精選太陽電池組件

1、精選太陽電池組件PAGE PAGE 1023 太陽電池組件太陽電池是利用硅等半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)通過p-n結(jié)構(gòu)直接把太陽光轉(zhuǎn)化為電能的。由于太陽電池本身易破碎、易被腐蝕，假設(shè)直接暴露在大氣中，光電轉(zhuǎn)化效率會(huì)由于潮濕、灰塵、酸雨等的影響而下降，以至損壞失效。因此，太陽電池一般都必須通過膠封、層壓等方式封裝成平板式構(gòu)造再投入使用。其中以層壓封裝的方法用得最為普遍,即將太陽電池片的正面和反面各用一層透明、耐老化、粘結(jié)性好的熱熔性EVA膠膜包封，采用透過率高、耐沖擊的低鐵鋼化玻璃做上蓋板，用耐濕抗酸的Tedlar復(fù)合薄膜聚氟乙烯復(fù)合膜或玻璃等其它材料做背板，通過真空層壓工藝使EVA膠膜將電池片、正面蓋板和

2、背板粘合為一個(gè)整體，從而構(gòu)成一個(gè)實(shí)用的太陽電池發(fā)電器件，一般稱為太陽電池組件或組件，俗稱太陽電池板或電池板為區(qū)分也稱單體太陽電池為太陽電池片或電池片。本章主要介紹太陽電池組件的類型、封裝材料、設(shè)備以及封裝工藝1。3.1 太陽電池組件類型太陽電池組件種類繁多，根據(jù)太陽電池片的類型可分為：?jiǎn)尉Ч杞M件、多晶硅組件、砷化鎵組件、非晶硅薄膜電池組件等等，其中晶體硅包括單晶硅與多晶硅電池組件約占市場(chǎng)的8090。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?yàn)檫@種封裝方式適宜于大面積電池片的工業(yè)化封裝。同類太陽電池組件根據(jù)峰值功率、額定電壓又可以分為

3、不同型號(hào)。單個(gè)組件的功率從幾分之一瓦到幾百瓦，電壓從零點(diǎn)幾伏到幾十伏不等。使用較多的是9串4列或12串3列共36片串連，額定電壓為12V的組件。 以下幾個(gè)圖是用不同的封裝材料和工藝制備的太陽電池組件。圖31所示的單晶硅太陽電池組件是采用美國(guó)AP公司的單晶硅電池36片串連，經(jīng)層壓封裝而成的。其峰值功率75Wp，組件上蓋板材料為低鐵鋼化玻璃，周邊采用鋁合金邊框固定，這種組件的壽命長(zhǎng)約25年，一般用于各類光伏電站。與單晶硅組件相比，多晶硅組件在外觀上有點(diǎn)差異，表現(xiàn)為電池外表顏色不一致，如圖32環(huán)氧樹脂膠封的多晶硅太陽電池組件所示。該組件由8小片多晶硅電池串連而成，峰值功率約0.35Wp，主要用于太陽

4、能草坪燈、禮品玩具等小型太陽電池組件。非晶硅沉積溫度較低，可以沉積在柔性襯底上制成可彎曲的電池組件，如圖33所示。這種組件的弱光效應(yīng)性能好，但效率相對(duì)較低，且衰減快，適合于室內(nèi)或便攜式光伏系統(tǒng)。 近幾年，隨著國(guó)內(nèi)外光伏建筑一體化的推廣，各組件封裝廠商紛紛推出雙面玻璃太陽電池組件。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，其結(jié)構(gòu)如圖34所示。由于這種組件有美觀、透光的優(yōu)點(diǎn)，在光伏建筑上應(yīng)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)合是太陽能光電開展的一大趨勢(shì)。因此，預(yù)計(jì)雙面玻璃組件商業(yè)市場(chǎng)會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。環(huán)氧樹脂膠封與層壓封裝的

5、組件，太陽電池被牢牢粘合住，不易拆卸與更換。這樣，組件常常會(huì)因?yàn)閱纹姵氐乃榱鸦螂姌O脫落等致使整個(gè)組件失效，無法修補(bǔ)。目前歐洲、日本開始嘗試封裝可回收的太陽電池組件。其中中空玻璃封裝方式被很多廠商看好。中空玻璃是由兩片玻璃組成，玻璃間用內(nèi)部灌有枯燥劑的空心鋁管隔離，同時(shí)中空局部充入惰性氣體，并用丁基膠，聚硫膠或結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行密封處理。將連接好的太陽電池置于中空玻璃之間，電池反面緊貼玻璃外表，用可拆卸的硅膠固定。這種封裝方式?jīng)]有使用EVA，電池上外表與蓋板玻璃之間存在空氣層，由于氣體與玻璃折射率差異大，陽光入射到電池外表經(jīng)這一界面反射較多，上外表蓋板玻璃內(nèi)側(cè)應(yīng)作減反射處理。3.2 封裝材料真空層壓封

