太阳能电池介绍课件PPT 156页

'第3章太阳能光伏电池何道清编制2011.12 第3章太阳能光伏电池太阳能光伏电池——太阳能电能 3.1太阳能光伏发电原理3.1.1半导体基础知识1.导体、绝缘体和半导体（1）自由电子与自由电子浓度物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，电子受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。能在晶体中自由运动的电子，称为“自由电子”，它是导体导电的电荷粒子。自由电子浓度：单位体积中自由电子的数量，称为自由电子浓度，用n表示，它是决定物体导电能力的主要因素之一。 （2）晶体中自由电子的运动由于晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章的运动。电流：导体中的自由电子在电场力作用下的定向运动形成电流。迁移率：在单位电场强度（1V/cm）下，定向运动的自由电子的“直线速度”，称为自由电子的迁移率，用表示，这也是决定物体导电能力的主要因素。电导率：表征物体导电能力的物理量，用表示,=en电阻：导体中的自由电子定向运动形成电流所受到的“阻力”，它也表征表征物体导电能力。导体的电阻特性用电阻率表示（=1/）。导体电阻3.1太阳能光伏发电原理 3.1太阳能光伏发电原理（3）导体、绝缘体和半导体导体，导电能力强的物体，电阻率为10-9~l0-6cm；绝缘体，不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的物体，电阻率为108~l020cm；半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻率为10-5~l07cm。导电机理：金属导体导电是自由电子（n恒定）在电场力作用下的定向运动，电导率基本恒定；半导体导电是电子和空穴在电场力作用下的定向运动。电子和空穴的浓度随温度、杂质含量、光照等变化较大，影响其导电能力。 3.1太阳能光伏发电原理2.硅的晶体结构（1）硅的原子结构硅(Si)原子，原子序数14，原子核外14个电子，绕核运动，分层排列：内层2个电子(满)，第二层8个电子(满)，第三层4个电子(不满)，如图3-1所示。图3-1硅的原子结构及其原子能级 3.1太阳能光伏发电原理（2）硅的晶体结构硅晶体中的硅原子在空间按面心立方晶格结构无限排列，长程有序。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个硅原子间有一对电子与这两个原子的原子核都有相互作用，称为共价键。基于共价键作用，是硅原子紧密地结合在一起，构成晶体。图3-2硅的晶胞结构 3.1太阳能光伏发电原理硅晶体和所有的晶体都是由原子(或离子、分子)在空间按一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的晶格。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，即长程有序，就称其为单晶体。在硅晶体中，每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个相邻原子核都有相互作用，称为共价键。正是靠共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。由许多小颗粒单晶杂乱无章地排列在一起的固体称为多晶体。非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式，如一个硅原子仍有四个共价键，短程看是有序的，长程无序，这样的材料称为非晶体，也叫做无定形材料。 3.1太阳能光伏发电原理3.能级和能带图电子在原子中的轨道运动状态具有不同的能量—能级(E),单一的电子能级，分裂成能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，形成一个“能带”。图3-3单原子的电子能级对应的固体能带 3.1太阳能光伏发电原理4.禁带、价带和导带电子只能在各能带内运动，能带之间的区域没有电子态,这个区域叫做“禁带”，用Eg表示。完全被电子填满的能带称为“满带”，最高的满带容纳价电子，称为“价带”,价带上面完全没有电子的称为“空带”。有的能带只有部分能级上有电子,一部分能级是空的。这种部分填充的能带,在外电场的作用下,可以产生电流。而没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为“导带”。 3.1太阳能光伏发电原理4.禁带、价带和导带(a)金属(b)半导体(c)绝缘体图3-4金属、半导体、绝缘体的能带 3.1太阳能光伏发电原理4.禁带、价带和导带图3-4晶体的能带 3.1太阳能光伏发电原理4.禁带、价带和导带禁带宽度Eg价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参与导电运动，必须从外界获得大于或等于Eg的附加能量，Eg的大小就是导带底部与价带顶部之间的能量差，称为“禁带宽度”或“带隙”表3-1半导体材料的禁带宽度材料SiGeGaAsCu(InGa)SeInPCdTeCdSEg/eV1.120.71.41.041.21.42.6 3.1太阳能光伏发电原理金属与半导体的区别：金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件下具有良好的导电性。半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量（>Eg）“激发”到导带才具有导电能力。激发的能量可以是热或光的作用。常温下，每立方厘米的硅晶体，导带上约有l010个电子，每立方厘米的导体晶体的导带中约有1022个电子。绝缘体禁带宽度远大于半导体，常温下激发到导带上的电子非常少，固其电导率很低。 3.1太阳能光伏发电原理5.电子和空穴电子从价带跃迁到导带（自由电子）后，在价带中留下一个空位，称为空穴，空穴移动也可形成电流。电子的这种跃迁形成电子-空穴对。电子和空穴都称为载流子。电子-空穴对不断产生，又不断复合。图3-5具有一个断键的硅晶体 3.1太阳能光伏发电原理6.掺杂半导体晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体。硅半导体掺杂少量的五价元素磷(P)—N型硅：自由电子数量多—多数载流子（多子）；空穴数量很少—少数载流子（少子）。电子型半导体或n型半导体。掺杂少量的三价元素硼(B)—P型硅：空穴数量多—多数载流子（多子）；自由电子数量很少—少数载流子(少子)。空穴型半导体或p型半导体。图3-6n型和p型硅晶体结构 3.1太阳能光伏发电原理6.掺杂半导体-杂质能级在掺杂半导体中，杂质原子的能级处于禁带之中，形成杂质能级。五价杂质原子形成施主能级，位于导带的下面；三价杂质原子形成受主能级，位于价带的上面(图3-7)。施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跳跃到导带（或价带）中去的过程称为电离。电离过程所需的能量就是电离能（很小0.04eV），掺杂杂质几乎全部电离。图3-7施主和受主能级 3.1太阳能光伏发电原理7.载流子的产生与复合由于晶格的热振动，电子不断从价带被“激发”到导带，形成一对电子和空穴（即电子-空穴对），这就是载流子产生的过程。电子和空穴在晶格中的运动是无规则的导带中的电子落进价带的空能级，使一对电子和空穴消失。这种现象叫做电子和空穴的复合，即载流子复合。一定的温度下晶体内产生和复合的电子-空穴对数目达到相对平衡，晶体的总载流子浓度保持不变，热平衡状态。由于光照作用，产生光生电子-空穴对，电子和空穴的产生率就大于复合率，形成非平衡载流子，称为光生载流子。 3.1太阳能光伏发电原理8.