太阳电池组件基础知识.docx

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太阳电池组件基础知识

太阳能电池组件基础知识

1太阳电池背景

由于我国石油、天然气、煤炭等能源的过量开采，已面临严峻的能源危机：

石油储量仅可维持到2020年，天然气仅能延续到2040年，煤炭最多还能用200-300年，未来能源的欠缺将成为困扰中国经济进展的主要问题。

最近几年来，世界上太阳能电池总产量以每一年超过30%的速度增加，2002年世界光伏系统总装机容量达2200兆瓦，年发电量约为30亿千瓦时，而中国2002年光伏系统累计装机容量仅40兆瓦。

因此太阳能电池行业是21世纪的朝阳行业，进展前景十分广漠。

光伏发电将在中国未来的电力供给中扮演重要的角色。

估计到2010年中国的光伏发电累计装机容量将达到600MWp，2020年累计装机将达到30GWp，2050年将达到100GWp。

按照电力科学院的预测，到2050年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%，其中光伏发电占到5%。

太阳能发电具有许多长处，如安全靠得住，无噪音，无污染；能量处处可得，无需消耗燃料；无机械转动部件，保护简便，利用寿命长；建设周期短，规模大小随意；能够无人值守，也无需架设输电线路，还可方便与建筑物相结合等；这些都是常规发电和其他发电方式所不及的。

但太阳能电池的本钱高、效率低是影响它进展的重要瓶颈，因此如安在单位面积内使太阳能电池发挥最大的发电量，就成为进展太阳能电池行业的一大研究重点。

2太阳电池原理

太阳能电池是通过光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置[1—3]。

太阳能电池的能量转换多数应用P-N结的光伏效应（PhotovoltaicEffect）。

其原理如下：

多数载流子的扩散形成内建电场。

一块太阳能电池片相当于一个大面积平面PN结二极管，P型硅中多数载流子是空穴，N型硅正好相反，多数载流子是电子。

P型硅与N型硅相接触后，多数载流子的扩散形成内建电场，电场方向由N指向P。

少数载流子的漂移形成光电压。

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对。

在内建电场作用下，空穴由N区移向P区，电子由P区移向N区，少数载流子的飘移形成光电压。

电池片外电路连接导通，就形成光电流。

具体而言，太阳能电池片能够理想的看做比较大的二极管，第一对P-N结二极管做一简单说明。

如图1所示，为一理想的P-N结二极管的电流-电压（I-V）特性图，其对应的方程式如公式1：

（1）

Ipn，Vpn　：

P-N结二极管的电流及电压

k：

波尔兹曼常数（BoltzmannConstant：

×10-23J/K）

q：

电子电荷量（×10-19库仑）

T：

绝对温度（凯氏温度K＝摄氏温度℃＋273度）

Is：

等效二极管的逆向饱和电流

VT：

热电压（ThermalVoltage：

）

太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子-光子（Photons），而每一个光子所携带的能量（公式2）为Eph：

（2）

其中

h：

普郎克常数（PlanckConstant：

×10-15eV·S）

c：

光速（3×108m/s）

λ：

光子波长

但并非所有光子都能顺利地通过太阳能电池将光能转换为电能，因为在不同的光谱中光子所携带的能量不一样：

①当光子所携带的能量大于禁带（BandGap）能量时，电子由价电带（ValenceBand）跃迁至导电带（ConductionBand）而产生所谓的“电流”，所以当光子所携带的能量若大于禁带能量时，如图2所示，即能够通过光电子转换成电能。

②若光子所携带得能量小于禁带能量时，就对太阳能电池而言并无什么作用，不会产生任何的电流。

在太阳光照射到太阳能电池产生电子-空穴对（Electro-HolePair）的同时，也会有部份的能量以热能形式散逸掉而不能被有效的利用。

当入射太阳光的能量大于硅半导体的禁带能量时，太阳光子照射入半导体内，把电子从价电带激发到导电带，从而在半导体内部产生了许多“电子-空穴”对，在内建电场的作用下，电子向N型区移动，空穴向P型区移动，如此，N区有很多电子，P区有很多空穴，在P-N结周围就形成了与内建电场方向相反的光生电场，它的一部份抵消了内建电场，其余部份则使P区带正电，N区带负电，于是在N区与P区之间产生了光生伏打电动势，这就是所谓的“光生伏打效应”。