6、裝太陽電池，主要使用的材料有環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅樹脂、玻璃、EVA、Tedlar或Tedlar復(fù)合薄膜如TPTTPE、連接條、鋁框等。封裝材料的特性對(duì)太陽電池組件的性能、使用壽命有重要影響。合理地選用封裝材料和采取正確的封裝工藝能保證太陽電池的高效利用。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。3.2.1 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂是比較常見的粘合劑，產(chǎn)品形式也是多種多樣，既可做成單組分或雙組分，也可以做成粉末狀樹脂。如太陽電池用的環(huán)氧樹脂粘合劑是雙組分液體，使用時(shí)現(xiàn)配現(xiàn)用。通過改變固化劑、促進(jìn)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，

7、以滿足各種不同的要求。這是環(huán)氧樹脂類封裝材料的優(yōu)勢(shì)2。環(huán)氧樹脂通過適宜的添加改性可以獲得較高的導(dǎo)熱絕緣性，從而可以在電子器件中使用。但是，這樣的改性環(huán)氧樹脂對(duì)太陽電池不適合。環(huán)氧樹脂的粘結(jié)力比較強(qiáng)，耐老化性能相對(duì)差，容易老化而變黃，因而會(huì)嚴(yán)重影響太陽電池的使用效果。此外，使用過程中還會(huì)由于老化導(dǎo)致材料脆化，這與環(huán)氧樹脂的低韌性以及在老化過程中的結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。通過對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行各種改性可在一定程度上改善其耐老化性能。封裝材料要求具有較高的耐濕性和氣密性。環(huán)氧樹脂是高分子材料，一般高分子材料分子間距離為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

8、提高其耐濕性的一項(xiàng)措施。通過高溫蒸煮試驗(yàn)可檢測(cè)封裝器件的耐濕可靠性3。用環(huán)氧樹脂封裝太陽電池時(shí)，由于膨脹系數(shù)不同，會(huì)由于成型固化過程中的收縮和熱收縮而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，造成強(qiáng)度下降、老化龜裂、封裝開裂、空洞、剝離等各種缺陷。對(duì)環(huán)氧樹脂封裝材料而言，熱膨脹系數(shù)的影響占主導(dǎo)地位。由于熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的熱應(yīng)力用下式表示：(r-s)EfdT式中，為熱應(yīng)力，MPa；為常數(shù)；r為樹脂的熱膨脹系數(shù)-1；s為硅片的熱膨脹系數(shù)-1；Ef為樹脂的彎曲彈性模量，GPa。降低這種內(nèi)應(yīng)力的方法有1降低封裝材料的玻璃化溫度；2降低封裝材料的模量；3降低封裝材料的線膨脹系數(shù)。為了到達(dá)降低內(nèi)應(yīng)力的目的，要求環(huán)氧樹脂高純度、高耐

9、熱性、低吸濕性、低粘度或低熔融粘度4。通過添加改性可以降低材料體系的內(nèi)應(yīng)力5，采用增塑劑如聚壬二酸酐增韌環(huán)氧樹脂可以降低體系內(nèi)應(yīng)力；參加聚合物粒子如橡膠、硅膠形成所謂的“海島結(jié)構(gòu)3、6，就是在“硬的環(huán)氧樹脂的“海中，引入“軟的聚合物的“島，形成一種使應(yīng)力易于傳遞和耗散的結(jié)構(gòu)，從而大大降低材料的內(nèi)應(yīng)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(jiǎn)單、材料本錢低廉，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(duì)較差，有被EVA層壓封裝取代的趨勢(shì)。3.2.2 有機(jī)硅膠有機(jī)硅產(chǎn)品是一

10、類具有特殊結(jié)構(gòu)的封裝材料，兼具有無機(jī)材料和有機(jī)材料的許多特性，如耐高溫、耐低溫、耐老化、抗氧化、電絕緣、疏水性等。有機(jī)硅硅膠是彈性體，在外力作用下能具有變形的能力，外力去除后又恢復(fù)原來的形狀。硅膠分為中性、酸性等，酸性硅膠因?yàn)闀?huì)腐蝕硅片，所以一般使用中性硅膠。硅膠對(duì)玻璃陶瓷等無機(jī)非金屬材料的粘結(jié)牢固，對(duì)金屬粘結(jié)力也很強(qiáng)，所以在安裝行業(yè)中大量使用。如用于安裝鋁合金玻璃門窗，還防雨。利用有機(jī)硅的粘結(jié)性、附著力、透明，還可以用做外表封裝、密封膠等。有機(jī)硅材料是一種透明材料，文獻(xiàn)報(bào)道透光率可以到達(dá)90以上，是一種應(yīng)用廣泛的膜材料。有機(jī)硅具有低溫固化的特點(diǎn)，可方便外表鍍膜等。有機(jī)硅膜在熱、空氣、潮氣等老