载流子的输运半导体中存在能够导电的自由电子和空穴，这些载流子有两种输运方式：漂移运动和扩散运动。载流子在热平衡时作不规则的热运动，与晶格、杂质、缺陷发生碰撞，运动方向不断改变，平均位移等于零，这种现象叫做散射。散射不会形成电流。半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定方向的运动称为漂移运动。外界电场的存在使载流子作定向的漂移运动，并形成电流。扩散运动是半导体在因外加因素使载流子浓度不均匀而引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁移运动。扩散运动和漂移运动不同，它不是由于电场力的作用产生的，而是由于载流子浓度差的引起的。 3.1.2p-n结n型半导体和p型半导体紧密接触，在交界处n区中电子浓度高，要向p区扩散，在N区一侧就形成一个正电荷的区域；同样，p区中空穴浓度高，要向n区扩散，p区一侧就形成一个负电荷的区域。这个n区和p区交界面两侧的正、负电荷薄层区域称为“空间电荷区”，即p-n结—内建电场E—电势差UD—电势能电势能=电荷×电势=(q)(UD)=qUDqUD通常称作势垒高度。内建电场一方面阻止“多子”的扩散运动，另一方面增强“少子”漂移运动，最终达到平衡状态。3.1太阳能光伏发电原理 3.1太阳能光伏发电原理3.1.2p-n结(a)n区电子往P区(b)p区空穴往N区(c)p-n结电场扩散在n区形成带扩散在p区形成带正电的薄层A负电的薄层B图3-8p-n结电子与空穴的扩散 3.1太阳能光伏发电原理3.1.2p-n结(a)形成p-n结前载流子的扩散过程(b)空间电荷区和内建电场图3-8p-n结 3.1太阳能光伏发电原理3.1.2p-n结—单向导电性当p-n结加上正向偏压，外加电场的方向与内建电场的方向相反，打破了扩散运动和漂移运动的相对平衡，形成通过p-n结的电流（称为正向电流），较大；当p-n结加上反向偏压，构成p-n结的反向电流，很小。图3-9p-n结单向导电特性 3.1太阳能光伏发电原理3.1.3光伏效应—太阳能电池1.光伏效应当太阳电池受到光照时，光在n区、空间电荷区和p区被吸收，分别产生电子-空穴对。由于入射光强度从表面到太阳电池体内成指数衰减，在各处产生光生载流子的数量有差别，沿光强衰减方向将形成光生载流子的浓度梯度，从而产生载流子的扩散运动。n区中产生的光生载流子到达p-n结区n侧边界时，由于内建电场的方向是从n区指向p区，静电力立即将光生空穴拉到p区，光生电子阻留在n区。p区中到达p-n结区p侧边界的光生电子立即被内建电场拉向n区，空穴被阻留在p区。空间电荷区中产生的光生电子-空穴对则自然被内建电场分别拉向n区和p区。 3.1太阳能光伏发电原理1.光伏效应p-n结及两边产生的光生载流子就被内建电场所分离，在p区聚集光生空穴，在n区聚集光生电子，使p区带正电，n区带负电，在p-n结两边产生光生电动势。上述过程通常称作光生伏特效应或光伏效应。光生电动势的电场方向和平衡p-n结内建电场的方向相反。当太阳能电池的两端接上负载，这些分离的电荷就形成电流。图3-10光伏效应示意图 3.1太阳能光伏发电原理1.光伏效应—太阳能电池当太阳能电池的两端接上负载，光伏电动势就形成电流。图3-11太阳电池的发电原理 3.1太阳能光伏发电原理2.1.4太阳电池的结构和性能1.太阳电池的结构最简单的太阳电池是由p-n结构成的，如图3-142示，其上表面有栅线形状的上电极，背面为背电极，在太阳电池表面通常还镀有一层减反射膜。图3-12太阳电池的结构和符号 3.1太阳能光伏发电原理1.太阳电池的结构硅太阳电池一般制成p/n型结构或n/p型结构。太阳电池输出电压的极性，p型一侧电极为正，n型一侧电极为负。根据太阳电池的材料和结构不同，分为许多种形式，如p型和n型材料均为相同材料的同质结太阳电池(如晶体硅太阳电池)；p型和n型材料为不同材料的异质结太阳电池[硫化镉/碲化镉(CdS/CdTe)，硫化镉/铜铟硒(CdS/CulnSe2)薄膜太阳电池]；金属-绝缘体-半导体(MIS)太阳电池；绒面硅太阳电池；激光刻槽掩埋电极硅太阳电池；钝化发射结太阳电池；背面点接触太阳电池；叠层太阳电池等。 3.1太阳能光伏发电原理2.太阳电池的技术参数（1）开路电压（Uoc）受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累于p-n结两侧产生光生电动势，这时在太阳电池两端测得的电势差叫做开路电压，用符号Uoc表示。（2）短路电流（Isc）如果把太阳电池从外部短路测得的最大电流，称为短路电流，用符号Isc表示。图3-13硅光电池的开路电压和短路电流与光照度关系 3.1太阳能光伏发电原理（3）最大输出功率（P）把太阳电池接上负载，负载电阻中便有电流流过，该电流称为太阳电池的工作电流（I），也称负载电流或输出电流。负载两端的电压称为太阳电池的工作电压(U)。太阳电池的输出功率P=UI。太阳电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值作成曲线，就得到太阳电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率（Pm）。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压（Um）和最佳工作电流（Im），Pm=UmIm。 3.1太阳能光伏发电原理（4）填充因子（FF）太阳电池的另一个重要参数是填充因子FF，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比：（5）转换效率（）太阳电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳电池的最大输出功率与入射到太阳电池表面的能量之比： 3.1太阳能光伏发电原理3.太阳电池的伏-安特性及等效电路太阳电池的电路及等效电路如图3-14所示。ID(二极管电流)为通过p-n结的总扩散电流，与Isc反向；Rs串联电阻，主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面接触电阻所组成，很小；Rsh为旁路电阻，主要由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的，很大。(a)光照时太阳电池的电路(b)光照时太阳电池的等效电路图3-14太阳电池的电路及等效电路 3.1太阳能光伏发电原理当RL=0时，所测的电流为电池的短路电流Isc。Isc与电池面积成正比，1cm2太阳电池的Isc值为16~30mA；同一块太阳电池，Isc值与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高时，Isc略有上升。当RL为无穷大时，所测得的电压为电池的开路电压Uoc，Uoc随光照度变化不大。(a)光照时太阳电池的电路(b)光照时太阳电池的等效电路图3-14太阳电池的电路及等效电路 3.1太阳能光伏发电原理伏安特性曲线图3-15太阳电池的电流-电压关系曲线图3-16常用太阳电池电流-电压特性曲线1-未受光照；2-受光照I-电流；Isc-短路电流；Im-最大工作电流；U-电压；Uoc-开路电压；Um-最大工作电压；Pm-最大功率 3.1太阳能光伏发电原理太阳电池性能的测试须在标准条件太阳电池（组件）的输出功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和太阳电池（组件）的工作温度，因此太阳电池性能的测试须在标准条件（STC）下进行。测量标准被欧洲委员会定义为101号标准，其测试条件是：光谱辐照度1000W/m2；大气质量为AM1.5时的光谱分布；电池温度25℃。在该条件下，太阳电池（组件）输出的最大功率称为峰值功率。 3.1太阳能光伏发电原理串、并联电阻对硅太阳电池输出(Uoc、Isc、FF)性能的影响。