太陽能電池組件發(fā)展史課件

1、 地 面用晶體硅光伏組件封 裝 技 術 太陽能光伏發(fā)電簡史： 1839年法國物理學家A.E.貝克勒爾意外的發(fā)現：將兩片金屬侵入溶液構成的伏打電池，當受到太陽光照射時會產生額外的伏打電動勢。他把這種現象稱為“光生伏打效應”（Photovoltaic effict),簡稱“光伏效應”。 1883年有人在硒和金屬接觸處發(fā)現了固體光伏效應，此后人們把能夠產生光伏效應的器件稱為“光伏器件”，半導體P-N結器件在太陽光照射下光電轉換效率最高，故而把這類器件稱為“太陽能電池”（Solar cell)。 1954年恰賓（Charbin)等人在美國貝爾電話實驗室第一次作出了光電轉換效率為6%的試驗用的單晶硅太陽

2、能電池，開創(chuàng)了太陽能電池研究的新紀元。1839法國科學家貝克勒爾（Becqurel）發(fā)現“光生伏打效應”1931朗格首次提出用“光伏效應”制造“太陽能電池”實現光能變成電能1954皮爾松和恰賓在美國貝爾實驗室首次制成實用的單晶硅太陽能電池1958太陽能電池首次在太空應用，裝備于美國先鋒1號衛(wèi)星1960硅太陽能電池首次實現并網運行1978美國建成100KW地面太陽能光伏電站1983美國建成1MW光伏電站1986美國建成6.5MW光伏電站1990德國提出“2000光伏屋頂計劃”，每個家庭屋頂安裝3-5KW光伏電站1997美國提出“克林頓總統(tǒng)拜望太陽能屋頂計劃”，日本43億瓦“新陽光計劃”1998荷

3、蘭政府提出“百萬光伏屋頂計劃”1999日本太陽能電池總產量首次超過美國居世界第一位2000世界光伏電池總產量287KW，歐盟計劃2010年生產60億瓦光伏電池太陽能光伏行業(yè)著名廠商SharpBP SolarKyoceraShell Solar GE-solarSanyoQ-cellMitsubishiMotech Suntech Photowatt太陽能電池的分類：按基材分類晶體硅太陽能電池非晶硅太陽能電池微晶硅薄膜太陽能電池納米晶硅薄膜太陽能電池硒光電池化合物太陽能電池有機半導體太陽能電池單晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池PIN單結非晶硅薄膜太陽能電池雙結非晶硅薄膜太陽能電池三結非晶硅薄膜太陽

4、能電池砷化鎵太陽能電池太陽能電池的分類：按用途分類空間太陽能電池地面用太陽能電池光伏傳感器按工作方式分類平板太陽能電池分光太陽能電池聚光太陽能電池太陽能電池發(fā)電原理P型半導體的形成： 如左圖，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子 。 當硅晶體中摻入硼時，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有三個電子，所以就會產生入圖所示的藍色的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不 穩(wěn)定容易吸收電子而中和，形成P型半導 體。N型半導體的形成： 如左圖，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子 。 摻入磷原子以后，因為磷原子有五個電子，所

5、以就會有一個電子變得非?；钴S，形成N型半導體。黃色P-N結的形成： 將一塊P型半導體和N型半導體緊密連接在一起，這種緊密連接不能有縫隙，是一種原子半徑尺度上的緊密連接。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程。 圖中蘭色小圓為多子電子；紅色小圓為多子空穴。 N型半導體中的多子電子的濃度遠大于P型半導體中少子電子的濃度；P型半導體中多子空穴的濃度遠大于N型半導體中少子空穴的濃度。于是在兩種半導體的界面上會因載流子的濃度差發(fā)生了擴散運動，見左圖。擴散電流P-N結的形成： 隨著擴散運動的進行，在界面N區(qū)的一側，隨著電子向P區(qū)的擴散，雜質變成正離子；在界面P區(qū)的一側，隨著空穴向N區(qū)的擴