11、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(jī)自由基的耦合等副反響，使物理性能發(fā)生明顯的變化，如Si-O鍵與空氣中水反響使鏈斷裂而老化。也可解釋為由于氧氣和水的作用下，水解形成硅醇結(jié)構(gòu)Si(OH)2，導(dǎo)致硅原子周圍的化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化7。因此，封裝太陽電池組件用的硅膠需要參加適宜的添加劑來提高其老化性能8。3.2.3 EVA膠膜標(biāo)準(zhǔn)的太陽電池組件中一般要參加兩層EVA膠膜，EVA膠膜在電池與玻璃、電池與TPT之間起粘接作用。1EVA膠膜簡(jiǎn)介EVA是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物，EVA樹脂與聚乙烯PE相比，由于分子鏈上引入了乙酸乙烯單體VA，從而降低了結(jié)晶度，提高了透明性、柔韌性、耐沖

12、擊性，并改善了其熱密封性2。未經(jīng)改性的EVA透明、柔軟，有熱熔粘接性、熔融溫度低小于80、熔融流動(dòng)性好。這些特征符合太陽電池封裝的要求，但其耐熱性差，易延伸而彈性低，內(nèi)聚強(qiáng)度低，易產(chǎn)生熱收縮而致使太陽電池碎裂，使粘接脫層。此外，太陽電池組件作為一種長(zhǎng)期在戶外使用的產(chǎn)品，EVA膠膜是否能經(jīng)受戶外的紫外光老化和熱老化也是廠家和用戶非常關(guān)心的問題。未改性的EVA如長(zhǎng)時(shí)間受紫外光和熱的影響，易龜裂、變色、易從玻璃、TPT上脫落，從而大大地降低太陽電池的效率，縮短其使用壽命，最終增加了太陽電池的使用本錢，不利于太陽電池的推廣和應(yīng)用。因此，需要對(duì)EVA進(jìn)行改性。對(duì)EVA膠膜的改性主要從兩方面進(jìn)行。一方面，

13、在EVA膠膜的制備過程中，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和選擇，添加適宜的、能使聚合物穩(wěn)定化的添加劑如紫外光吸收劑、紫外光穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑等，從而顯著地效地改善EVA膠膜的耐天候老化性能；另一方面，采用化學(xué)交聯(lián)提高EVA膠膜的耐熱性，并減小其熱收縮性。即在EVA膠膜的配方中添加有機(jī)過氧化物交聯(lián)劑，當(dāng)EVA膠膜加熱到一定溫度時(shí)，交聯(lián)劑分解產(chǎn)生自由基，引發(fā)大分子間的反響，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，致EVA膠層交聯(lián)固化。一般說來，當(dāng)交聯(lián)度指EVA大分子經(jīng)交聯(lián)反響后到達(dá)不溶的凝膠固化的程度大于60時(shí)，EVA膠膜就能承受大氣的變化，不再出現(xiàn)太大的熱收縮，從而滿足太陽電池封裝的需要。以EVA為原料，添加適宜的改性助劑等，經(jīng)加熱擠出

14、成型而制得的EVA太陽能電池膠膜在常溫時(shí)無粘性，便于裁切操作；使用時(shí)，要按加熱固化條件進(jìn)行對(duì)太陽電池組件進(jìn)行層壓封裝，冷卻后即產(chǎn)生永久的粘合密封。EVA太陽能膠膜目前已在太陽電池封裝、電子電器元件封合、汽車裝飾等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。它具有環(huán)保、耐紫外光老化等優(yōu)點(diǎn)，可取代環(huán)氧樹脂封裝。2 EVA太陽電池膠膜主要性能指標(biāo)一般說來，用于太陽電池封裝的EVA膠膜必須滿足以下的主要性能指標(biāo)：a 固化條件：快速型，加熱至135恒溫1520分鐘；慢速型，加熱至145恒溫3040分。b 厚度0.30.8mm；寬度：1100mm，800mm，600mm等多種規(guī)格。c 太陽電池封裝用的EVA膠膜固化后的性能要求

15、：透光率大于90%；交聯(lián)度大于65%；剝離強(qiáng)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。國(guó)內(nèi)目前的大多數(shù)太陽電池封裝用EVA膠膜雖然能到達(dá)上述的主要性能指標(biāo)，但對(duì)其耐老化性能，特別是耐紫外光老化性能未做過系統(tǒng)、深入的研究。與國(guó)外同類產(chǎn)品的主要差距就表達(dá)在耐老化性能方面。針對(duì)這一現(xiàn)狀，最近華南理工大學(xué)和中科院廣州能源所合作，比較系統(tǒng)而深入地研究了對(duì)提高太陽電池組件壽命至關(guān)重要的封裝材料EVA膠膜。所研制的EVA膠膜除了能完全滿足上述主要性能指標(biāo)外，還具備了較優(yōu)異的耐老化性能，特別是耐紫外光老化性能。經(jīng)過具有計(jì)量認(rèn)定