若是位太阳电池开路，即组成电池回路中，负载电阻为无穷大，则被P-N结分开的电子和空穴，就会全数积累在P-N结周围，于是出现了最大光生电动势，它的数值即为开路电压，记作Voc　。

若是把太阳电池短路，即回路负载电阻为零，则所有P-N结周围的电子与空穴，由结的一边，流经外电路抵达结的另一边，产生了最大可能的电流，即短路电流记作ISC。

太阳能电池相当于具有与受光面平行的极薄P-N结的大面积的等效二极管，因此能够假设太阳能电池为一个二极管与太阳光电流发生源所并联的等效电路，如图3所示。

若是这时别离在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就可以产生必然的电压和电流，输出功率。

3太阳电池分类

目前市面上的太阳能电池的分类如图４所示。

大致上可分为堆积型（BulkType）和薄膜型（ThinFilmType）两种，介绍如下：

堆积型太阳能电池又可分为：

单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池，III-V族化合物半导体太阳能电池。

薄膜型太阳能电池又可分为：

非晶硅太阳能电池，II-VI族化合物半导体太阳能电池。

图4太阳电池种类

太阳电池最先问世的是单晶硅太阳电池。

硅是地球上极丰硕的一种元素，几乎遍地都有硅的存在，可说是取之不尽，用硅来制造太阳电池，原料可谓不缺。

可是提炼它却不容易，所以人们在生产单晶硅太阳电池的同时，又研究了多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池，至今商业规模生产的太阳电池，尚未跳出硅的系列。

其实可供制造太阳电池的半导体材料很多，随着材料工业的进展、太阳电池的品种将愈来愈多。

目前已进行研究和试制的太阳电池，除硅系列外，还有硫化镉、砷化镓、铜铟硒等许多类型的太阳电池，举不胜举，以下介绍几种较常见的太阳电池。

单晶硅太阳电池：

单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构成和生产工艺已定型，产品已普遍用于宇宙空间和地面设施。

这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求％。

为了降低生产本钱，此刻地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。

有的也可利用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，通过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。

将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。

硅片通过成形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。

加工太阳电池片，第一要在硅片上搀杂和扩散，一般搀杂物为微量的硼、磷、锑等。

扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。

如此就在硅片上形成P/FONT>N结。

然后采用丝网印刷法，将配好的银浆印在硅片上做成栅线，通过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被滑腻的硅片表面反射掉，至此，单晶硅太阳电池的单体片就制成了。

单体片通过抽查查验，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和并联的方式组成必然的输出电压和电流，最后用框架和封装材料进行封装。

用户按照系统设计，可将太阳电池组件组成各类大小不同的太阳电池方阵，亦称太阳电池阵列。

目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为15％左右，实验室功效也有20％以上的。

用于宇宙空间站的还有高达50%以上的太阳能电池板。

多晶硅太阳电池：

单晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗专门大，在太阳电池生产总本钱中己超二分之一，加上拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。

因此，80年代以来，欧美一些国家投入了多晶硅太阳电池的研制。

目前太阳电池利用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。

其工艺进程是选择电阻率为100～300欧姆·厘米的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用1：

5的氢氟酸和硝酸混合液进行适当的侵蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘干。

用石英坩埚装好多晶硅料，加人适量硼硅，放人浇铸炉，在真空状态中加热熔化。

熔化后应保温约20分钟，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。

这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材质利用率和方便组装。

多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约12％左右，稍低于单晶硅太阳电池，可是材料制造简便，节约电耗，总的生产本钱较低，因此取得大量进展。