6、散，雜質變成負離子。雜質在晶格中是不能移動的，所以在N型和P型半導體界面的N型區(qū)一側會形成正離子薄層；在P型區(qū)一側會形成負離子薄層。這種離子薄層會形成一個電場，方向是從N區(qū)指向P區(qū)，稱為內電場，見左上圖。 內電場的出現及內電場的方向會對擴散運動產生阻礙作用，限制了擴散運動的進一步發(fā)展。在半導體中還存在少子，內電場的電場力會對少子產生作用，促使少數載流子產生漂移運動。內電場內電場漂移電流P-N結的形成： 我們稱從N區(qū)指向P區(qū)的內電場為PN結，簡單的描述為：N型半導體中含有較多的空穴，而P型半導體中含有較多的電子，這樣，當P型和N型半導體結合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN結。晶體硅太

7、陽能電池一、晶體硅太陽電池：單晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池常規(guī)幾何尺寸:103*103mm 125*125mm 150*150mm 156*156mm厚度： 200m 目前常見晶體硅太陽電池的基體材料多為P型半導體參雜磷原子制結經過加工處理成為電池片；N型半導體做基材的也有，但較少。晶體硅太陽能電池結構太陽能電池測試I-V曲線圖如下：晶體硅太陽能電池等效電路：晶體硅太陽能電池電性能輸出：I=IL-ID-IRsh=IL-I0(e -1)-q(U-IRs)/AkT I(Rs+RL) RshU=IRLP=UI=IL-I0(e -1)- Uq(U-IRs)/AkT I(Rs+RL) Rsh=IL-I

8、0(e -1)- RLq(U-IRs)/AkT I(Rs+RL) Rsh2晶體硅太陽能電池最佳工作點： 當RL從0變化至無窮大時曲線上的任意一點都稱為工作點，工作點和原點的連線稱為負載線，調節(jié)RL到某一值Rm時，在曲線上得到最大點M，對應的Im和Um之積最大。即： Pm=Im Um 一般稱M點為太陽電池組件的最佳工作點（或者最大功率點）；Im為最佳工作電流；Um為最佳工作電壓；Rm為最佳負載電阻；Pm為最大輸出功率。晶體硅太陽能電池組件填充因子： 最大輸出功率Pm和（Isc*Uoc）之比稱為填充因子，這是用以衡量電池組件輸出特性好壞的重要標志之一。 FF= = 填充因子表明電池組件的優(yōu)劣，當光

9、譜輻照度一定，FF愈大曲線愈方，輸出功率也愈高。其與入射光譜輻照度、反向飽和電流、A因子、串聯(lián)或并聯(lián)電阻密切相關。晶體硅太陽能電池組件轉換效率：eff= = 電池組件受照射時，輸出電功率與入射光功率之比稱為電池組件的效率也稱光電轉換效率。At電池組件的有效受光面積Pin單位面積的入射光功率單晶硅太陽電池轉換效率發(fā)展過程 晶體硅太陽能電池組件 當今世界實用的太陽能電池組件主要有單晶硅電池組件、多晶硅太陽能電池組件、剛性襯底薄膜太陽能電池組件（非晶硅太陽能電池組件和碲化鎘薄膜太陽能電池組件）以及柔性薄膜太陽能電池組件。 單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池統(tǒng)稱晶體硅太陽能電池。由于單體晶體硅太陽電池

10、的面積較小，且輸出電壓低，人們?yōu)榱藵M足工作需要，將單體電池用導線進行串（并）聯(lián)成所需要的電池方陣，通過封裝材料將其封裝在經過鋼化處理的浮法玻璃上，引出電極，安裝上外框就形成了晶體硅太陽能電池組件。 組件的封裝結構、材料、工藝影響組件壽命和可靠性。晶體硅太陽能電池組件的特點：一、結構簡單，造型美觀；二、節(jié)能環(huán)保；三、成本較高；四、安裝、運輸簡變；五、可靠性高，使用壽命長；六、應用領域廣泛。晶體硅太陽能電池組件一晶體硅太陽能電池組件的結構：晶體硅太陽能電池組件的結構：晶體硅太陽能電池組件的結構：晶體硅太陽能電池組件I-V曲線：晶體硅太陽能電池組件電性能輸出指標：Voc 開路電壓 Isc 短路電流