16、的檢測(cè)部門的檢測(cè)，所研制的EVA膠膜按照GB/T16422.3-1997標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了1000小時(shí)的老化試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)條件為：I型UVA340燈，輻照度0.68W/m2; 循環(huán)條件：在黑標(biāo)溫度70C下輻照暴露8h; 然后在黑標(biāo)溫度50C下冷凝暴露4h。在這樣的條件下經(jīng)1000小時(shí)老化后，所研制的EVA膠膜的黃色指數(shù)的變化大大低于目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的EVA膠膜，比較接近國(guó)外進(jìn)口的同類產(chǎn)品；而價(jià)格那么比進(jìn)口EVA膠膜要低得多。這一研究成果對(duì)提高太陽電池組件的使用壽命，降低其使用本錢，促進(jìn)太陽能這一可再生的清潔能源的推廣應(yīng)用和開展是非常有意義的。3.2.4 玻璃標(biāo)準(zhǔn)太陽電池組件的蓋板材料通常采用低鐵鋼化玻

17、璃，其特點(diǎn)是：透過率高、抗沖擊能力強(qiáng)和使用壽命長(zhǎng)。這種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(yīng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)3201100nm透光率達(dá)90%以上，對(duì)于波長(zhǎng)大于1200nm的紅外有較高的反射率，同時(shí)能耐太陽紫外線的輻射。利用紫外可見光光譜儀測(cè)得普通玻璃的光譜透過率圖35與太陽電池組件用的超白玻璃光譜透過率圖36所示，普通玻璃在波段7001100段透過率下降較快，明顯低于超白玻璃的透過率。 圖35 普通玻璃的光譜透過率 圖36 太陽電池組件用超白玻璃光譜透過率由于普通玻璃體內(nèi)含鐵量過高及玻璃外表的光反射過大是降低太陽能利用率的主要原因之一。為此，玻璃制造商們對(duì)降低玻璃中的

18、鐵含量、研制新的防反射涂層或減反射外表材料，以及如何增加玻璃強(qiáng)度和延長(zhǎng)使用壽命這三方面十分重視。目前，玻璃廠商已能熟練地對(duì)23毫米薄玻璃進(jìn)行物理或化學(xué)鋼化處理，不僅光透過率仍保持較高值，而且使玻璃的強(qiáng)度提高為普通平板玻璃的34倍。薄玻璃經(jīng)過鋼化處理后，在太陽能利用中以薄代厚并到達(dá)相對(duì)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本錢，不僅切實(shí)可行，而且效果明顯。為了減少玻璃外表光反射率，玻璃制造商們通過物化處理方法，對(duì)玻璃外表進(jìn)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外表涂布一層薄膜層，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。這種在玻璃外表制備的減

19、發(fā)射層，可采用真空沉積法、浸蝕法和高溫?zé)Y(jié)法等工藝得以實(shí)現(xiàn)。據(jù)悉，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(xué)處理相結(jié)合制備減反射玻璃，經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)便，其工藝流程大致如下：玻璃原片洗滌枯燥浸入硅酸鈉溶液提取玻璃低溫烘干或自然風(fēng)干二次化學(xué)處理提取并烘干檢測(cè)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3毫米光透過率由原來80%提高到85%，折射率較高的超白玻璃含鐵量較低，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(cè)試說明其耐磨性非常好。除玻璃外，一些組件封裝廠商也采用透明Tedlar、PMMA俗稱有機(jī)玻璃板或PC聚碳酸脂板作為太陽電

20、池組件的正面蓋板材料。PMMA板和PC板有透光性能好，材質(zhì)輕優(yōu)點(diǎn)，但耐溫性差，外表易刮傷，在太陽電池組件封裝方面應(yīng)用受到一定限制，目前主要用于室內(nèi)用或便攜太陽電池組件的封裝。3.2.5 反面材料太陽電池組件反面材料，可有多種選擇，主要取決于應(yīng)用場(chǎng)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(fù)合材料。用玻璃可制成雙面透光的太陽電池組件，適用于光伏幕墻或透光光伏屋頂。用透明Tedlar由于重量輕，可適用于建造太陽能車、船之用。用得最多的就是Tedlar復(fù)合薄膜如TPT或TPE。Tedlar嚴(yán)格來說應(yīng)為Tedlar

21、PVT(polyvinyl fluoride film)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(lán)、黑等多種顏色。它是美國(guó)杜邦公司獨(dú)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(diǎn)很符合封裝太陽電池。此外，它還具有優(yōu)良的強(qiáng)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(zhǎng)的使用壽命，如25年甚至更長(zhǎng)，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/aluminum/Tedlar;Tedlar/iron/Tedlar.一般復(fù)