随着技术得提高，目前多晶硅的转换效率也能够达到14%左右。

非晶硅太阳电池：

非晶硅太阳电池是1976年有出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方式完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低，超级吸引人。

制造非晶硅太阳电池的方式有多种，最多见的是辉光放电法，还有反映溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等。

辉光放电法是将一石英容器抽成真空，充入氢气或氩气稀释的硅烷，用射频电源加热，使硅烷电离，形成等离子体。

非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上。

若硅烷中掺人适量的氢化磷或氢化硼，即可取得N型或P型的非晶硅膜。

衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。

这种制备非晶硅薄膜的工艺，主要取决于严格控制气压、流速和射频功率，对衬底的温度也很重要。

非晶硅太阳电池的结构有各类不同，其中有一种较好的结构叫PiN电池，它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅，再沉积一层未搀杂的i层，然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。

此种制作工艺，能够采用连续串沉积室，在生产中组成持续程序，以实现大量量生产。

同时，非晶硅太阳电池很薄，能够制成叠层式，或采用集成电路的方式制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以取得较高的电压。

因为普通晶体硅太阳电池单个只有伏左右的电压，此刻日本生产的非晶硅串联太阳电池可达伏。

目前非晶硅太阳电池存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10％左右，且不够稳固，常有转换效率衰降的现象，所以尚未大量用于作大型太阳能电源，而多半用于弱光电源，如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面。

估量效率衰降问题克服后，非晶硅太阳电池将增进太阳能利用的大进展，因为它本钱低，重量轻，应用更为方便，它能够与衡宇的屋面结合组成住户的独立电源。

多晶硅太阳能电池的生产工艺相对简单，价钱比单晶硅低。

最近几年来，由于多晶硅太阳能电池技术的不断进步，其转换效率取得不断提高。

单晶硅太阳能电池的效率比较高，但价钱高于多晶硅太阳能电池。

非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低，可在室内阳光很弱的情形下利用。

目前咱们重点利用的大体都是多晶硅和单晶硅太阳能电池板。

无论哪一种电池都具有如下主要参数

1、Isc＝短路电流；

2、Im＝峰值电流；

3、Voc＝开路电压；

4、Vm＝峰值电压；

5、Pm＝峰值功率＝（Im×Vm）（以上按照太阳能电池的外特性计算）

4太阳电池组件工艺

晶体硅太阳能电池的制作进程：

晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。

生产进程大致可分为五个步骤：

a、提纯进程b、拉棒进程c、切片进程d、制电池进程e、封装进程。

太阳电池组件是将太阳光能直接转变成直流电能的阳光发电装置。

多个组件经串联和并联可组成发电方阵，提供较大的电功率。

太阳电池组件具有单个组件功率大，靠得住性高的特点，可单只或组成阵列利用。

组件是由高转换效率的单片太阳电池、EVA胶膜、低铁钢化玻璃和由氟塑料、涤纶复合而成的Tedlar（TPT）背膜组成。

这些元件在真空下加热层压成为一个整体，最后经安装防腐铝合金边框和接线盒，成为组件成品。

太阳能独立供电系统：

主要由太阳能电池、控制器、蓄电池和逆变器组成，由于太阳能电池的寿命一般均在20年以上，因此系统寿命和靠得住性较高，并可取代柴油机，实现无人职守。

组件线又叫封装线，封装是太阳能电池生产中的关键步骤，没有良好的封装工艺，多好的电池也生产不出好的组件板。

电池的封装不仅能够使电池的寿命取得保证，而且还增强了电池的抗击强度。

产品的高质量和高寿命是博得可客户满意的关键，所以组件板的封装质量超级重要。

目前太阳能电池的封装形式主要层压工艺和滴胶工艺有两种。

采用层压工艺封装的太阳能电池能够保证25年以上的工作寿命，其工艺特性和利用寿命优于滴胶封装形式。

滴胶板的工艺流程与层压板大体相同，主如果层压改成滴胶。

下面咱们着重介绍层压板的工艺流程。

一、流程图

一、电池检测——二、正面焊接—查验—3、背面串接—查验—4、敷设（玻璃清洗、材料切割、玻璃预处置、敷设）——五、层压——六、去毛边（去边、清洗）——7、装边框（涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶）——八、焊接接线盒——九、高压测试——10、组件测试—外观查验—1一、包装入库；