11、Vmp 最佳工作電壓 Imp 最佳工作電流Pmax 最大功率 eff 轉換效率 FF 填充因數國際標準測試條件：光譜：AM1.5溫度：25光強（輻照度）：1000W/m2低輻照度下的測試條件： 依據IEC 60904-1的規(guī)定，在25和輻照度為200 w m-2（用適當的標準電池測定）的自然陽光或符合IEC 60904-9要求的B類或更好模擬器下，確定組件隨負荷變化的電性能。晶體硅太陽能電池組件溫度特性：最大功率溫度系數 P: -(0.50.05)%/短路電流溫度系數 I： (0.065 0.015)%/ 開路電壓溫度系數 V: -2mV最佳工作溫度 NOCT: 47 2 一個常規(guī)單晶硅組件銘

12、牌參數如型號為BP4175和BP4165單晶硅組件參數如下: Pmax 175W 165W Voc 44.5V 43.7V Isc 5.5A 5.4A Vmp 35.4V 34.3V Imp 4.9A 4.8A 短路電流溫度系數： (0.065 0.015)%/ 開路電壓溫度系數： -(160 10)mV最大功率溫度系數： -(0.50.05)%/ NOCT： 47 2 最大系統(tǒng)電壓：600V （美國NEC參數 ）1000V（德國萊茵TV參數 ）最大串保險絲參數 ：15A 一個常規(guī)多晶硅組件銘牌參數如型號為BP3170和BP3165單晶硅組件參數如下: Pmax 170W 165W Voc 4

13、4.4V 44.2V Isc 5.27A 5.1A Vpm 35.3V 35.2V Ipm 4.79A 4.7A 短路電流溫度系數： (0.065 0.015)%/ 開路電壓溫度系數： -(160 10)mV最大功率溫度系數： -(0.50.05)%/ NOCT： 47 2 最大系統(tǒng)電壓：600V (美國NEC參數) 1000V (德國萊茵TV參數 )最大串保險絲參數 ：15A 晶體硅太陽能電池組件負載特性曲線：晶體硅制造工藝流程可用硅制造工藝流程：硅沙焦炭電爐冶金硅鹽酸三氯氫硅CH4硅烷多晶硅+H2多晶硅制造：杜邦法（SiCl4還原法）三氯氫硅法（西門子法）硅烷法單晶硅制造：切克勞斯基法(C

14、Z法)區(qū)熔法(FZ法)國外10個主要多晶硅制造廠商的生產能力及發(fā)展預測2005年末用途2006年末用途2007年2008年 產能產量半導體太陽能產能預產量半導體太陽能能力預產量能力日本德山曹達52005200410011005400540041001300540054005400三菱材料160016001400200160016001400200160016001600住友鈦80080080009009008000900900900美國黑姆洛克770077004800290010000950060003500145001400018000ASiMi30003000280020033003300

15、20001300360036003600SGS22002200022002200220002100220022004400MEMC27001500150002700150015000270017006700三菱多晶硅120011001000100120011001000100150014001500德國Wacker55005000320018006000600035002500800079009000意大利MEMC10001000100001000100010000100010001000總計309002910020600850034300325002130011100414003950052

16、100單晶硅棒：單晶硅太陽電池對硅材料的要求： Resistivity: 0.5cm3cm 電阻率：0.5cm3cm Carrier Lifetime in mono crystalline silicon wafer 10ms 單晶硅片少子壽命：10ms（體壽命）； Conductivity type: P 導電類型：P型 Mono crystalline orientation: 1.5 單晶晶向：1.5。 Oxygen conten：11018/cm3 氧含量：11018/cm3 Carbon conten：51016/cm3 碳含量：51016/cm3 Crystal dislocat

17、ion density: 3103個/cm2 位錯密度：3103個/cm2多晶硅太陽電池對硅材料的要求： Resistivity: 0.5cm3cm 電阻率：0.5cm3cm Carrier Lifetime 2ms 載流子壽命：2ms（體壽命）； Conductivity type: P 導電類型：P型 Oxygen conten：11018/cm3 氧含量：11018/cm3 Carbon conten：51016/cm3 碳含量：51016/cm3 Total area of micro crystal (crystal transverse dimension less than 0.