22、合薄膜所用的Tedlar厚度為38m，聚酯為75m，鋁膜和鐵膜為25-30m。通常用得最多的就是Tedlar/polyester/Tedlar，通常簡(jiǎn)稱TPT。Tedlar復(fù)合薄膜具有更好的防潮、抗?jié)窈湍秃蛐阅?，通常見到太陽電池組件反面的白色覆蓋物大都是TPT。TPT還具有高強(qiáng)、阻燃、耐久、自潔等特性，在紡織、建筑等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。白色的TPT對(duì)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發(fā)射率，可以降低組件的工作溫度，也有利于提高組件的效率。但是它的價(jià)格較高，約10美元m2，而且它不容易粘合。目前，很多太陽電池組件封裝廠家開始使用TPE代替TPT作為太陽電池組件的反面材料。TPE

23、是由Tedlar、聚酯、EVA三層材料構(gòu)成，與電池接觸面EVA面為接近電池顏色深藍(lán)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，但它價(jià)格廉價(jià)約為TPT的一半，與EVA粘合性能好，在組件封裝，尤其是小型組件封裝上應(yīng)用越來越多。3.2.6 其它材料玻璃、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。國(guó)內(nèi)在武漢、昆明有廠家生產(chǎn)太陽電池組件專業(yè)提供鋁合金邊框和連接連條產(chǎn)品供選擇。3.3 太陽電池組件制造設(shè)備太陽電池組件制造、封裝和測(cè)試設(shè)備主要有激光劃片機(jī)、層壓機(jī)、固化爐、電池片測(cè)試臺(tái)、組件測(cè)

24、試臺(tái)、電阻率測(cè)試儀等等。國(guó)外較大型的太陽電池組件專業(yè)廠家設(shè)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(shè)備。下面主要介紹太陽電池組件封裝最根本的設(shè)備激光劃片機(jī)和太陽能電池層壓機(jī)。3.3.1激光劃片機(jī)半導(dǎo)體材料的切割與刻劃是半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)鍵工序之一。太陽電池主要采用金剛石切割設(shè)備和激光劃片機(jī)切割。由于激光劃片機(jī)的切割效率更高，現(xiàn)在許多工廠都采用激光劃片機(jī)來切割太陽電池，以滿足制作小型太陽電池組件的需要。激光劃片機(jī)一般由激光晶體、電源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、光學(xué)掃描系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、真空泵、控制系統(tǒng)、工作臺(tái)、計(jì)算機(jī)等組成，如圖37所示?？刂婆_(tái)上有電源、真空泵、冷卻水開關(guān)按鈕及電流調(diào)節(jié)按鈕

25、等；工作臺(tái)面上布有氣孔，氣孔與真空泵相連，翻開真空泵后太陽電池就被吸附在控制臺(tái)上，切割過程中不易移動(dòng)。切割時(shí)將電池放在工作臺(tái)上，翻開計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)切割路線，按下確定鍵后，激光光斑開始移動(dòng)，在控制臺(tái)上調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)墓ぷ麟娏鬟M(jìn)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(diǎn)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、砷材料的外表，形成很高的功率密度，使硅片形成溝槽，在溝槽處形成應(yīng)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(yīng)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(dǎo)致物質(zhì)的化學(xué)鍵斷裂而劃出痕跡。因此，用激光對(duì)

26、太陽電池硅片進(jìn)行劃片，能較好的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(jī)械切割技術(shù)比較，激光劃片主要有以下優(yōu)點(diǎn)：a 激光劃片由計(jì)算機(jī)控制，速度快，精確度高，大大提高了加工效率；b 激光劃片為非接觸式加工，減少了硅片的外表損傷與刀具的磨損，提高了產(chǎn)品成品率；c 激光劃片光強(qiáng)弱控制方便，激光聚焦后功率密度高，能很好的控制切割深度，適合對(duì)硅片這種薄、脆、硬的材料切割。d 激光束細(xì)，加工材料消耗很小，加工熱區(qū)影響小。e 激光劃片溝槽整齊，無裂紋，深度一致。f 激光加工操作方便簡(jiǎn)捷，使用平安，人工、材料消耗本錢低。使用切割機(jī)切割太陽電池，需要注意的問題是：a 一定要在水循環(huán)正

27、常工作下，再啟動(dòng)激光電源和調(diào)節(jié)電源，否那么溫度過高，容易燒壞電源；b 激光電源屬于大功率高頻開關(guān)電源，它會(huì)對(duì)外有或多或少的電磁污染，因而對(duì)電磁兼容性能的儀器設(shè)備，如變型儀、計(jì)算機(jī)等產(chǎn)生一定影響，建議采用屏蔽、電源隔離等方法抗干擾；c 激光器一般采用氪燈泵浦，需要瞬時(shí)高壓來觸發(fā)氪燈，因此嚴(yán)禁在氪燈點(diǎn)燃前啟動(dòng)其它組件以防高壓串入，氪燈屬于易損耗件，當(dāng)發(fā)現(xiàn)老化時(shí)，需要更換新燈；d 激光劃片機(jī)工作環(huán)境要求：室內(nèi)清潔無塵，相對(duì)濕度小于80，溫度520；另外，要保持機(jī)內(nèi)循環(huán)水干凈，定期清洗水箱并更換去離子水或純水。3.3.2 太陽電池層壓機(jī)太陽電池層壓機(jī)集真空技術(shù)，氣壓傳動(dòng)技術(shù)，PID溫度控制技術(shù)于一體，