二、组件高效和高寿命如何保证

1、高转换效率、高质量的电池片；

下面是电池的结构示用意：

（1）金属电极主栅线；

（2）金属上电极细栅线；（3）金属底电极；（4）减反射膜；（5）顶区层（扩散层）；（6）体区层（基区层）；

二、高质量的原材料，例如：

高的交联度的EVA、高粘结强度的封装剂（中性硅酮树脂胶）、高透光率高强度的钢化玻璃等；

3、合理的封装工艺；

4、员工严谨的工作作风；

由于太阳电池属于高科技产品，生产进程中一些细节问题，一些不起眼问题如应该戴手套而不戴、应该均匀的涂刷试剂而潦草完事等都是影响产品质量的大敌，所以除制定合理的制作工艺外，员工的认真和严谨是超级重要的。

三、太阳电池组装工艺简介：

电池测试：

由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一路，所以应按照其性能参数进行分类；电池测试即通过测试电池的输出参数（电流和电压）的大小对其进行分类。

以提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。

正面焊接：

是将汇流带焊接到电池正面（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，咱们利用的焊接性能够将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。

焊带的长度约为电池边长的2倍。

多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连。

●焊接一般事项：

焊接时要利用助焊剂，一般采用松香型中性助焊剂；

焊接利用的电烙铁一般能够采用20W左右；

烙铁头一般加工成扁平状，以利于和焊带全面接触，利用进程中应当注意烙铁头的修理；

一般电池片的主栅线上不用专门加焊锡，或只需加少量焊锡，主要利用焊带表面的焊锡，焊锡过量焊接不容易维持平整；

注意速度要掌握好，太快不能靠得住焊接，太慢也会影响焊接质量。

背面串接：

背面焊接是将正面焊好的电池接在一路形成一个组件串，咱们目前采用的工艺是手动的，电池的定位主要靠一个膜具板，上面有放置电池片的凹槽，槽的大小和电池的大小相对应，槽的位置已经设计好，操作者利用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上，如此依次将串接在一路并在组件串的正负极焊接出引线。

层压敷设：

背面串接好且通过查验合格后，将组件串、玻璃和切割好的EVA、玻璃纤维、背板依照必然的层次敷设好，预备层压。

敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，铺设时注意和EVA要比玻璃稍大。

大约每边留10到15毫米。

为层压打好基础。

引出线和汇流条的位置在电池片后面的，应该注意垫块位置作好绝缘，（敷设层次：

由下向上：

玻璃、EVA、电池、EVA、玻璃纤维、背板）。

查验：

对连接好的电池板应当进行电气检查和外观检查。

组件层压：

将敷设好的电池放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA熔化将电池、玻璃和背板粘接在一路；最后冷却掏出组件。

层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度层压时刻按照EVA的性质决定。

咱们利用快速固化EVA时，层压循环时刻约为25分钟。

固化温度为150℃。

修边：

层压时EVA熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应，待电池板的温度适当降低后,用裁纸刀切下玻璃边外的EVA和装框：

类似与给玻璃装一个镜框；给玻璃组件装铝框，增加组件的强度，进一步的密封电池组件，延长电池的利用寿命。

边框和玻璃组件的裂缝用硅酮树脂填充。

各边框间用角键连接。

焊接接线盒：

在组件背面引线处焊接一个盒子，以利于电池与其他设备或电池间的连接。

1、高压测试：

高压测试是指在组件边框和电极引线间施加必然的电压，测试组件的耐压性和绝缘强度，以保证组件在恶劣的自然条件（雷击等）下不被损坏。

2、组件测试：

测试的目的是对电池的输出功率进行标定，测试其输出特性，肯定组件的质量品级。

5太阳能电池的应用

上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术——通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我检讨的进程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已越发亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。