(入射光强为l000W/m2，电池面积为2cm2）(a)串联电阻的影响(b)并联电阻的影响图3-17太阳电池串、并联电阻的影响 3.2太阳能电池材料制备*硅太阳能电池（单晶、多晶和非晶硅太阳电池）是目前使用最广泛的太阳能电池，占太阳能电池总产量的90%以上。晶体硅太阳能电池的一般生产制造工艺：硅材料的制备太阳能电池的制造太阳能电池组件的封装硅砂(SiO2)→冶金硅(MG-Si)→晶体硅(Si)→硅片→光伏电池片→电池组件→电池方阵 3.2太阳能电池材料制备*3.2.1硅材料的优异性能（1）Si材料丰富，易于提纯，纯度可达12个9(12N)；（电子级硅9N，太阳能电池硅6N即可）（2）Si原子占晶格空间小（34%），有利于电子运动和掺杂； 3.2太阳能电池材料制备*（3）Si原子核外4个，掺杂后，容易形成电子-空穴对；（4）容易生长大尺寸的单晶硅（4001100mm，重438kg）；（5）易于通过沉积工艺制作单晶Si、多晶Si和非晶Si薄层材料； 3.2太阳能电池材料制备*（6）易于腐蚀加工；（7）带隙适中（在室温下硅的禁带宽度Eg＝1.l2eV），受本征激发影响小；（8）Si材料力学性能好，便于机加工；（9）Si材料理化性能稳定；（10）Si材料便于金属掺杂，制作低阻值欧姆接触；（11）切片损伤小，便于可控钝化；（12）Si材料表面SiO2薄层制作简单，SiO2薄层有利于减小反射率，提高太阳能电池发电效率；SiO2薄层绝缘好，便于电气绝缘的表面钝化；SiO2薄层是良好的掩膜层和阻挡层。Si材料是优良的光伏发电材料！ 3.2太阳能电池材料制备*3.2.2硅材料的制备制造太阳电池的硅材料以石英砂（SiO2）为原料，先把石英砂放入电炉中用碳还原得到冶金硅，较好的纯度为98%~99%。冶金硅与氯气（或氯化氢）反应得到四氯化硅（或三氯氢硅），经过精馏使其纯度提高，然后通过氢气还原成多晶硅。多晶硅经过坩埚直拉法（Cz法）或区熔法（Fz法）制成单晶硅棒，硅材料的纯度可进一步提高，要求单晶硅缺陷和有害杂质少。石英砂冶金硅多晶硅单晶硅从硅材料到制成太阳电池组件，需要经过一系列复杂的工艺过程，以多晶硅太阳电池组件为例，其生产过程大致是：硅砂硅锭硅片电池片电池组件 3.2太阳能电池材料制备*1.高纯多晶硅的制备（1）硅砂冶金硅（MG-Si）：SiO2+2C→Si+2CO（2）冶金硅高纯多晶硅：电子级硅(EG-Si)，9N(99.9999999%)以上纯度；太阳能级硅(SG-Si)，7N以上纯度。①四氯化硅法：SiCl4+2H2→Si+4HCl↑②三氯氢硅法（改良西门子法）：SiO2+2C→Si+2CO2↑Si+3HCl→SiHCl3+H2↑SiHCl3+H2→Si+3HCl↑图3-19硅砂制备高纯多晶硅工艺流程 3.2太阳能电池材料制备*改良西门子法工艺流程图3-20改良西门子法工艺流程图 3.2太阳能电池材料制备*③硅烷法硅烷（SiH4）生产的工艺是基于化学反应2Mg+Si→MgSi，然后将硅化镁和氯化铵进行如下化学反应:MgSi+4NH4Cl→SiH4+2MgCl2+4NH3↑从而得到气体硅烷。高浓度的硅烷是一种易燃、易爆气体，要用高纯氮气或氢气稀释到3%～5%后充入钢瓶中使用。硅烷可以通过减压精馏、吸附和预热分解等方法进行纯化，化学反应式为SiH4→Si+2H2↑ 3.2太阳能电池材料制备*2.多晶硅锭的制备多晶硅棒多晶硅铸锭（1）定向凝固法（2）浇铸法图3-21多晶硅定向凝固法原理图 3.2太阳能电池材料制备*3.片状硅的制备片状硅又称硅带，是从熔体中直接生长出来，可以减少由于切割而造成硅材料的损失，工艺也比较简单，片厚100～200rm。主要生长方法有限边喂膜（EFG）法、枝蔓蹼状晶（WEB）法、边缘支撑晶（ESP）法、小角度带状生长法、激光区熔法和颗粒硅带法等。 3.2太阳能电池材料制备*4.单晶硅的制备（1）直拉单晶法（Cz） 3.2太阳能电池材料制备*直拉单晶炉 3.2太阳能电池材料制备*（2）区熔法（Fz） 3.2太阳能电池材料制备*内热式区熔炉结构示意图 3.3太阳能电池制造工艺3.3.1硅片的加工—晶体硅硅片硅片的加工，是将硅锭经表面整形、定向、切割、研磨、腐蚀、抛光、清洗等工艺，加工成具有一定直径、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光洁度，表面无缺陷、无崩边、无损伤层，高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。图3-23硅片加工工艺流程 3.3太阳能电池制造工艺3.3.1硅片的加工1.切片工艺技术的原则要求：（1）切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小；（2）断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹；（3）提高成品率，缩小刀(钢丝)切缝，降低原材料损耗；（4）提高切割速度，实现自动化切割。2.切片方法：外圆切割、内圆切割、线切割以及激光切割等。 3.3太阳能电池制造工艺内圆切割：用内圆切割机将硅锭切割成0.2~0.4mm的薄片。其刀体的厚度0.1mm左右，刀刃的厚度0.20~0.25mm，刀刃上黏有金刚砂粉。切割过程中，每切割一片，硅材料有0.3~0.35mm的厚度损失，因此硅材料的利用率仅为40~50%。内圆切割刀片的示意图，如图3-24所示。图3-24内圆切割刀片示意图 3.3太阳能电池制造工艺内圆切割方法，可分为4类：（a）刀片水平安装，硅料水平方向送进切割；（b）刀片垂直安装，硅料水平方向送进切割；（c）刀片垂直安装，硅料垂直方向送进切割；（d）刀片固定，硅片垂直方向送进切割。图3-25内圆式切割机切割分类方法示意图 3.3太阳能电池制造工艺线切割机切片一根长达几千米的线两头缠绕在转鼓上，这根线在带磨料的悬浮液中切割硅晶体。切片更快，硅片更薄（0.18~0.2mm），硅损失更少（30%）。图3-26硅片线切割示意图 3.3太阳能电池制造工艺表3-2线切割与内圆切割特征的比较性能线切割内圆切割切割方法自由磨削加工固定研磨加工切片表面线锯痕迹切痕、裂纹、碎屑损伤深度/m5~1520~30切片效率/(cm2/h)110~22010~30每次切片数/片200~4001损耗/m150~210300~500可切片最薄厚度/m180~200350可切硅锭最大直径/mm300以上200切片翘曲度轻微严重 3.3太阳能电池制造工艺激光切片机 3.3太阳能电池制造工艺3.3.2硅太阳能电池的制造—硅片电池片制造晶体硅太阳能电池包括绒面制备、扩散制结、制作电极和制备蒸镀减反射膜等主要工序。常规晶体硅太阳能电池的一般生产制造工艺流程如图3-27所示。图3-27晶体硅太阳能电池生产制造工艺流程 3.3太阳能电池制造工艺3.3.2硅太阳能电池的制造1.硅片的选择硅片通常加工成方形、长方形、圆形或半圆形，厚度为0.18~0.4mm。2.硅片的表面处理（1）化学清洗去污，高纯水，有机溶剂，浓酸，强碱。（2）硅片的表面腐蚀去除30~50m表面厚的损伤层。①酸性腐蚀浓硝酸与氢氟酸的配比为（10:1）~（2:1）；硝酸、氢氟酸与醋酸的一般配比为5:3:3或5:1:1或6:1:1。②碱性腐蚀氢氧化钠、氢氧化钾等碱溶液。 3.3太阳能电池制造工艺3.绒面制备单晶硅绒面结构的制备，就是就是利用硅的各向异性腐蚀(NaOH，KOH)，在硅表面形成金字塔结构。绒面结构，使入射光在硅片表面多次反射和折射，有助于减少光的反射，增加光的吸收，提高电池效率。图3-28绒面结构减少光的反射 3.3太阳能电池制造工艺4.扩散制结制结过程：在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散层。制结方法：热扩散法、离子注入法、薄膜生长法、合金法、激光法和高频电注入法等。热扩散法制结：采用片状氮化硼作源，在氮气保护下进行扩散。扩散前，氮化硼片先在扩散温度下通氧30min，使其表面的三氧化二硼与硅发生反应，形成硼硅玻璃沉积在硅表面，硼向硅内部扩散。