處理相結(jié)合制備減反射玻璃，其工藝流程大致如下：玻璃原片→洗滌→干燥→浸入硅酸鈉溶液→提取玻璃→低溫烘干(或自然風干)→二次化學處理→提取并烘干→檢測(透光率、反射率及膜厚)→包裝→出廠，該工藝方法可使玻璃透光率比原先提高4％～5％；如3mm光透過率由原來80％提高到85％，折射率較高的超白玻璃光透過率可從原來86％提高到91％。這種涂層與玻璃能夠牢固地結(jié)合，經(jīng)測試表明其耐磨性非常好。

3.3.5背面材料

太陽電池組件背面材料，主要取決于應用場所和用戶需求。用于太陽能庭院燈和玩具的小型太陽電池組件多用電路板、耐溫塑料或玻璃鋼板材；而大型太陽電池組件多用玻璃或Tedlar復合材料。

Tedlar

就是聚氟乙烯，Tedlar

薄膜是一種具有高透過率的透明材料，也可根據(jù)需要制成藍、黑等多種顏色。它是美國杜邦公司獨家生產(chǎn)的產(chǎn)品，同樣具有許多熟知的碳氟聚合物的性質(zhì)：耐老化、耐腐蝕、不透氣等，這些特點很符合封裝太陽電池。此外，它還具有優(yōu)良的強度和防潮性能，可直接用作太陽電池組件或太陽能集熱器的封裝材料。

為了保持太陽電池組件有更長的使用壽命，一些專業(yè)廠家將Tedlar與聚酯、鋁膜或鐵膜等合成夾層結(jié)構(gòu)，即有以下形式

Tedlar／polyester／Tedlar；

Tedlar／aIuminum／Tedlar；

Tedlar／iron／Tedlar．

Tedlar復合薄膜具有更好的防潮、抗?jié)窈湍秃蛐阅?。通常用得最多的就是Tedlar／Polyester／Tedlar，通常簡稱TPT，還具有高強、阻燃、耐久、自潔等特性。白色的TPT對陽光可起反射作用，能提高組件的效率，并且具有較高的紅外反射率，可以降低組件的工作溫度，也有利于提高組件的效率。

TPE

由Tedlar/polyester／EVA三層材料構(gòu)成。目前，很多廠家開始使用TPE代替TPT作為太陽電池組件的背面材料。與電池接觸面（EVA面）為接近電池顏色深藍色，封裝出來的組件較美觀。由于少了一層Tedlar，TPE的耐候性能不及TPT，但其價格便宜（約為TPT的一半)，與EVA黏合性能好，在組件封裝，尤其是小型組件封裝上應用越來越多。3.3.6其他材料玻璃、EVA和TPT，外加太陽電池片是組成組件的主要材料。除此之外，還需要連接條（浸錫銅條）、鋁合金或不銹鋼邊框、電極接線盒、焊錫等。3.4太陽電池組件制造設備

太陽電池組件制造、封裝和測試設備主要有激光劃片機、層壓機、固化爐、電池片測試臺、組件測試臺、電阻率測試儀等。國外較大型的太陽電池組件專業(yè)廠家設備非常齊全，如清洗玻璃、平鋪切割EVA、太陽電池焊接等都有專門的設備。下面主要介紹太陽電池組件封裝最基本的設備激光劃片機和太陽能電池層壓機。3.4.1激光劃片機

太陽電池硅片主要采用金剛石切割設備和激光劃片機切割。由于激光劃片機的切割效率更高，現(xiàn)在許多工廠都采用激光劃片機來切割太陽電池硅片，以滿足制作小型太陽電池組件的需要。

激光劃片機由激光晶體、電源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、光學掃描系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、真空泵、控制系統(tǒng)、工作臺、計算機等組成，如圖所示?？刂婆_上有電源、真空泵、冷卻水開關(guān)按鈕及電流調(diào)節(jié)按鈕等，工作臺面上布有氣孔，氣孔與真空泵相連，打開真空泵后太陽電池硅片就被吸附在控制臺上，切割過程中不易移動。切割時將電池放在工作臺上，打開計算機，設計切割路線，按下確定鍵后，激光光斑開始移動，在控制臺上調(diào)節(jié)適當?shù)墓ぷ麟娏鬟M行切割。