如：

太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或浇灌）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。

欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地域自然界村落供电系统纳入进展方向。

太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。

用户太阳能电源：

小型电源10-100W不等，用语边远无电地域如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；3-5KW家庭屋顶并网发电系统；光伏水泵：

解决无电地域的深水井饮用、浇灌。

交通领域：

如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线。

电话亭、无人值守道班供电等。

通信/通信领域：

太阳能无人值守微波中继站、光缆保护站、广播/通信/寻呼电源系统；农村载波电话

光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。

石油、海洋、气象领域：

石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急

电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。

家庭灯具电源：

如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。

光伏电站：

10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各类大型停车厂充电站等。

太阳能建筑：

将太阳能发电与建筑材料相结合使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大进展方向。

其他领域包括：

与汽车配套：

太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；海水淡化设备供电；卫星、航天器、空间太阳能电站等。

6太阳能光伏电站

太阳能电站包括太阳电池阵列、蓄电池、电源控制器、DC/AC逆变器、输配电、低压送电网及交、直流负载等部份。

世界上最大的房顶光伏发电系统安装在德国墨尼黑新的世界贸易中心，其容量为1MW，已成为德国人引以为傲的现代建筑之一。

整个90年代，世界太阳电池的销售量每一年以25%～30%的速度递增，1999年已冲破约200MWp。

面对如此迅速的增加率，一门新兴的朝阳工业已形成，人们称之为光伏工业。

美国、日本、欧洲一路体等国家纷纷出台新的"房顶计划"、"阳光计划"，估计到2010年，以上国家和地域用于房顶发电系统的太阳电池超过12000MWp（约相当于1200万千瓦常规发电站），无论是环保效益、经济效益都极具规模。

7太阳电池前景展望

目前，在一些城市的街头已经能够看见一些由太阳能电池供电的设施。

通过数十年的研究开发，这些以硅为材料的太阳能电池的制造本钱仍然昂贵，不易安装，光电转换效率也低，大约只有12-15%%（此刻世界上最好的单晶硅光电转换效率大约是30%%左右），发一度电的本钱大约是22美分，远比烧煤的火力发电厂4美分一度电的本钱要高。

下一代太阳能电池可能最终使太阳能发电具有竞争力。

新型太阳能电池是把光生伏打电池嵌入塑料薄膜的表面，制成太阳能发电薄膜。

这种太阳能发电薄膜廉价、转换效率高，能够有多种用途。

在美国马萨诸塞州有个Konarka技术公司，这家公司已经开发出一种工艺，这种新工艺能够把二氧化钛及一种吸收光的染料涂覆在塑料薄膜的表面，染料分子吸收的光子激发二氧化钛的电子从而发电。

Konarka公司期望今年年末能够将其第一种商品化的新型太阳能电池推向市场，这种新型太阳能电池将主要应用于消费电子设备如笔记本电脑。

一些大公司也关注新型太阳能电池技术。

西门子开发的一种新技术是把一种纳米级的碳60分子同导电的聚合物熔融在一路制成塑料太阳能电池;而美国通用电气公司则是利用一种有机发光二极管作为吸光材料来制造塑料太阳能电池。

采用塑料太阳能电池，实际上能够使许多材料具有发电能力。

例如，塑料太阳能电池能够嵌入手提电脑的箱壁，能够随时在光照条件下对电脑充电;塑料太阳能电池也能够装在电动汽车车身，为电动机供电;衡宇的屋顶更能够覆盖塑料太阳能电池,以供给日常常利用电。

这一技术产生的效益将是庞大的。

连年来，美国2200亿美元的电力产业因为其庞大的发电厂及电网系统能够维持低本钱运营而拒绝变革。

若是塑料太阳能电池能够让咱们过上电力自给自足的日子，电力公司将无法永久拒绝变革。