28、適應(yīng)于單晶硅電池組件、多晶硅電池組件的層壓生產(chǎn)。其外形結(jié)構(gòu)如圖38、圖39所示，圖38是BP公司封裝太陽電池使用的美國(guó)Spire層壓機(jī)，圖39是中山大學(xué)太陽能系統(tǒng)研究所使用的國(guó)產(chǎn)層壓機(jī)。兩臺(tái)層壓機(jī)工作原理都一樣，在控制臺(tái)上可以設(shè)置層壓溫度、抽氣、層壓和充氣時(shí)間，控制方式有自動(dòng)與手動(dòng)兩種。在層壓用EVA封裝的太陽電池時(shí)，一般設(shè)置溫度100120，這個(gè)溫度下EVA剛好處于熔融狀態(tài)而不會(huì)被固化。從層壓機(jī)可以看到上室真空、上室充氣、下室真空、下室充氣等控制按鈕；翻開層壓機(jī)的上蓋，上蓋內(nèi)側(cè)有個(gè)膠皮氣囊，上室指的就是這個(gè)氣囊；上蓋與下腔之間有密封圈，上蓋板與下腔之間形成一個(gè)密封室為下室。翻開上蓋，可以看到

29、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、玻璃層疊后放入兩層膠布之間，玻璃布有減緩EVA升溫速率作用，減少氣泡產(chǎn)生，同時(shí)可以防止熔融后的EVA流出來弄臟加熱板。層壓的根本過程：翻開層壓機(jī)，按下加熱按鈕，設(shè)定好工作溫度；待加熱板溫度到達(dá)指定溫度可以從控制臺(tái)上看到后，將層疊好的電池片放入層壓機(jī)并合上蓋，合蓋后第一步是下室抽氣。層疊好的太陽電池片放置在兩層玻璃布間屬于下室局部時(shí)，EVA在層壓機(jī)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，下室抽氣抽真空可以將這些間隙中的空氣排除。如果抽氣時(shí)間和層壓溫度設(shè)置不當(dāng)，在組件玻璃下

30、面常會(huì)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。抽氣的下一步是加壓層壓。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滿整個(gè)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(dòng)充滿玻璃、電池片、TPT之間的間隙，同時(shí)排出中間的氣泡。這樣，玻璃、電池片、TPT就通過EVA緊緊粘合在一起。層壓好后需要開蓋將電池取出，前兩個(gè)過程下室處于抽真空狀態(tài)，大氣壓作用下，上蓋受向下的壓力。開蓋時(shí)，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(shè)置在上蓋的兩開蓋支

31、臂將上蓋翻開。將太陽電池取出后，可以進(jìn)行下一塊太陽電池組件的封裝。上述層壓過程，一般在正常工作時(shí)，可以設(shè)定好層壓溫度及抽氣、層壓、充氣的時(shí)間，控制鍵撥到自動(dòng)檔，開蓋放入太陽電池，合蓋后讓其自開工作，層壓好后會(huì)自動(dòng)開蓋，取出層壓好的電池組件后可以進(jìn)行下一工作循環(huán)。在設(shè)置工作溫度，抽氣層壓時(shí)間時(shí)要視層壓機(jī)情況、電池大小而定；進(jìn)口設(shè)備與國(guó)產(chǎn)設(shè)備有差異，一般層壓機(jī)廠商會(huì)給用戶提供一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，用戶在使用過程中，逐步作些修正，在確定自己的最優(yōu)值。圖39中中山大學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用的國(guó)產(chǎn)層壓機(jī)在封裝功率20W以下的太陽電池時(shí)，設(shè)置工作溫度120，抽氣5分鐘，層壓5分鐘，充氣20秒，太陽電池面積功率50100W較大