激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。激光束通過聚焦后，在焦點處產(chǎn)生數(shù)千度甚至上萬度的高溫，使其能加工幾乎所有的材料。激光劃片是把激光束聚焦在硅、鍺、砷材料的表面，形成很高的功率密度，使硅片形成溝槽，在溝槽處應力集中，很容易沿溝槽整齊斷開。激光劃片為非接觸加工，劃片效應是通過表層的物質(zhì)蒸發(fā)出深層物質(zhì)，或是通過光能作用導致物質(zhì)的化學鍵斷裂而劃出痕跡。因此，用激光對太陽電池硅片進行劃片，能較好地防止損傷和污染硅片，可以提高硅片的利用率，提高產(chǎn)品的成品率。與傳統(tǒng)的機械切割技術(shù)相比，激光劃片主要有以下優(yōu)點：①激光劃片由計算機控制，速度快，精確度高，大大提高了加工效率；②激光劃片為非接觸式加工，減少了硅片的表面損傷與刀具的磨損，提高了產(chǎn)品成品率；③激光劃片光強弱控制方便，激光聚焦后功率密度高，能很好地控制切割深度，適合對硅片這種薄、脆、硬的材料切割；④激光束細，加工材料消耗很小，加工熱區(qū)影響小；⑤激光劃片溝槽整齊，無裂紋，深度一致；⑥激光加工操作方便簡捷，使用安全，人工、材料消耗成本低。使用切割機切割太陽電池，需要注意的問題是：①一定要在水循環(huán)正常工作下，再啟動激光電源和調(diào)節(jié)電源，否則溫度過高，容易燒壞電源；②激光電源屬于大功率高頻開關(guān)電源，它對外部環(huán)境有或多或少的電磁污染，因而對電磁兼容性能的儀器設備，如變型儀、計算機等產(chǎn)生一定影響，建議采用屏蔽、電源隔離等方法抗干擾；③激光器一般采用氪燈泵浦，需要瞬時高壓來觸發(fā)氪燈，因此嚴禁在氪燈點燃前啟動其他組件，以防高壓串入，氪燈屬于易損耗件，當發(fā)現(xiàn)老化時，需要更換新燈；④激光劃片機工作環(huán)境要求室內(nèi)清潔無塵，相對濕度小于80％，溫度5～20℃；另外，要保持機內(nèi)循環(huán)水干凈，定期清洗水箱并更換去離子水或純水。3.4.2太陽電池層壓機

太陽電池層壓機集真空技術(shù)、氣壓傳動技術(shù)、PID溫度控制技術(shù)于一體，適應于單晶硅電池組件、多晶硅電池組件的層壓封裝生產(chǎn)。層壓機分上室、下室，打開層壓機的上蓋，上蓋內(nèi)側(cè)有個膠皮氣囊，上室指的就是這個氣囊；上蓋板與下腔之間形成一個密封室為下室。打開上蓋，可以看到下面有兩層耐高溫的玻璃布，玻璃布下面是加熱板。層壓過程中，電池片與EVA、TPT、玻璃層疊后放入玻璃布之間，玻璃布有減緩EVA升溫速率作用，減少氣泡產(chǎn)生，同時可以防止熔融后的EVA流出來弄臟加熱板。普通型結(jié)構(gòu)

層壓的基本過程：打開層壓機，按下加熱按鈕，設定好工作溫度（100～120

℃

）；待加熱板溫度達到指定溫度后，將層疊好的電池片放人層壓機兩層玻璃布間并合上蓋，合蓋后第一步是下室抽氣。EVA在層壓機內(nèi)開始受熱，受熱后的EVA處于熔融狀態(tài)，EVA與電池片、玻璃、TPT之間有空氣存在，下室抽氣可以將這些間隙中的空氣排除。抽氣的下一步是加壓，在加壓過程中，下室繼續(xù)抽真空，上室充氣，膠皮氣囊構(gòu)成的上室，充氣后體積膨脹（由于下室抽真空）充斥整個上下室之間，擠壓放置在下室的電池片、EVA等，熔融后的EVA在擠壓和下室抽空的作用下，流動充滿玻璃、電池片、TPT、之間的間隙，同時排出中間的氣泡。這樣，玻璃、電池片、TPT就通過EVA緊緊黏合在一起。層壓好后需要開蓋將電池取出，開蓋時，先是下室充氣，上室抽空，使放電池組件的下腔氣壓與大氣壓平衡，再利用設置在上蓋的兩開蓋支臂將上蓋打開，將太陽電池取出后。上述層壓過程，可以設定好層壓溫度及抽氣、層壓、充氣的時間，控制鍵撥到自動擋，開蓋放入太陽電池，合蓋后讓其自動工作，層壓好后會自動開蓋，取出層壓好的電池組件后可以進行下一工作循環(huán)。工作溫度、抽氣層壓時間的設置要視層壓機情況、電池大小而定；一般層壓機廠商會給用戶提供一個經(jīng)驗參數(shù)，用戶在使用過程中，逐步做一些修正，再確定自己的最優(yōu)值。中山大學實驗室使用的國產(chǎn)層壓機在封裝功率20W以下的太陽電池時，設置工作溫度120℃，下室抽氣5min，層壓5min，下室充氣20s，太陽電池面積（功率50～100W）較大時，延長抽氣時間至8min，層壓時間至10min。