扩散温度为950~l000℃，扩散时间为15~30min，氮气流量为2L/min。扩散要求：获得适合于太阳能电池p-n结需要的结深(0.3~0.5m)和扩散层方块电阻R□(平均为20~l00/囗)。 3.3太阳能电池制造工艺5.去除背结在扩散过程中，硅片的背面也形成了p-n结，所以在制作电极前需要去除背结。去除背结的常用方法，主要有化学腐蚀法、磨片法和蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法等。（1）化学腐蚀法掩蔽前结后用腐蚀液蚀去其余部分的扩散层。该法可同时除去背结和周边的扩散层，因此可省去腐蚀周边的工序。腐蚀后，背面平整光亮，适合于制作真空蒸镀的电极。前结的掩蔽一般用涂黑胶的方法。硅片腐蚀去背结后用溶剂去真空封蜡，再经浓硫酸或清洗液煮沸清洗，最后用去离子水洗净后烤干备用。 3.3太阳能电池制造工艺（2）磨片法用金刚砂磨去背结。也可将携带砂粒的压缩空气喷射到硅片背面以除去背结。背结除去后，磨片后背面形成一个粗糙的硅表面，适用于化学镀镍背电极的制造。（3）蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法前两种方法对n+/p型和p+/n型电池制造工艺均适用，本法则仅适用于n+/p型电池制造工艺。此法是在扩散硅片背面真空蒸镀或丝网印刷一层铝，加热或烧结到铝-硅共熔点(577℃)以上使它们成为合金。经过合金化以后，随着降温，液相中的硅将重新凝固出来，形成含有少量铝的再结晶层。实际上是一个对硅掺杂过程。在足够的铝量和合金温度下，背面甚至能形成与前结方向相同的电场，称为背面场。 3.3太阳能电池制造工艺6.制备减反射膜硅表面对光的反射损失率高达35%左右。减反射膜作用：减反射膜不但具有减少光反射的作用，而且对电池表面还可起到钝化和保护的作用。制备方法：采用真空镀膜法、气相生长法或其它化学方法等，在已制好的电池正面蒸镀一层或多层二氧化硅或二氧化钛或五氧化二钽或五氧化二铌减反射膜。技术要求：膜对入射光波长范围的吸收率要小，膜的理化能稳定，膜层与硅粘接牢固，膜耐腐蚀，制作工艺简单、价格低廉。二氧化硅膜，镀一层减反射膜可将入射光的反射率减少到10%左右，镀两层则可将反射率减少到4%以下。 3.3太阳能电池制造工艺7.腐蚀周边在扩散过程中，硅片的周边表面也有扩散层形成。硅片周边表面的扩散层会使电池上下电极形成短路环，必须将其去除。周边上存在任何微小的局部短路，都会使电池并联电阻下降，以致成为废品。去边的方法：主要有腐蚀法和挤压法。腐蚀法是将硅片两面掩好，在硝酸、氢氟酸组成的腐蚀液中腐蚀30s左右；挤压法则是用大小与硅片相同而略带弹性的耐酸橡胶或塑料与硅片相间整齐地隔开，施加一定压力阻止腐蚀液渗入缝隙，以取得掩蔽的方法。 3.3太阳能电池制造工艺8.制作上、下电极所谓电极，就是与电池p-n结形成紧密欧姆接触的导电材料。通常对电极的要求有：①接触电阻小；②收集效率高；③遮蔽面积小；④能与硅形成牢固的接触；⑤稳定性好；⑥宜于加工；⑦成本低；⑧易于引线，可焊性强；⑨体电阻小；⑩污染小。制作方法：真空蒸镀法、化学镀镍法、银/铝浆印刷烧结法等。所用金属材料：铝、钛、银、镍等。电池光照面的电极称为上电极（窄细的栅线状，有利于收集光生电流，并保持较大受光面积），制作在电池背面的电极称为下电极或背电极（全部或部分布满背面，减小电池的串联电阻）。n+/p型电池上电极是负极，下电极是正极；p+/n型电池上电极是正极，下电极是负极。 3.3太阳能电池制造工艺铝浆印刷烧结法工艺：把硅片置于真空镀机的钟罩内，当真空度抽到足够高时，便凝结成一层铝薄膜，其厚度控制在30~l00nm；然后，再在铝薄膜上蒸镀一层银，厚度为2~5m，为便于电池的组合装配，电极上还需钎焊一层锡-铝-银合金焊料；此外，为得到栅线状的上电极，在蒸镀铝和银时，硅表面需放置一定形状的金属掩膜。上电极栅线密度一般为2~4条/cm，多的可达10~19条/cm，最多的可达60条/cm。丝网印刷技术制作上电极，是用涤纶薄膜等制成所需电极图形的掩膜，贴在丝网上，然后套在硅片上，用银浆、铝浆印刷出所需电极的图形，经过在真空和保护气氛中烧结，形成牢固的接触电极。成本低，便于自动化连续生产 3.3太阳能电池制造工艺9.检验测试太阳电池制作经过上述工艺完成后，在作为成品电池入库前，必须通过测试仪器测量其性能参数，以检验其质量是否合格。一般需要测量的参数有最佳工作电压、最佳工作电流、最大功率(也称峰值功率)、转换效率、开路电压、短路电流、填充因子等，通常还要画出太阳电池的伏安（I-U）特性曲线。现代测试方法：图3-29太阳电池测试设备系统框图 3.3太阳能电池制造工艺典型晶硅电池片技术参数尺寸：156mm156mm0.5mm厚度（Si）：190m20m正面（）：氮化硅减反膜；1.9mm银栅线背面（+）：AL背场；3mm银背极开路电压(V)：0.625%短路电流(A)：9.015%最大功率点电压：0.515V最大功率点电流：7.914A温度系数：TkVoltage0.349%/KTkCurrent0.033%/KTkPower0.44%/K 3.3太阳能电池制造工艺3.3.3新型太阳能电池简介1.新型高效单晶硅太阳电池（1）发射极钝化及背表面局部扩散太阳电池(PERL)图3-30PERL太阳电池 3.3太阳能电池制造工艺（2）埋栅太阳电池(BCSC)采用激光刻槽或机械刻槽。激光在硅片表面刻槽，然后化学镀铜，制作电极。如图3-31所示。批量生产这种电池的光电效率已达17%，我国实验室光电效率为19.55%。图3-31BCSC太阳电池 3.3太阳能电池制造工艺（3）高效背表面反射器太阳电池(BSR)这种电池的背面和背面接触之间用真空蒸镀的方法沉积一层高反射率的金属表面（一般为铝）。背反射器就是将电池背面做成反射面，它能发射透过电池基体到达背表面的光，从而增加光的利用率，使太阳电池的短路电流增加。（4）高效背表面场和背表面反射器太阳电池(BSFR)BSFR电池也称为漂移场太阳电池，它是在BSR电池结构的基础上再做一层p+层。这种场有助于光生电子-空穴对的分离和少数载流子的收集。目前BSFR电池的效率为14.8%. 3.3太阳能电池制造工艺2.多晶硅薄膜太阳电池多晶硅薄膜是由许多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒构成，其特点是在长波段具有高光敏性，对可见光能有效吸收，又具有与晶体硅一样的光照稳定性，因此被认为是高效、低耗的理想光伏器件材料。目前多晶硅薄膜太阳电池光电效率达16.9%，但仍处于实验室阶段，如果能找到一种好的方法在廉价的衬底上制备性能良好的多晶硅薄膜太阳电池，该电池就可以进入商业化生产，这也是目前研究的重点。多晶硅薄膜太阳电池由于其良好的稳定性和丰富的材料来源，是一种很有前途的地面用廉价太阳电池。 3.3太阳能电池制造工艺3.非晶硅太阳电池（1）非晶硅的优点①有较高的光学吸收系数，在0.315~0.75m的可见光波长范围内，其吸收系数比单晶硅高一个数量级，因此，很薄(1m左右)的非晶硅就能吸收大部分的可见光，制备材料成本也低；②禁带宽度为1.5~2.0eV，比晶体硅的1.l2eV大，与太阳光谱有更好的匹配；③制备工艺和所需设备简单，沉积温度低(300~400℃)，耗能少；④可沉积在廉价的衬底上，如玻璃、不锈钢甚至耐温塑料等，可做成能弯曲的柔性电池。 3.3太阳能电池制造工艺（2）非晶硅太阳电池结构及性能①非晶硅太阳电池结构性能较好的非晶硅太阳电池结构有p-i-n结构，如图3-32所示。图3-32非晶硅太阳电池结构 3.3太阳能电池制造工艺②非晶硅太阳电池的性能a.非晶硅太阳电池的电性能非晶硅太阳电池的实验室光电转换效率达15%，稳定效率为13%。商品化非晶硅太阳电池的光电效率一般为6%~7.5%。温度升高，对其效率的影响比晶体硅太阳电池要小。b.光致衰减效应非晶硅太阳电池经光照后，会产生10%～30%的电性能衰减——光致衰减效应，此效应限制了非晶硅太阳电池作为功率发电器件的大规模应用。为减小这种光致衰减效应又开发了双结和三结的非晶硅叠层太阳电池，目前实验室光致衰减效应已减小至10%。 