32、時(shí)，增加抽氣時(shí)間至8分鐘，層壓時(shí)間至10分鐘。層壓機(jī)使用過程中本卷須知：a 層壓機(jī)合蓋時(shí)壓力巨大，切記下腔邊框不得放異物，以防意外傷害或設(shè)備損毀；b 開蓋前必須檢查下室充氣是否完成，否那么不能開蓋，以免損壞設(shè)備；c 控制臺(tái)上有緊急按鈕，緊急情況下，整機(jī)斷電。故障排除后，將緊急按鈕復(fù)位；d 層壓機(jī)假設(shè)長(zhǎng)時(shí)間未使用，開機(jī)后應(yīng)空機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)幾個(gè)循環(huán)，以便將吸附在腔體內(nèi)剩余氣體及水蒸汽抽盡，以保證層壓質(zhì)量。3.4 太陽電池組件封裝工藝太陽電池組件是將單體太陽電池串、并聯(lián)后嚴(yán)密封裝制成的。未封裝前的單體太陽電池機(jī)械強(qiáng)度弱，不能承受較大力的撞擊，薄而易碎；而且，大氣中的水分和腐蝕性氣體會(huì)慢慢銹蝕和氧化電極，逐漸

33、使電極脫落，同時(shí)也腐蝕太陽電池外表，降低電池的效率，因此，要使用玻璃等將太陽電池封裝，使其與大氣隔絕。另一方面，單體太陽電池工作電壓只有0.40.5V，由于受硅片材料尺寸限制，單體電池功率也都很小，遠(yuǎn)不能滿足一般用電設(shè)備的電壓、功率要求。這一些正是為什么單體太陽電池要制造成組件的原因。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(diǎn)：一、工作電壓和輸出功率按不同的要求設(shè)計(jì)，可以提供多種接線方式，滿足不同的電壓輸出要求；二、有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能經(jīng)受運(yùn)輸、安裝和使用過程中發(fā)生的沖擊、震動(dòng)等產(chǎn)生的應(yīng)力，具有防腐、防潮、防水、防風(fēng)、防雹能力；三、經(jīng)與玻璃、EVA、TPT結(jié)合后，有明顯的電性能增益

34、。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EVATPT中測(cè)層壓固化裝邊框、接線盒終測(cè)。3.4.1 激光劃片太陽電池每片工作電壓0.40.45V左右開路電壓約0.6V，將一片切成兩片后，每片電壓不變；太陽電池的功率與電池板的面積成正比同樣轉(zhuǎn)化效率下。根據(jù)組件所需電壓、功率，可以計(jì)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(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)設(shè)計(jì)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。切割過程主要步驟是，先翻開激光切割

35、機(jī)及與之相配的計(jì)算機(jī)，將要切的太陽電池片放在切割臺(tái)上，并擺好位置，翻開計(jì)算機(jī)中的切割程序，根據(jù)設(shè)計(jì)路線輸入XY軸方向的行進(jìn)距離坐標(biāo)改變的數(shù)值，如第一步是沿X軸正方向前進(jìn)150mm，就在這一步中選擇X軸，輸入150，預(yù)覽確定路線后，調(diào)節(jié)電流進(jìn)行切割。在前一節(jié)介紹激光切片機(jī)時(shí)，談到了操作切割機(jī)時(shí)需要注意的一些問題，下面在對(duì)具體切割過程中本卷須知作些補(bǔ)充：a 切片時(shí)，切痕深度一般要控制在電池片厚度的二分之一到三分之二之間，這主要通過調(diào)節(jié)激光劃片機(jī)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(qiáng)，可以將電池片直接劃斷，容易造成電池正負(fù)極短路。反之，當(dāng)工作電流太小，劃痕深度不夠，在沿著劃痕用手將

36、電池片掰斷時(shí)，容易將電池片弄碎；b 太陽電池片價(jià)格較貴，為減少電池片在切割中的損耗，在正式切割前，應(yīng)先用與待切電池片型號(hào)相同的碎電池片做試驗(yàn)，測(cè)試出該類電池片切割時(shí)激光劃片機(jī)適宜的工作電流I0，這樣正常樣品的切割中劃片機(jī)按照電流I0工作，可以減少由于工作電流太大或太小而造成損耗；c 激光劃片機(jī)激光束行進(jìn)路線是通過計(jì)算機(jī)設(shè)置XY坐標(biāo)來確定的，設(shè)置坐標(biāo)時(shí)，一個(gè)小數(shù)點(diǎn)和坐標(biāo)軸的過失會(huì)使激光束路線完全改變。因此，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(shè)定的路線走一遍，確認(rèn)路線正確后，再調(diào)大電流進(jìn)行切片；d 一般來說，激光劃片機(jī)只能沿XY軸方向進(jìn)行切割，切方形電池片比較方便。當(dāng)電

37、池片在要求切成三角形等形狀時(shí)，切割前一定要計(jì)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；e 在切割不同電池片時(shí)，如果兩次厚度差異較大，調(diào)整工作電流的同時(shí)，注意調(diào)整焦距；f 切割電池片時(shí)，應(yīng)翻開真空泵，使電池片緊貼工作面板，否那么，將切割不均勻。焊接切割好的太陽電池片需要將其連接起來，焊接這一工序就是用焊條連接條按需要將電池片串連或并聯(lián)好，最后匯成一條正極和一條負(fù)極引出來。焊接時(shí)要注意幾點(diǎn)：太陽電池串連后，總電流與最小電池片產(chǎn)生的電流一致，因此每片串連的太陽電池要求尺寸一樣大，顏色一致這樣一方面為保證電池光電轉(zhuǎn)換效率一致，另外使組件外表更美觀；手工焊接時(shí)把握好烙鐵與焊點(diǎn)接觸時(shí)間，盡量