層壓機使用過程中注意事項：

①層壓機合蓋時壓力巨大，切記下腔邊框不得放異物，以防意外傷害或設備損壞；②開蓋前必須檢查下室充氣是否完成，否則不能開蓋，以免損壞設備；③控制臺上有緊急按鈕，緊急情況下，整機斷電；故障排除后，將緊急按鈕復位；④層壓機若長時間未使用，開機后應空機運轉(zhuǎn)幾個循環(huán)，以便將吸附在腔體內(nèi)的殘余氣體及水蒸氣抽盡，以保證層壓質(zhì)量。3.5太陽電池組件封裝工藝

太陽電池組件解決了單體電池的一些問題，組件具有以下特點:①工作電壓和輸出功率按不同的要求設計，可以提供多種接線方式，滿足不同的電壓輸出要求；②有足夠的機械強度，能經(jīng)受運輸、安裝和使用過程中發(fā)生的沖擊、震動等產(chǎn)生的應力，具有防腐、防潮、防水、防風、防雹能力；③經(jīng)與玻璃、EVA、TPT結(jié)合后，有明顯的電性能增益。太陽電池組件的制造過程中主要有以下一些步驟：激光劃片→光焊（將電池片焊接成串）→手工焊（焊接匯流條）→層疊（玻璃—EVA—電池—EVA—TPT）→中測→層壓→固化→裝邊框、接線盒→終測。3.5.1激光劃片

根據(jù)組件所需電壓、功率，可以計算出所需電池片的面積及電池片片數(shù)。由于單體電池（未切割前）尺寸一定（有幾種標準），面積通常不能滿足組件需要，因此，在焊接前，一般有激光切片這套工序。切割前，應設計好切割路線，畫好草圖，要盡量利用切割剩余的電池片，提高電池片利用率。切割過程中注意事項：①切片時，切痕深度一般要控制在電池片厚度的1／2～2／3，這主要通過調(diào)節(jié)激光劃片機的工作電流來控制。如果工作電流太大，功率輸出大，激光束強，可以將電池片直接劃斷，容易造成電池正負極短路。反之，當工作電流太小，劃痕深度不夠，在沿著劃痕用手將電池片掰斷時，容易將電池片弄碎。②太陽電池片價格較貴，為減少電池片在切割中的損耗，在正式切割前，應先用與待切電池片型號相同的碎電池片做試驗，測試出該類電池片切割時激光劃片機合適的工作電流I0，這樣正常樣品的切割中劃片機按照電流I0工作，可以減少由于工作電流太大或太小而造③為避免計算機設置出差錯，在電池片切割前，先用小工作電流（使激光能被看清光斑即可）讓激光束沿設定的路線走一遍，確認路線正確后，再調(diào)大電流進行切片。④一般來說，激光劃片機只能沿XY軸方向進行切割，切方形電池片比較方便。當電池片在要求切成三角形等形狀時，切割前一定要計算好角度，擺好電池片方位，使需要切割的線路沿X或Y方向。⑤在切割不同電池片時，如果兩次厚度差別較大，調(diào)整工作電流的同時，注意調(diào)整焦距。⑥切割電池片時，應打開真空泵，使電池片緊貼工作面板，否則，將切割不均勻。3.5.2焊接

互連條需預先在助焊劑中浸泡,去除表面氧化物。焊接時溫度控制在360～380℃。焊接應牢固,無毛刺、虛焊及錫渣,互連條表面光滑美觀。采用無鉛焊接,先在電池片正面的主柵線上焊上互連條,然后放在串焊模板上,將后一片的互連條與前一片電池的背電極焊接起來,組成一個帶有正負極引出線的電池串。焊接應牢固,無毛刺、虛焊及錫渣,互連條表面光滑美觀。