3.3太阳能电池制造工艺4.化合物薄膜太阳电池薄膜太阳电池由沉积在玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷衬底或薄膜上的几微米或几十微米厚的半导体膜构成。由于其半导体层很薄，可以大大节省太阳电池材料，降低生产成本，是最有前景的新型太阳电池。（1）化合物多晶薄膜太阳电池除上面介绍过的a-Si太阳电池和多晶Si薄膜太阳电池外，目前已开发出化合物多晶薄膜太阳电池，主要有：硫化镉/碲化镉(CdS/CdTe)、硫化镉/铜镓铟硒(CdS/CuGalnSe2).硫化镉/硫化亚铜(CdS/Cu2S)等，其中相对较好的有CdS/CdTe电池和CdS/CuGalnSe2电池。 3.3太阳能电池制造工艺（2）化合物薄膜太阳电池的制备①CdS/CdTe薄膜太阳电池CdS/CdTe薄膜太阳电池制造工艺完全不同于硅太阳电池，不需要形成单晶，可以连续大面积生产，与晶体硅太阳电池相比，虽然效率低，但价格比较便宜。这类电池目前存在性能不稳定问题，长期使用电性能严重衰退，技术上还有待于改进。②CdS/CulnSe2薄膜太阳电池CdS/CulnSe2薄膜太阳电池，是以铜铟硒三元化合物半导体为基本材料制成的多晶薄膜太阳电池，性能稳定，光电转换效率较高，成本低，是一种发展前景良好的太阳电池。 3.3太阳能电池制造工艺5.砷化镓太阳电池（1）砷化镓太阳电池的优点①砷化镓的禁带宽度(1.424eV)与太阳光谱匹配好，效率较高；②禁带宽度大，其太阳电池可适应高温下工作；③砷化镓的吸收系数大，只要5m厚度就能吸收90%以上太阳光，太阳电池可做得很薄；④砷化镓太阳电池耐辐射性能好，由于砷化镓是直接跃迁型半导体，少数载流子的寿命短，所以，由高能射线引起的衰减较小；⑤在砷化镓多晶薄膜太阳电池中，晶粒直径只需几个微米； 3.3太阳能电池制造工艺⑥在获得同样转换效率的情况下，砷化镓开路电压大，短路电流小，不容易受串联电阻影响，这种特征在大倍数聚光、流过大电流的情况下尤为优越。（2）砷化镓太阳电池的缺点①砷化镓单晶晶片价格比较昂贵；②砷化镓密度为5.318g/cm3（298K），而硅的密度为2.329g/cm3（298K），这在空间应用中不利；③砷化镓比较脆，易损坏。采用液相外延技术，在砷化镓表面生长一层光学透明的宽禁带镓铝砷（Ga1xAlxAs）异质面窗口层，阻碍少数载流子流向表面发生复合，使效率明显提高。 3.3太阳能电池制造工艺（3）砷化镓太阳电池的结构砷化镓异质面太阳电池的结构如图3-33所示，目前单结砷化镓太阳电池的转换效率已达27%，GaP/GaAs叠层太阳电池的转换效率高达30%(AM1.5，l000W/m2,25℃)。由于GaAs太阳电池具有较高的效率和良好的耐辐照特性，国际上已开始在部分卫星上试用，转换效率为17%~18%（AM0）。图3-33砷化镓异质面太阳电池的结构 3.3太阳能电池制造工艺6.聚光太阳电池聚光太阳电池是在高倍太阳光下工作的太阳电池。通过聚光器，使大面积聚光器上接受的太阳光汇聚在一个较小的范围内，形成“焦斑”或“焦带”。位于焦斑或焦带处的太阳电池得到较高的光能，使单体电池输出更多的电能，其潜力得到了发挥。输出功率、短路电流等基本上与光强成比例增加。要求特殊的密栅线设计和制造工艺。图3-34聚光太阳电池的电极 3.3太阳能电池制造工艺跟踪装置：为了更加充分地利用太阳光，使太阳总是能够精确地垂直入射在聚光电池上，尤其是对于高倍聚光系统，必须配备跟踪装置。跟踪方法：单轴跟踪：只在东西方向跟踪太阳，180/天；双轴跟踪：东西方向和南北方向（46.90°/年）跟踪。跟踪装置：机械结构和控制部分石英晶体为振荡源，驱动步进机构，每隔4min驱动一次，每次立轴旋转1，每昼夜旋转360的时钟运动方式，进行单轴、间歇式主动跟踪。光敏差动自动跟踪控制器控制方式。 3.3太阳能电池制造工艺7.光电化学太阳电池（1）光电化学太阳电池的特点1839年发现电化学体系的光效，应利用半导体-液体结制成的电池称为光电化学电池。优点：①形成半导体-电解质界面很方便，制造方法简单，没有固体器件形成p-n结和栅线时的复杂工艺，从理论上讲，其转换效率可与p-n结或金属栅线接触相比较；②可以直接由光能转换成化学能，这就解决了能源储存问题；③几种不同能级的半导体电极可结合在一个电池内使光可以透过溶液直达势垒区；④可以不用单晶材料而用半导体多晶薄膜，或用粉末烧结法制成电极材料。 3.3太阳能电池制造工艺（2）光电化学太阳电池的结构与分类①光生化学电池结构：如图3-35所示，电池由阳极、阴极和电解质溶液组成。图3-35光电化学太阳电池的结构1，2-电极；3-电解质溶液 3.3太阳能电池制造工艺原理：两个电极（电子导体）浸在电解质溶液（离子导体）中，当受到外部光照时，光被溶液中的溶质分子所吸收，引起电荷分离，在光照电极附近发生氧化还原反应，由于金属电极和溶液分子之间的电子迁移速度差别很大而产生电流，这类电池称为光生化学电池，也称光伽伐尼电池，目前所能达到的光电转换效率还很低。 3.3太阳能电池制造工艺②半导体-电解质光电化学电池照射光被半导体电极所吸收，在半导体电极-电解质界面进行电荷分离，若电极为n型半导体，则在界面发生氧化反应，这类电池称为半导体-电解质光电化学电池。由于在光电转换形式上它与一般太阳电池有些类似，都是光子激发产生电子和空穴，也称为半导体-电解质太阳电池或湿式太阳电池。但它与p-n结太阳电池不同，是利用半导体-电解质液体界面进行电荷分离而实现光电转换的，所以也称它为半导体-液体结太阳电池 3.4太阳能电池组件的封装3.4.1太阳能电池组件设计—电池片组件1.太阳能电池单体——一般不直接作为电源使用太阳能电池单体是光电转换的最小单元。（1）单体电池是由单晶硅或多晶硅材料制成，薄而脆，不能经受较大的撞击。（2）太阳电池的电极，不能长期裸露使用，必须将太阳电池与大气隔绝。（3）单体硅太阳电池工作电压低（典型值0.48V，硅材料性质决定），输出功率小（约1W，硅材料尺寸限制）或工作电流小（20~25mA/cm2），不满足作为电源应用的要求。常见的太阳电池尺寸2cm2cm到15cm15cm不等，厚度约0.2mm。 3.4太阳能电池组件的封装2.太阳能电池组件设计将太阳电池单体进行串、并联封装后，就称为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦、几十瓦甚至到100～300W，是可以单独作为电源使用的太阳能电池最小单元。太阳能电池组件再经过串、并联装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所需求的输出功率。太阳电池单体太阳电池组件太阳电池方阵 3.4太阳能电池组件的封装(a)单体(b)组件(c)方阵图3-36太阳电池的单体、组件和方阵太阳能电池的单体、组件和方阵，如图3-36所示。 3.4太阳能电池组件的封装（1）太阳电池组件的技术要求如下:有一定的标称工作电压和输出功率；工作寿命长，要求组件所使用的材料、零部件及结构，在使用寿命上互相一致，避免因一处损坏而使整个组件失效，对晶体硅太阳电池要求有20年以上的工作寿命；有良好的电绝缘性；有足够的机械强度，能经受运输、安装和使用过程中发生的振动、冲击和其他应力；组合引起的效率损失小；成本较低。 3.4太阳能电池组件的封装（2）电池组件的连接方式：串联连接，并联连接，串、并联混合连接方式。制作太阳电池组件时，根据电池组件的标称工作电压确定单片太阳电池的串联数；标称的输出功率（或工作电流）来确定太阳电池片的并联数。图3-37太阳能电池的连接方式 3.4太阳能电池组件的封装多个单体电池的串联连接，可在不改变输出电流的情况下，使输出电压成比例地增加；并联连接方式，则可在不改变输出电压的情况下，使输出电流成比例地增加；而串、并联混合连接方式，则既可增加组件的输出电压，又可增加组件的输出电流。太阳电池标准组件，一般用36片（10cm10cm）串联构成，输出电压约17V，正好可以对12V的蓄电池进行有效充电。 