38、一次焊成，如一個(gè)焊點(diǎn)反復(fù)焊接，電池片上電極很容易脫落；焊點(diǎn)要均勻，假設(shè)某些焊點(diǎn)焊錫太多，外表不平整會(huì)影響電池層壓，增加碎片率。3.4.3 層壓電池片按要求焊接好后，層壓前一般先用萬用表通過測(cè)電池電壓方式檢查焊接好的太陽電池有沒有短路、斷路，然后清洗玻璃，按照比玻璃面積略大的尺寸裁制EVA、TPT，將玻璃EVA電池EVATPT層疊好，放入層壓機(jī)層壓層壓機(jī)的具體操作過程前面已經(jīng)介紹。 層壓過程中有關(guān)問題及本卷須知：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，層疊時(shí)進(jìn)入的空氣與EVA交聯(lián)反響產(chǎn)生的氧氣是形成氣泡的主要原因。當(dāng)層壓的組件中出現(xiàn)氣泡，說明工作溫度過高或抽氣時(shí)間太短，應(yīng)該重新設(shè)

39、置工作溫度和抽氣、層壓時(shí)間。3.4.4固化從層壓機(jī)取出的太陽電池，未固化時(shí)EVA容易與TPT、玻璃脫層，進(jìn)入烘箱固化。烘箱固化根據(jù)EVA種類不同分兩種方式：(1)快速固化型EVA：設(shè)置烘箱溫度135，待升到設(shè)置溫度后，將層壓好的電池放入固化15分鐘。(2)常規(guī)固化型EVA：設(shè)置烘箱溫度145，待升到設(shè)置溫度后，將層壓好的電池放入固化30分鐘。另外，也可以在層壓機(jī)內(nèi)直接固化：(1)方法一：(a)快速固化型EVA：層壓機(jī)設(shè)置100120，放入電池板，抽氣35分鐘，加壓410分鐘層壓的太陽電池板較小時(shí)，時(shí)間可以稍短些，同時(shí)升溫到135，恒溫固化15分鐘，層壓機(jī)下充氣上抽空30秒，開蓋取出電池冷卻即可

40、。(b)常規(guī)固化型EVA：層壓機(jī)設(shè)置100120，放入電池板，抽氣35分鐘，加壓410分鐘層壓的太陽電池板較小時(shí)，時(shí)間可以稍短些，同時(shí)升溫到145150，恒溫固化30分鐘，層壓機(jī)下充氣上抽空30秒，開蓋取出電池冷卻。2方法二：層壓機(jī)設(shè)置135140，放入電池板，抽氣35分鐘，加壓410分鐘，恒溫135140，固化15分鐘，再取出冷卻即可。目前，工廠大局部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(jī)的使用時(shí)間。在太陽電池組件制造過程中，廠家經(jīng)常需要測(cè)定EVA的凝膠含量來分析EVA的固化程度，以到達(dá)控制封裝質(zhì)量的目的。EVA凝膠含量到達(dá)65以上，可以認(rèn)為固化根本完成，到達(dá)

41、了組件的要求。3.4.5 檢測(cè)1太陽電池組件投入使用前須先進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試，具體方法主要參考GB/T 9535-1998?地面用晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)鑒定與定型?，GB/T 14008-1992?海上用太陽電池組件總標(biāo)準(zhǔn)?。以下是組件的一些根本性能指標(biāo)與檢測(cè)方法。a 性能測(cè)試：在規(guī)定光源的光譜、標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)以及一定的電池溫度25條件下對(duì)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(jìn)行測(cè)量。b 電絕緣性能測(cè)試：以1KV的直流電通過組件底板與引出線，測(cè)量絕緣電阻，絕緣電阻要求大于2000兆歐，以確保在應(yīng)用過程中組件邊框無漏電現(xiàn)象發(fā)生。c 熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)：將組件置于有自動(dòng)溫度控制、內(nèi)部空氣循環(huán)的氣候室內(nèi)，使組件在4085之間循環(huán)規(guī)定次數(shù)，并在極端溫度下保持規(guī)定時(shí)間，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)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(fù)變化引起的熱應(yīng)變能力。d 濕熱濕冷實(shí)驗(yàn)：將組件置于帶有自動(dòng)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(fù)循環(huán)，保持一定恢復(fù)時(shí)間，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)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。e 機(jī)械載荷實(shí)驗(yàn)：在組件外表逐漸加載，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中可能產(chǎn)生的短路和斷路、外觀缺陷、電性能衰