太陽電池的焊接

正面電極焊接互連條

將單個電池片組成電池串

太陽電池的排列

將電池串用匯流條連接起來以便于將來進行層疊（敷設），互連條焊接的質(zhì)量直接影響到組件電性能的輸出，其外觀要求也較高。3.5.3層壓真空層壓工藝中各種材料的擺放順序電池片按要求焊接好后，層壓前一般先用萬用表通過測電池電壓方式檢查焊接好的太陽電池有沒有短路、斷路；在層疊工作臺上先放上鋼化玻璃;然后蓋上EVA,再放上電池串,依次復蓋EVA和TPT,并用膠帶固定住。在層壓機內(nèi),通過真空泵將組件內(nèi)的空氣抽出,然后加熱到100～120℃,將電池、EVA、玻璃和TPT背板粘接在一起。層壓后,太陽電池組件內(nèi)應無氣泡,電池串間距均勻,匯流條平直。

層壓過程中有關(guān)問題及注意事項：太陽電池層壓工藝中，消除EVA中的氣泡是封裝成敗的關(guān)鍵。如果抽氣時間和層壓溫度設置不當，在組件玻璃下面常會出現(xiàn)氣泡，致使組件使用過程中，氣泡受熱膨脹而使EVA脫層，影響組件的外觀、效率與使用壽命。層疊時進入的空氣與EVA交聯(lián)反應產(chǎn)生的氧氣是形成氣泡的主要原因。當層壓的組件中出現(xiàn)氣泡，說明工作溫度過高或抽氣時間太短，應該重新設置工作溫度和抽氣、層壓時間。3.5.4固化從層壓機取出的太陽電池，未固化時EVA容易與TPT、玻璃脫層，需進入烘箱固化。根據(jù)EVA種類不同分兩種固化方式：

①快速固化型EVA

設置烘箱溫度135℃，待升到設置溫度后，將層壓好的電池放入固化15min。

②常規(guī)固化型EVA

設置烘箱溫度145℃，待升到設置溫度后，將層壓好的電池放人固化30min。

固化也可以在層壓機內(nèi)直接進行，有兩種方法：方法一

①快速固化型EVA

層壓機設置100～120℃，放入電池板，抽氣3～5min，加壓4～10min，同時升溫到135℃，恒溫固化15min，層壓機下室充氣上室抽空30s，開蓋取出電池冷卻即可。

②常規(guī)固化型EVA

層壓機設置100～120℃，放入電池板，抽氣3～5min，加壓4～10min，同時升溫到145～150℃，恒溫固化30min，層壓機下室充氣上室抽空30s，開蓋取出電池冷卻。方法二層壓機設置135～140℃，放入電池板，抽氣3～5min，加壓4～10min，恒溫135～140℃，固化15min，再取出冷卻即可。目前，工廠大部分采用在烘箱中快速固化EVA。這種固化方法效果好，速度快，可以節(jié)約層壓機的使用時間。在太陽電池組件制造過程中，廠家經(jīng)常需要測定EVA的凝膠含量來分析EVA的固化程度，以達到控制封裝質(zhì)量的目的。EVA凝膠含量（交聯(lián)度）達到65％以上，可以認為固化基本完成，達到了組件的要求。裝邊框與接線盒：給玻璃組件安裝鋁合金邊框,以增加組件強度。鋁合金邊框內(nèi)應均勻地填充滿硅膠,進行密封,延長電池的使用壽命。安裝接線盒時,用硅膠將其粘合在組件背面指定位置上,并將組件內(nèi)的匯流條連接到接線盒的電纜線上。3.5.5檢測太陽電池組件投入使用前需先進行各項性能測試，具體方法主要參考GB／T9535—1998《地面用晶體硅光伏組件設計鑒定與定型》、GB／T14008—1992《海上用太陽電池組件總規(guī)范》。以下是組件的一些基本性能指標與檢測方法。①性能測試在規(guī)定光源的光譜、標準光強以及一定的電池溫度(25℃)條件下對太陽能電池的開路電壓、短路電流、最大輸出功率、伏安特性曲線等進行測量。太陽電池組件測試儀②電絕緣性能測試以1kV的直流電通過組件底板與引出線，測量絕緣電阻，絕緣電阻要求大于2000MΩ，以確保在應用過程中組件邊框無漏電現(xiàn)象發(fā)生。③熱循環(huán)實驗將組件置于有自動溫度控制、內(nèi)部空氣循環(huán)的氣候室內(nèi)，使組件在40～85℃之間循環(huán)規(guī)定次數(shù)，并在極端溫度下保持規(guī)定時間，監(jiān)測實驗過程中可能產(chǎn)生的短路和斷路、外觀缺陷、電性能衰減率、絕緣電阻等，以確定組件由于溫度重復變化引起的熱應變能力。④濕熱—濕冷實驗將組件置于帶有自動溫度控制、內(nèi)部空氣循環(huán)的氣候室內(nèi)，使組件在一定溫度和濕度條件下往復循環(huán)，保持一定恢復時間，監(jiān)測實驗過程中可能產(chǎn)生的短路和斷路、外觀缺陷、電性能衰減率、絕緣電阻等，以確定組件承受高溫高濕和低溫低濕的能力。⑤機械載荷實驗在組件表面逐漸加載，監(jiān)測實驗過程中可能產(chǎn)生的短路和斷路、外觀缺陷、電性能衰減率、絕緣電阻等，以確定組件承受風雪、冰雪等靜態(tài)載荷的能力。