18、1 mm) large than 2cm2. 微晶體（晶粒橫向線徑小于0.1mm）的總面積大于2cm2（雪花片）。 硅材料的純度： 99.9999%（6個9）晶體硅太陽能電池的制造工藝流程：清洗腐蝕表面制絨擴散制結去磷硅玻璃制減反射膜（PECVD）絲網印刷柵線鋁背場燒 結檢 測等離子刻蝕單體太陽能電池電性能指標： 目前行業(yè)制造標準單體太陽能電池片的開路電壓（Voc）約為0.61V， 最大工作電壓Vmp約為0.490.50V，不同廠略有微差,即： Voc 0.61V Vm 0.49V 短路電流（Isc)和最佳工作電流的大小取決于電池片的單片功率，單片功率大小取決于電池片的有效面積，即電池片的單片

19、功率和有效面積、最佳工作電流、短路電流成正比。晶體硅光伏組件的制造工藝流程劃片選片安裝接線盒單片焊接安裝邊框單片串接自動焊接拼接疊層層壓高壓（絕緣）測試電性能測試清理 包裝玻璃清洗 EVA/TPT/匯流條準備 中間檢測互連條準備劃片機劃片機在做小組件時使用，將大的電池片割成小片。劃片時注意電池片的正極向上，激光切割深度為電池片的厚度的2/3，然后用手掰開。如果割透，造成電池片正負極短路?；ヂ?lián)條和匯流條的準備將整卷或者整盤的互聯(lián)條和匯流條裁剪成需要的尺寸，方便與焊接和層疊工序使用。材料的裁剪將整卷的EVA、TPT/TPE裁成需要的大小。紅外加熱自動焊接機手工焊接焊接分為兩段：單焊和串焊 合理使用

20、加熱板對電池片預熱可以有效降低破片。選用焊臺需要合理，功率越大則焊接溫度越穩(wěn)定。 層疊測試鋪設臺將焊接好的電池串和鋼化玻璃、EVA、TPT等材料按照順序疊加在一塊，為層壓機做準備，并測試電壓判斷組件是否存在極性錯誤、焊接不良的缺陷，及時發(fā)現改正。中間檢驗將組件放在上面，下面打燈光，通過鏡子反射觀察是否有雜物、排列是否整齊、虛焊等問題。及時發(fā)現解決，避免層壓后的不良上升。全自動層壓機半自動層壓機 層壓機的結構：層壓過程中組件溫度的變化趨勢：層壓工藝裝框設備第一種方式：螺釘固定裝框設備第二種方式：45度撞擊鉚接固定太陽能模擬器下打光式太陽能模擬器側打光式 絕緣電阻測試直流1000 V加上兩倍系統(tǒng)最

21、大開路電壓，持續(xù)1 min。如果組件面積小于0.1 m2，其絕緣電阻不小于400 M；在500V或最大系統(tǒng)電壓下，如果組件面積大于0.1 m2，其絕緣電阻乘以組件面積不小于40 Mm2，或許更大。 晶體硅光伏組件封裝材料鋼化玻璃 太陽能組件用鋼化玻璃按結構分為平板鋼化玻璃和絨面鋼化玻璃；共同的特點是比較結實，但應力較大，分布于玻璃邊沿和角上，因此當邊沿和角上遇到外力時易碎。平板鋼化玻璃：透光性好，玻璃本身易產生折射，聚光性 不好。絨面鋼化玻璃：透光性較好；表面呈倒金字塔結構，玻璃 層內部對光線進行二次折射，聚光性好。透光率：90% 含鐵量： 0.02%主要廠家：澳大利亞皮爾金頓 法國圣戈班晶體

