任務(wù)2.2 太陽能電池的制造與工藝

【任務(wù)目標(biāo)】

（1）了解太陽能電池、光伏組件的分類。

（2）了解光伏組件的制作工序。

（3）能識別太陽能電池片、光伏組件的基本結(jié)構(gòu)。

（4）能對太陽能電池片、光伏組件進(jìn)行檢測。

【相關(guān)知識】

2.2.1 太陽能電池的分類

1.硅太陽能電池

目前，硅太陽能電池是太陽能光伏發(fā)電裝置中應(yīng)用最成熟、最廣泛的太陽能電池材料，占光伏產(chǎn)業(yè)的85%以上。按照硅材料的晶體結(jié)構(gòu)不同，可將硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。

（1）單晶硅太陽能電池。單晶硅是晶格取向基本完全相同的晶體，如圖2.14所示。它具有金剛石晶格，晶體硬而脆，有金屬光澤，能導(dǎo)電，但導(dǎo)電率不及金屬，且隨著溫度的升高而增加，是一種良好的半導(dǎo)體材料。

單晶硅太陽能電池制造過程花費(fèi)成本高，所以單晶硅價格昂貴。為了節(jié)省高質(zhì)量材料，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽能電池，其中多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表。

圖2.14 單晶硅太陽能電池

（2）多晶硅太陽能電池。多晶硅太陽能電池產(chǎn)量基本上與單晶硅電池相當(dāng)，甚至更大，是光伏電池市場主要產(chǎn)品之一。與單晶硅電池相比，多晶硅價格較低，商用多晶硅電池組件轉(zhuǎn)換效率一般為12%～14%，目前已制出轉(zhuǎn)換效率達(dá)17%～19.8%的多晶硅。

多晶硅具有灰色金屬光澤，如圖2.15所示，具有半導(dǎo)體性質(zhì)，是極為重要的優(yōu)良半導(dǎo)體材料，但微量的雜質(zhì)即可大大影響其導(dǎo)電性。

（3）非晶硅太陽能電池。非晶硅電池價格低廉，易形成大規(guī)模生產(chǎn)，但光電轉(zhuǎn)換效率低，穩(wěn)定性不如晶體硅，如圖2.16所示。

非晶硅太陽能電池選用四氫化硅（SiH₄）為材料，雖然該材料吸光效果和光導(dǎo)效果很好，但其結(jié)晶構(gòu)造比多晶硅差，懸浮鍵較多，自由電子與空穴復(fù)合的速率非常快；結(jié)晶構(gòu)造的不規(guī)則阻礙了電子、空穴移動，使得擴(kuò)散范圍變窄，所以電池的效率低且隨時間衰減。廣泛應(yīng)用于小功率市場，如太陽能發(fā)電系統(tǒng)、太陽能照明燈具、太陽能手機(jī)充電器、汽車太陽能換氣扇、汽車電池充電器、太陽能草坪燈等。

圖2.15 多晶硅太陽能電池

圖2.16 非晶硅太陽能電池

2.多元化合物薄膜太陽能電池

多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵Ⅲ-Ⅴ族化合物、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒薄膜電池等。由于化合物半導(dǎo)體或多或少有毒性，容易造成環(huán)境污染，因此產(chǎn)量少，常使用在一些特殊場合。

砷化鎵Ⅲ-Ⅴ化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，砷化鎵化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強(qiáng)，對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是砷化鎵材料的價格昂貴，因而在很大程度上限制了砷化鎵電池的應(yīng)用。砷化鎵異質(zhì)面太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖2.17所示。

圖2.17 砷化鎵異質(zhì)面太陽能電池的結(jié)構(gòu)

銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退效應(yīng)的問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此這類電池的發(fā)展又必然受到限制。

3.有機(jī)化合物太陽能電池

有機(jī)太陽能電池以有光敏性質(zhì)的有機(jī)物作為半導(dǎo)體材料，以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形成電流。有機(jī)太陽能電池按照半導(dǎo)體的材料可以分為單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、PN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和染料敏化納米晶結(jié)構(gòu)。

根據(jù)有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)目前市場上的有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高只有10%，這是制約其全面推廣的主要問題。

4.敏化納米晶太陽能電池

敏化納米晶太陽能電池實(shí)際上是一種光電化學(xué)電池。納米晶TiO₂太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽能電池的1/10～1/5，壽命能達(dá)到20年以上。但此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計不久的將來會逐步走上市場。

5.聚合物多層修飾電極型太陽能電池

以有機(jī)聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料具有柔性好、制作容易、材料來源廣泛、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要的意義。以有機(jī)材料制備的太陽能電池，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究和探索。