3.4太阳能电池组件的封装（3）太阳电池组件的板型设计图3-3820W组件板型设计排布图电池组件不论功率大小，一般都是由36片、72片、54片和60片等几种串联形式组成。常见的排布方法有4片9片、6片6片、6片12片、6片9片和6片10片等。 3.4太阳能电池组件的封装36片太阳电池组件设计：【例】要生产一块20W的太阳能电池组件，现有单片功率为2.2～2.3W、125mm125mm单晶硅电池片，确定板型和组件尺寸。根据电池片情况，首先确定选用2.3W的电池片9片(组件功率为2.3W9＝20.7W，符合设计要求，设计时组件功率误差在5%以内可视为合格)，并将其4等分切割成36小片，电池片排列可采用4片9片或6片6片的形式，如图3-38所示。 3.4太阳能电池组件的封装36片太阳电池组件设计：根据板型大小，电池片与电池片中的间隙取2～3mm；一般上边距取35～50mm；下边距一般取20～35mm；左右边距一般取10～20mm。这些尺寸都确定以后，就确定了玻璃的长宽尺寸。假设上述板型都按最小间隙和边距尺寸选取，则4×9板型的玻璃尺寸长为633.5mm，取整为63.5mm，宽为276mm；66板型的玻璃尺寸长为440mm，宽为405mm。组件安装边框后，长宽尺寸一般要比玻璃尺寸大4～5mm，因此一般所说组件外形尺寸都是指加上边框后的尺寸。 3.4太阳能电池组件的封装3.4.2太阳电池组件的封装结构图3-39玻璃壳体式太阳能电池组件示意图1-玻璃壳体；2-硅太阳能电池；9-互连条；4-黏结剂5-衬底；6-下底板；7-边框胶；8-电极接线柱 3.4太阳能电池组件的封装3.4.2太阳电池组件的封装结构图3-40底盒式太阳能电池组件示意图1-玻璃盖板；2-硅太阳能电池；3-盒式下底板；4-黏结剂5-衬底；6-固定绝缘胶；7-电极引线；8-互连条 3.4太阳能电池组件的封装3.4.2太阳电池组件的封装结构图3-41平板式太阳能电池组件示意图1-边框；2-边框封装胶；3-上玻璃盖板；4-黏结剂；5-下底板6-硅太阳能电池；7-互连条；8-引线护套；9-电极引线 3.4太阳能电池组件的封装3.4.2太阳电池组件的封装结构图3-42全胶密封式太阳能电池组件示意图1-硅太阳能电池；2-黏结剂；3-电极引线；4-下底板；5-互连条图3-43太阳能电池组件结构剖面图 3.4太阳能电池组件的封装3.4.3太阳电池组件封装材料真空层压封装太阳电池，主要使用的材料有黏结剂、玻璃、Tedlar或Tedlar复合薄膜（如TPT或TPE等）、连接条、铝框等。1.黏结剂黏合剂是固定电池和保证与上、下盖板密合的关键材料。技术要求：①在可见光范围内具有高透光性，并抗紫外线老化；②具有一定的弹性，可缓冲不同材料间的热胀冷缩；③具有良好的电绝缘性能和化学稳定性，不产生有害电池的气体和液体；④具有优良的气密性，能阻止外界湿气和其它有害气体对电池的侵蚀；⑤适合用于自动化的组件封装。 3.4太阳能电池组件的封装1.黏结剂（1）环氧树脂黏结力比较强，耐老化性能相对差，容易老化而变黄，因而会严重影响太阳电池的使用效果。此外，使用过程中还会由于老化导致材料脆化，这与环氧树脂的低韧性以及在老化过程中的结构变化有关。通过对环氧树脂进行各种改性可在一定程度上改善其耐老化性能。耐湿性差（分子间距离为50～200nm，大于水分子体积），热膨胀系数的影响大。封装工艺简单、材料成本低廉，在小型组件封装上使用较多。 3.4太阳能电池组件的封装1.黏结剂（2）有机硅胶具有无机材料和有机材料的许多特性，如耐高温、耐低温、耐老化、抗氧化、电绝缘、疏水性等。有机硅胶是弹性体；硅胶对玻璃陶瓷等无机非金属材料的黏结牢固，对金属黏结力也很强。封装中使用中性硅胶。透明材料，透光率可以达到90%以上；具有低温固化的特点，可方便表面镀膜；有机硅膜在热、空气、潮气等老化条件下，抗老化性能差。 3.4太阳能电池组件的封装（3）EVA胶膜EVA是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物，标准太阳电池组件中一般要加入两层EVA胶膜，EVA胶膜在电池片与玻璃、电池片与底板(TPT、PVF、TPE等)之间起粘接作用。以EVA为原料，添加适宜的改性助剂等，经加热挤出成型而制得的EVA太阳能电池胶膜在常温时无黏性，便于裁切操作；使用时，要按加热固化条件对太阳电池组件进行压封装，冷却后即产生永久的黏合密封。EVA太阳电池胶膜性能最好，使用最广。 3.4太阳能电池组件的封装（3）EVA胶膜EVA太阳电池胶膜主要性能指标:固化条件快速型，加热至l35℃，恒温15～20min；慢速型，加热至l45℃，恒温30~40min。厚度0.3~0.8mm；宽度：1100mm，800mm，600mm等多种规格。太阳电池封装用的EVA胶膜固化后的性能要求透光率大于90%；交联度大于65%；剥离强度(N/cm)：玻璃/胶膜大于30；TPT/胶膜大于15；耐温性：高温80℃，低温40℃；尺寸稳定性较好；具有较好的耐紫外光老化性能。 3.4太阳能电池组件的封装2.玻璃-上盖板材料玻璃是覆盖在电池正面的上盖板材料，构成组件的最外层，它既要透光率高，又要坚固、耐风霜雨雪、能经受砂砾冰雹的冲击，起到长期保护电池的作用。低铁钢化玻璃，透光率高、抗冲击能力强和使用寿命长。图3-45太阳电池组件用超白玻璃光谱透过率 3.4太阳能电池组件的封装2.玻璃—上盖板材料浸蚀法减反射层“减反射玻璃”的制备工艺流程：玻璃原片→洗涤→干燥→浸入硅酸钠溶液→提取玻璃→低温烘干（或自然风干）→二次化学处理→提取并烘干→检测（透光率、反射率及膜厚）→包装→出厂减反射玻璃透光率比原先提高4%～5%：如3mm厚玻璃光透过率由原来80%提高到85%；折射率较高的超白玻璃（含铁量较低），光透过率可从原来86%提高到91%。 3.4太阳能电池组件的封装3．背面材料—TPT(Tedlar/Polyester/Tedlar)复合膜组件底板对电池既有保护作用又有支撑作用。对底板的一般要求为：具有良好的耐气候性能，能隔绝从背面进来的潮气和其它有害气体；在层压温度下不起任何变化；与黏结材料结合牢固。常用的底板材料为玻璃、铝合金、有机玻璃以及PVF(或TPT)复合膜等。目前生产上较多应用的是PVF(或TPT)复合膜。TPT复合薄膜：Tedlar厚度为38m，聚酯为75m。防潮、抗湿和耐候性能优良，红外反射率较高，具有高强、阻燃、耐久、自洁等特性，价高（10美元/m2）TPE（ThermoplasticElastomer）替代TPT，热塑性弹性体，具有硫化橡胶的物理机械性能和热塑性塑料的工艺加工性能。价格约为TPT的1/2。 3.4太阳能电池组件的封装4.边框平板式组件应有边框，以保护组件和便于组件与方阵支架的连接固定。边框与黏结剂构成对组件边缘的密封。边框材料主要有不锈钢、铝合金、橡胶以及塑料等。5.其它材料连接条（浸锡铜条）、电极接线盒、焊锡等。 3.4太阳能电池组件的封装3.4.4太阳电池组件制造设备太阳电池组件制造、封装和测试设备主要有激光划片机、层压机、固化炉、电池片测试台、组件测试台、电阻率测试仪等。较大型的太阳电池组件专业厂家设备非常齐全，如清洗玻璃、平铺切割EVA、太阳电池焊接等都有专门的设备。 3.4太阳能电池组件的封装3.4.4太阳电池组件制造设备RDCY-Z-4B全自动层压机1、四柱液压起升并配有液压锁装置；2、上箱带有高温布循环系统并配有自动清洗功能；3、层压机C级不锈钢多辊结构并配有多档冷却装置；4、平板电脑触摸显示屏及windows操作系统，具有存储信息量大等特点。 3.4太阳能电池组件的封装3.4.4太阳电池组件制造设备层压机 3.4太阳能电池组件的封装3.4.4太阳电池组件制造设备层压机 3.4太阳能电池组件的封装3.4.4太阳电池组件制造设备自动组角装框机 3.4太阳能电池组件的封装3.4.4太阳电池组件制造设备标准模组的装框架构 3.4太阳能电池组件的封装3.4.4太阳电池组件制造设备组件封装生产线 3.4太阳能电池组件的封装3.4.4太阳电池组件制造设备组件封装生产线 3.4太阳能电池组件的封装3.4.4太阳能电池组件封装工艺1.