22、硅光伏組件封裝材料EVA EVA是乙烯醋酸乙烯脂共聚物,在較寬的溫度范圍內具有良好的柔軟性、耐沖擊強度、耐環(huán)境應力開裂性和良好的光學性能、耐低溫及無毒的特性。 EVA膠膜是一種熱固性的膜狀熱熔膠，常溫下不發(fā)粘，通過對電池組件熱壓發(fā)生熱交聯(lián)固化，使其粘接增強，冷卻后即產生永久性的粘合密封。有快速固化和慢固化兩種。德國：Etimex Vista solar 485 日本三井：Sanvic、Hi-Sheet美國：Str國產：杭州福斯特、諸暨楓華膠膜、浙江化工研究院、深圳斯威克晶體硅光伏組件封裝材料TPT背板材料 TPT是由TEDLAR和PET的粘合物，TEDLAR是聚氟乙烯薄膜，其中的碳氟共價鍵遠比

23、其它聚合物中的化學鍵要強，所以TEDLAR對日照、化學溶劑、酸堿腐蝕、濕氣和氧化作用的抵抗力和耐久性提高顯著。 生產和加工過程中，TEDLAR 朝橫向和縱向伸展，從而形成分子晶格，大大提高了它的物理性能。TEDLAR的抗磨損能力、防濕氣滲透能力和延展能力因而可以提高至一倍。 TEDLAR 中不含可塑劑，顏色持久穩(wěn)定、抗漂白劑、防止粉化和真菌生長。其表面斥力大，可以防止灰塵玷污，容易清洗維護。而且，既便是最強的洗滌劑也不會損壞TEDLAR 薄膜。晶體硅光伏組件封裝材料TPT背板材料 從零下70度到110度，TEDLAR 均可保證優(yōu)異的性能，瞬間溫度峰值最高到200度亦不會對其造成破壞。 TEDL

24、AR只有美國杜邦公司生產。 PET是聚酯薄膜，絕緣性能良好 常用的 TPT厚度有兩種：0.17mm、0.35mm。 標準：IEC60664 廠家：奧地利 Isovolta 德國 Kermpel 意大利 美國 3M BBF晶體硅光伏組件封裝材料： 互聯(lián)帶、匯流帶： 互聯(lián)帶是用來串接電池單片，匯流帶是用來串接電池串。它們的材質是銅帶上面涂錫，所以又叫涂錫銅帶。除過厚度、寬度尺寸不同外其它沒有太大的區(qū)別；它們的成分有含鉛和無鉛之別兩種。 在選擇互聯(lián)帶和匯流帶時要考慮截面積的大?。娮瑁﹄姵亟M件輸出功率及組件使用壽命的影響，根據實際情況選擇合理的規(guī)格。 接線盒是組件內部出線和外部連接的中間核心連接部

25、件，其材料由ABS/PPO工程塑料（一般采用美國通用戶外工程塑料）制成，具有防老化和抗紫外輻射功能；接線盒一般包括盒體、盒蓋、接線端子、旁路二極管、防水接頭、光伏連接器、密封圈等部分組成。接線盒的選擇要注意以下問題： 1、防水接頭的鎖緊密封情況； 2、整個接線盒的密封防水、防潮、防塵情況； 3、導線連接處的鎖緊情況； 4、接線盒的制作選材的阻燃等級、耐候性和抗紫外照射情況。 晶體硅光伏組件封裝材料： 接線盒：晶體硅光伏組件封裝材料接線盒的性能晶體硅光伏組件封裝材料 工作電壓DC1000V工作電流20A、30A安全等級Class 溫度范圍-40+85防護等級IP 65連接器防護等級IP 68接觸