⑥冰雹實驗以鋼球代替冰雹從不同角度以一定動量撞擊組件，檢測組件產(chǎn)生的外觀缺陷、電性能衰減率。以確定組件冰雹撞擊的能力。

⑦老化實驗老化實驗用于檢測太陽電池組件暴露在高濕和高紫外輻照場地時具有有效抗衰減能力。將組件樣品放在65℃，約6.5紫外太陽下輻照，最后測電光特性，看其下降損失。3.5.6技術(shù)要求

合格的太陽電池組件應該達到一定的技術(shù)要求，相關(guān)部門制定了組件方面的國家標準與行業(yè)標準。以下是層壓封裝體硅太陽電池組件的一些基本要求。①光伏組件在規(guī)定工作環(huán)境下，使用壽命應大于20年（使用20年，效率大于原來效率的80％）。②組件的電池上表面顏色應均勻一致，無機械損傷，焊點無氧化斑。③組件的每片電池與互連條應排列整齊，組件的框架應整潔無腐蝕斑點。④組件的封裝層中不允許氣泡或脫層在某一片電池與組件邊緣形成一個通路，氣泡或脫層的幾何尺寸和個數(shù)應符合相應的產(chǎn)品詳細規(guī)范規(guī)定。⑤組件的面積比功率大于65W／m2，質(zhì)量比功率大于4.5w／kg，填充因子FF大于0.65。⑥組件在正常條件下絕緣電阻不能低于2000MΩ。⑦采用EVA、玻璃等層壓封裝的組件，EVA的交聯(lián)度應大于65％，EVA與玻璃的剝離強度大于30N／cm，EVA與組件背板材料的剝離強度大于15N／cm。⑧每個組件應有以下標志。

a．產(chǎn)品名稱與型號；

b．主要參數(shù)，包括短路電流ISC，開路電壓VOC，最佳工作電流Im，最佳工作電壓Vm。最大輸出功率Pm以及I-V曲線圖；

c．制造廠名、日期及商標。3.6電池組件的降格與失效1、前表面污損隨著組件前表面灰塵的積累會降低組件的性能。組件的玻璃表面通過風雨的洗刷實現(xiàn)自我清潔，而這些損失保持在10%以下。對于其它材料的組件表面，這個損失的百分比可能會更高。2、組件內(nèi)部腐蝕

原因之一：由助焊劑的腐蝕引起，助焊劑選擇不當是造成太陽能電池組件失效的重要原因之一。目前很多組件生產(chǎn)用的是電子工業(yè)中使用的助焊劑，以有機酸成分為主，有關(guān)資料表明，這種助焊劑助焊效果越好，它的腐蝕性越強。廠家選用助焊劑往往以助焊效果為標準，而忽略了它的腐蝕性。組件生產(chǎn)廠家在選擇助焊劑時，應在保證助焊效果的前提下，采用中性的免清洗助焊劑。具體要求是：焊后殘留物少、對電池片和EVA膠膜無腐蝕，有足夠的熱穩(wěn)定性，且對環(huán)境無污染，對操作者無傷害。2、組件內(nèi)部腐蝕