工艺流程电池片测试分选→激光划片（整片使用时无此步骤）→电池片单焊（正面焊接）并自检验→电池片串焊（背面串接）并自检验→中检测试→叠层敷设（玻璃清洗、材料下料切割、敷设）→层压（层压前灯检、层压后削边、清洗）→终检测试→装边框（涂胶、装镶嵌角铝、装边框、撞角或螺丝固定、边框打孔或冲孔、擦洗余胶）→装接线盒、焊接引线→高压测试→清洗、贴标签→组件抽检测试→组件外观检验→包装入库。 3.4太阳能电池组件的封装组件封装的工艺流程不同结构的组件有不同的封装工艺。平板式硅太阳能电池组件的封装工艺流程。平板式硅太阳能电池组件封装工艺流程 3.4太阳能电池组件的封装2.工序简介（1）电池片测试分选：通过测试电池片的输出电流、电压和功率等的大小对其进行分类，以提高电池的利用率；此外，对电池片的外观进行分选，重点是色差和栅线尺寸等。（2）激光划片：就是用激光划片机将整片的电池片根据需要切割成组件所需要规格尺寸的电池片。（3）电池片单焊（正面焊接）：将互连条焊接到电池片的正面（负极）的主栅线上。（4）电池片串焊（背面焊接）：背面焊接是将规定片数的电池片串接在一起形成一个电池串，然后用汇流条再将若干个电池串进行串联或并联焊接，最后汇合成电池组件并引出正负极引线。 3.4太阳能电池组件的封装（5）中检测试：将串焊好的电池片放在组件测试仪上，在标准测试条件下测试开路电压、短路电流、工作电压、工作电流、最大功率等性能。（6）叠层敷设：按“玻璃-EVA-电池片-EVA-TPT”层叠。图3-46一个典型的叠层组件结构 3.4太阳能电池组件的封装（7）组件层压：将敷设好的电池组件放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA熔化并加压使熔化的EVA流动充满玻璃、电池片和TPT背板膜之间的间隙，同时排出中间的气泡，将电池片、玻璃和背板紧密黏合在一起，最后降温固化取出组件。（8）终检测试：将层压出的电池组件放在组件测试仪，检测组件经过层压之后性能参数有无变化；同时还要进行外观检测。（9）装边框：就是给玻璃组件装铝合金边框，增加组件的强度，进一步的密封电池组件，延长电池的使用寿命。边框和玻璃组件的缝隙用硅胶填充。 3.4太阳能电池组件的封装（10）安装接线盒：接线盒安装在组件的背面，并将电池组件引出的汇流条正负极引线用焊锡与接线盒中相应的引线柱焊接。旁路二极管也直接安装在接线盒中。（11）高压测试：高压测试是指在组件边框和电极引线间施加一定的电压，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。测试设备：高压测试仪。（12）清洗、贴标签：用95%的乙醇将组件的玻璃表面、铝边框和TPT背板表面的EVA胶痕、污物、残留的硅胶等清洗干净。然后在背板接线盒下方贴上组件出厂标签。 3.4太阳能电池组件的封装（13）组件抽检测试及外观检验：按照质量管理的要求进行对产品抽查检验，以保证组件100%合格。此外，入库前还须对组件外观检测，主要内容：①检查标签的内容与实际板形相符；②电池片外观色差明显；③电池片片与片之间、行与行之间间距不一，横、竖间距不成90；④焊带表面没有做到平整、光亮、无堆积、无毛刺；⑤电池板内部有细碎杂物；⑥电池片有缺角或裂纹；⑦电池片行或列与外框边缘不平行，电池片与边框间距不相等； 3.4太阳能电池组件的封装外观检测主要内容：⑧接线盒位置不统一或因密封胶未干造成移位或脱落；⑨接线盒内引线焊接不牢固、不圆滑或有毛刺；⑩电池板输出正负极与接线盒标示不相符；⑪铝材外框角度及尺寸不正确造成边框接缝过大；⑫铝边框四角未打磨造成有毛刺；⑬外观清洗不干净；⑭包装箱不规范。（14）包装入库：将清洗干净、检测合格的电池组件贴标牌、按规定数量装入纸箱。纸箱两侧要各垫一层材质较硬的纸板，组件与组件之间也要用塑料泡沫或薄纸板隔开。 3.4太阳能电池组件的封装3.4.5太阳能电池组件的技术要求和检验测试1.太阳能电池组件的技术要求合格的太阳能电池组件应该达到一定的技术要求，相关部门也制定了电池组件的国家标准和行业标准。下面是层压封装型硅太阳能电池组件的一些基本技术要求。（1）光伏组件在规定工作环境下，使用寿命应大于20年（使用20年，效率大于原来效率的80%）。（2）组件的电池上表面颜色应均匀一致，无机械损伤，焊点及互连条表面无氧化斑。（3）组件的每片电池与互连条应排列整齐，组件的框架应整洁无腐蚀斑点。 3.4太阳能电池组件的封装（4）组件的封装层中不允许气泡或脱层在某一片电池与组件边缘形成一个通路，气泡或脱层的几何尺寸和个数应符合相应的产品详细规范规定。（5）组件的功率面积比大于65W/m2，功率质量比大于4.5W/kg，填充因子FF大于0.65。（6）组件在正常条件下的绝缘电阻不得低于200M。（7）组件EVA的交联度应大于65%，EVA与玻璃的剥离强度大于30N/cm，EVA与组件背板材料的剥离强度大于l5N/cm。 3.4太阳能电池组件的封装（8）每块组件都要有包括如下内容的标签：①产品名称与型号；②主要性能参数：包括短路电流Isc，开路电压Uoc，峰值工作电流Im，峰值工作电压Um，峰值功率Pm以及1-U曲线图、组件重量、测试条件、使用注意事项等；③制造厂名、生产日期及品牌商标等。 3.4太阳能电池组件的封装2.太阳能电池组件的检验测试测试标准：GB/T9535-l998《地面用晶体硅光组件设计鉴定和定型》和GB/T14008-1992《海上用太阳电池组件总规范》。（1）电性能测试测试标准条件：光谱AM1.5，光强辐照度1000W/m2，环境温度25℃。主要测试项目：短路电流，开路电压，峰值电流，峰值电压，峰值功率，填充因子，转换效率等。 3.4太阳能电池组件的封装太阳能电池组件的电性能与辐照度关系：温度不变，组件短路电流（Isc）、最大输出功率（Pm）与辐照度成正比，如图3-47所示；图3-47辐照度依赖特性和辐照度-最大输出功率特性 3.4太阳能电池组件的封装辐照度不变，组件温度上升时，开路电压（Uoc）和最大输出功率（Pm）也下降，如图3-48所示。图3-48温度依赖特性和温度-最大输出功率特性 3.4太阳能电池组件的封装（2）电绝缘性能测试以1kV摇表的直流电压通过组件边框与组件引出线，测量绝缘电阻，绝缘电阻要求大于2000M，以确保在应用过程中组件边框无漏电现象发生。（3）热循环实验将组件放置于有自动温度控制、内部空气循环的气候室内，使组件在40～85℃之间循环规定次数，并在极端温度下保持规定时间，监测实验过程中可能产生的短路和断路、外观缺陷、电性能衰减率、绝缘电阻等，以确定组件由于温度重复变化引起的热应变能力。 3.4太阳能电池组件的封装（4）湿热-湿冷实验将组件放置于有自动温度控制、内部空气循环的气候室内，使组件在一定温度和湿度条件下往复循环，保持一定恢复时间，监测实验过程中可能产生的短路和断路、外观缺陷、电性能衰减率、绝缘电阻等，以确定组件承受高温高湿和低温低湿的能力。（5）机械载荷实验在组件表面逐渐加载，监测实验过程中可能产生的短路和断路、外观缺陷、电性能衰减率、绝缘电阻等，以确定组件承受风雪、冰雹等静态载荷的能力。 3.4太阳能电池组件的封装（6）冰雹实验以钢球代替冰雹从不同角度以一定动量撞击组件，检测组件产生的外观缺陷、电性能衰减率，以确定组件抗冰雹撞击的能力。（7）老化实验。老化实验用于检测太阳能电池组件暴露在高湿和高紫外线辐照场地时具有有效抗衰减能力。将组件样品放在65℃、光谱约6.5的紫外太阳下辐照，最后检测光电特性，看其下降损失。在曝晒老化实验中，电性能下降是不规则的。 3.5太阳能电池方阵的设计3.5.1太阳能电池方阵的组成—组件方阵太阳能电池方阵由太阳能电池组件以及防反充（防逆流）二极管、旁路二极管、电缆等对电池组件进行电气连接，还需要配备专用的、带避雷器的直流接线箱。1.太阳能电池组件的串、并联组合（1）串联时需要工作电流相同的组件，并为每个组件并接旁路二极管；（2）并联时需要工作电压相同的组件，并在每一条并联线路中串联防反充（防逆流）二极管；（3）尽量考虑组件连接线路最短，并用较粗的导线；（4）严格防止个别性能变坏的电池组件混入电池方阵。 