26、電阻5m電纜線徑2.5,4,6mm2彈性端子材料銅鋅合金表面鍍銀外轂材料PPO符合最新版本的IEC61215,IEC61646,IEC61730 TUV 2Pfg 1161,1162阻燃等級UL94-V01. 常見的連接方式有焊接和夾緊式端子兩種。焊接的優(yōu)點是可靠，夾緊式的優(yōu)點是操作方便，但對夾緊式有以下要求： 端子進行5次操作后，不應出現明顯的性能降低現象或損傷，如金屬件變形、夾緊力明顯降低，端子變形，絕緣損壞等；端子在盒體內有適當的固定方式，避免自由移動現象發(fā)生；夾緊方式不能損傷匯流條（如剪刀式、鋸齒式等）。 匯流條與接線端子能承受20N以上持續(xù)1min的拉力試驗而不從連接端子中拉脫。2.

27、 電纜與盒內端子的連接按照相應的應用標準如IEC 60998、 IEC 60999、 IEC 60947等。對于截面積為4mm2 的電纜，應能承受60N一分鐘的拉力。3. 采用標準電纜防水接頭（M12，M16）應符合EN 50262標準：密封IP54以上；抗拉（M12）100N，25次，每次1秒，位移不能大于2mm；抗轉（M12），0.35Nm，1min，沒用明顯的轉動。 試驗在松開電纜導體與盒體內端子連接的情況下進行。 電纜在接線盒內能保持正常狀態(tài)，避免過度的彎曲、拉伸及扭曲。4. 外殼材料的抗紫外線試驗，按照ISO4892-2方法A進行，輻射強度500W/m2，波長290800nm，標準黑

28、板溫度65，相對濕度65%，每間隔102分鐘噴水18分鐘，持續(xù)500小時。試驗結束后，接線盒的各部分不應出現裂痕或龜裂現象。5. 機械強度試驗：被試樣品置于-40 的環(huán)境中5小時后立即進行沖擊試驗，沖擊錘重量0.25kg，下落高度0.5m。每個樣品試驗4次。6. 其它試驗項目主要有絕緣材料的耐熱、耐火以及抗漏電起痕PTI值（大于250V）。晶體硅光伏組件封裝材料接線盒 組件安裝鋁合金邊框的目的是為了保護組件，同時方便安裝。由于組件的使用壽命較長故而對邊框有著很高的要求，目前太陽能組件邊框一般多采用建筑鋁合金型材，基材牌號6063/6063T。為了適應組件安裝環(huán)境氣候條件的惡劣，鋁合金邊框的表面

29、需要進行氧極氧化處理，氧化層厚度不宜過薄，且邊框要根據組件規(guī)格的大小綜合考慮抗風壓強以及組件散熱等因素合理選擇邊框。 目前國內外多數廠家在加工邊框時的割斷面沒有氧化層，給組件在潮濕以及有鹽、酸腐蝕的使用場合下的壽命埋下隱患。 常見的鋁合金邊框的結構有兩種方式，一種是靠螺釘固定，另一種是利用角鍵連接。晶體硅光伏組件封裝材料： 鋁合金邊框：晶體硅光伏組件封裝材料鋁邊框晶體硅光伏組件封裝材料鋁邊框 道康寧7091，732，734用于密封鋁邊框、接線盒。常溫下330分鐘表面固化、拉伸強度2.0MPa、延伸率200，耐候性能優(yōu)越 AB混合膠，固化速度快，生產效率高晶體硅光伏組件封裝材料硅橡膠：太陽能電池的應用近年來，太陽能發(fā)電在很多行業(yè)得到應用：空間應用通訊氣象獨立的電站并網發(fā)電戶用系統(tǒng)輸油管道陰極保護城市路燈、交通信號燈庭院燈、草坪燈控制器交流節(jié)能燈蓄電池12Vdc彩色電視機太陽電池方陣逆變器 220Vac典型光伏系統(tǒng)示意圖空間應用石油管道陰極保護氣象應用太陽能路燈交通信號燈戶用電源系統(tǒng)太陽能燈具相關的國際、國家標準IEC61215-2005IEC61853IEC61730IEC61646UL1703GB95