3.5太阳能电池方阵的设计1.太阳能电池组件的串、并联组合 3.5太阳能电池方阵的设计1.太阳能电池组件的串、并联组合 3.5太阳能电池方阵的设计2.太阳能电池组件的热斑效应在太阳电池方阵中，如发生有阴影(例如树叶、鸟类、鸟粪等)落在某单体电池或一组电池上，或当组件中的某单体电池被损坏时，但组件(或方阵)的其余部分仍处于阳光暴晒之下正常工作，这样局部被遮挡的太阳电池(或组件)就要由未被遮挡的那部分太阳电池(或组件)来提供负载所需的功率，使该部分太阳电池如同一个工作于反向偏置下的二极管，其电阻和压降很大，从而消耗功率而导致发热。由于出现高温，称之为“热斑”。对于高电压大功率方阵，阴影电池上的电压降所产生的热效应甚至能造成封装材料损伤、焊点脱焊、电池破裂或在电池上产生“热斑”，从而引起组件和方阵失效。电池裂纹或不匹配、内部连接失效、局部被遮光或弄脏均会引起这种效应。 3.5太阳能电池方阵的设计（1）串、并联电池组件热斑形成：图3-50串联太阳电池组件示意图图3-51并联太阳电池组件示意图 3.5太阳能电池方阵的设计（2）热斑效应的防护：图3-50串联太阳电池组件热斑防护示意图图3-51并联太阳电池组件热斑防护示意图 3.5太阳能电池方阵的设计（2）热斑效应的防护：串联回路，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管Db，以避免串联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。并联支路，需要串联一只二极管Ds，以避免并联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所吸收，串联二极管在独立光伏发电系统中可同时起到防止蓄电池在夜间反充电的功能。 3.5太阳能电池方阵的设计3.防反充（防逆流）和旁路二极管太阳能电池方阵中，二极管是很重要的器件，常用的二极管基本都是硅整流二极管。（1）防反充（防逆流）二极管作用：防止太阳能电池组件或方阵在不发电时，蓄电池的电流反过来向组件或方阵倒送，不仅消耗能量，而且会使组件或方阵发热甚至损坏；在电池方阵中，防止方阵各支路之间的电流倒送 3.5太阳能电池方阵的设计（2）旁路二极管当有较多的太阳能电池组件串联组成电池方阵或电池方阵的一个支路时，需要在每块电池板的正负极输出端反向并联1个(或2～3个)二极管，这个并联在组件两端的二极管就叫旁路二极管。旁路二极管的作用是防止方阵串中的某个组件或组件中的某一部分被阴影遮挡或出现故障停止发电时，在该组件旁路二极管两端会形成正向偏压使二极管导通，组件串工作电流绕过故障组件，经二极管旁路流过，不影响其它正常组件的发电，同时也保护被旁路组件避免受到较高的正向偏压或由于“热斑效应”发热而损坏。 3.5太阳能电池方阵的设计（2）旁路二极管旁路二极管的连接方法(a)(b)(c)图3-52旁路二极管接法示意图 3.5太阳能电池方阵的设计4.太阳能电池方阵的电路太阳能电池方阵的基本电路由太阳能电池组件串、旁路二极管、防反充二极管和带避雷器的直流接线箱等构成，常见电路形式有并联方阵电路、串联方阵电路和串、并联混合方阵电路，如图3-49所示。 3.5太阳能电池方阵的设计3.5.2太阳能电池方阵组合的计算方阵所需要串联的组件数量主要由系统工作电压或逆变器的额定电压来确定，同时要考虑蓄电池的浮充电压、线路损耗以及温度变化等因素。独立光伏系统电压设计成与蓄电池的标称电压相对应或者是它的整数倍，而且与用电器的电压等级一致，如220V、110V、48V、36V、24V、12V等。交流光伏发电系统和并网光伏发电系统，方阵的电压等级往往为110V或220V。更高等级设计成600V、10kV等，再通过逆变器后与电网连接。一般带蓄电池的光伏发电系统方阵的输出电压为蓄电池组标称电压的1.43倍。对于不带蓄电池的光伏发电系统，在计算方阵的输出电压时一般将其额定电压提高10%，再选定组件的串联数。 3.5太阳能电池方阵的设计例：一个组件的最大输出功率为108W，最大工作电压为36.2V，设选用逆变器为交流三相，额定电压380V，逆变器采取三相桥式接法，则直流输入电压UP=Uad/0.817=380/0.817465V再来考虑电压富余量，太阳能电池方阵的输出电压应增大到1.1×465=512V，则计算出组件的串联数为512V/36.2V14块。下面再从系统输出功率来计算太阳能电池组件的总数。设负载要求功率是30kW，则组件总数为30000W/108W277块，从而计算出模块并联数为277/1419.8，可选取并联数为20块。结论：该系统应选择上述功率的组件14串联20并联，组件总数为14×20=280块，系统输出最大功率为280×108W30.2kW。 3.5太阳能电池方阵的设计2.太阳电池方阵的角度设计（1）方位角：电池方阵的垂直面与正南方向的夹角，正南为0，（北半球）偏西为正，偏东为负。方阵朝向正南时，太阳电池发电量是最大；偏正南30时，发电量将减小约10%～15%；偏正南60时，发电量将减小约20%～30%。方阵的方位稍微向西偏20，在午后时刻可获得最大发电功率。方位角的计算公式：方位角＝[一天中负荷的峰值时刻(24h)l2]15+(经度116) 3.5太阳能电池方阵的设计（2）倾斜角（太阳高度角）倾斜角：太阳电池方阵平面与水平地面的夹角。最佳倾斜角度是方阵一年中发电量为最大时的角度。倾斜角设置：50～60到10～20的倾斜设置，综合考虑地理纬度，安装位置等实际情况。 3.5太阳能电池方阵的设计3.太阳电池方阵的间距设计——克服阴影对发电量的影响太阳辐射包含直接辐射和散射辐射有阴影时只有散射光，电池发电量比无阴影时要减小约10%～20%。如果方阵是前后放置时，后面的方阵与前面的方阵之间距离接近后，前边方阵的阴影会对后边方阵的发电量产生影响。阴影倍率：R＝L2/L1=cotAcosB方阵间不遮挡距离：a=(h1h2)R 3.5太阳能电池方阵的设计3.太阳电池方阵的间距设计 3.5太阳能电池方阵的设计3.太阳电池方阵的间距设计太阳能电池方阵间距D，可以从下面4个公式求得：D＝LcosL＝H/tanhh＝arcsin(sinsincoscoscos)＝arcsin(coscos/cosh)首先计算冬至日上午900（或下午300）太阳高度角和太阳方位角。冬至时的赤纬角＝23.45，上午900的时角＝45，于是有：h＝arcsin(0.648cos0.399sin)＝arcsin(0.9170.707/cosh) 3.5太阳能电池方阵的设计3.太阳电池方阵的间距设计求出太阳高度角h后和太阳方位角后，即可求出太阳光在方阵后面的阴影长度L，再将L折算到前后两排方阵之间的垂直距离D：D＝Lcos＝Hcos/tanh例如北京地区纬度＝39.8，太阳能电池方阵高2m，则太阳能电池方阵的间距为（取＝23.45，＝45），h＝arcsin(0.648cos0.399sin)＝arcsin(0.4980.255)＝14.04＝arcsin(0.9170.707/cosh)＝arcsin(0.9170.707/0.97)D＝Hcos/tanh＝20.743/0.25＝5.94m 3.5太阳能电池方阵的设计3.5.3太阳电池方阵的安装与维护平板式地面型太阳能电池方阵安装在方阵支架上，支架往往固定在水泥基础上。避免阴影；安全防护拦，安装避雷器；调整太阳能电池方阵的向日倾角和方位角，或最大功率跟踪装置。 3.5太阳能电池方阵的设计负载电阻=供电系统内电阻负载上获得最大功率。太阳能电池本身是极不稳定的电源，即输出功率往往是变化的。最大功率点控制(MPPT)方法是通过DC/DC变换器中功率开关来控制太阳能电池阵列工作存在最大功率点，从而实现最大功率跟踪控制。图5-29最大功率跟踪控制 第3章太阳能光伏电池作业：3-1，3-4，3-5；3-10，3-11，3-13；3-14，3-15，3-16；3-17，3-19，3-20'