圖2.18 各類太陽能電池轉(zhuǎn)換效率

各類太陽能電池轉(zhuǎn)換效率如圖2.18所示。

2.2.2 太陽能電池的生產(chǎn)工藝

常規(guī)太陽能電池生產(chǎn)工藝流程框圖如圖2.19所示。

圖2.19 常規(guī)太陽能電池生產(chǎn)工藝流程框圖

1.硅片的加工

硅片的加工是將硅錠經(jīng)表面整形、定向、切割、研磨、腐蝕、拋光、清洗等工藝，加工成具有一定直徑、厚度、晶向、高度、表面平行度、平整度、粗糙度，表面無缺陷、無崩邊、無損傷層，高度完整、均勻、光潔的鏡面硅片。硅片加工的一般工藝流程如圖2.20所示。

2.硅太陽能電池的生產(chǎn)工藝

通過上述方法生產(chǎn)出來的硅片，還必須經(jīng)過以下工藝流程才能制成產(chǎn)生光伏效應(yīng)的電池片。

圖2.20 硅片的加工工藝流程

（1）硅片的選擇。硅片的選擇就是把性能一致的硅片選擇出來，若將性能不同的硅片組合起來形成單體太陽能電池，其輸出功率就會降低。硅片的主要性能有硅材料的導(dǎo)電類型、電阻率、晶向、位錯、壽命等。

（2）硅片的表面處理。硅錠在切割成硅片的過程中，表面必定受到不同程度的污染，有油污、金屬和塵埃等，混雜地附著在硅片表面，同時硅片表面留下切割制成的機(jī)械損傷。硅片的表面處理包括表面清洗和表面拋光。表面清洗是為了除去沾污在硅片上的各種雜質(zhì)，拋光的目的是為了除去硅片表面的切割損傷，獲得適合制結(jié)要求的硅表面。制結(jié)前硅片表面的性能和狀態(tài)，直接影響結(jié)的特性，從而影響成品電池的性能，因此硅片的表面處理是電池生產(chǎn)制造工藝流程的重要工序。

1）表面清洗。表面清洗就是采用化學(xué)清洗劑去除各種雜質(zhì)。常用的化學(xué)清洗劑有離子水、有機(jī)溶劑（如甲苯、二甲苯、丙酮、三氯乙烯、四氯化碳等）、濃酸、強(qiáng)堿以及高純中性洗滌劑等。清洗時將硅片盛裝在專用片籃中，浸泡在加熱至100℃的洗滌液中進(jìn)行溢流超聲清洗。

2）表面拋光。切割后的硅片表面留有晶格高度扭曲層和較深的彈性變形層，通稱損傷層，其厚度大約為18～26μm。這些損傷層中具有無窮多個載流子復(fù)合中心，必須在硅片表面制作絨面之前徹底清除。常規(guī)單晶硅太陽能電池生產(chǎn)工藝，多采用化學(xué)腐蝕方法將粗糙的切割表面腐蝕掉30～50μm，得到一個平整光潔的硅片表面。拋光后的硅片，再用王水或酸性雙氧水清除殘存硅片表面的離子型或原子型雜質(zhì)。為了制作高效硅太陽能電池，一般不采用單純的化學(xué)腐蝕拋光方法，而是采用化學(xué)機(jī)械拋光方法，以便將硅表面加工成光亮平整的鏡面。

3）絨面制作。純凈硅片表面的陽光反射率很高，為了降低其表面反射率，將硅片表面結(jié)構(gòu)化，以增加表面對太陽輻射的吸收，也就是降低表面對太陽輻射的反射，在太陽能電池電池生產(chǎn)工藝中，將這個結(jié)構(gòu)化的硅片表面稱為絨面。

（3）擴(kuò)散制結(jié)。采用擴(kuò)散的方法制作PN結(jié)，稱為擴(kuò)散制結(jié)。PN結(jié)是晶體硅太陽能電池的核心部分，因此，擴(kuò)散制結(jié)是太陽能電池生產(chǎn)工藝中最關(guān)鍵的一道工序。

擴(kuò)散制結(jié)的方法很多，主要有熱擴(kuò)散法、離子注入法、薄膜生長法、合金法、激光法和高頻電注入法等。常規(guī)單晶硅太陽能電池的制結(jié)都采用熱擴(kuò)散法。

擴(kuò)散制結(jié)的工藝條件要求表面不產(chǎn)生“死層”，整個擴(kuò)散區(qū)都有負(fù)的雜質(zhì)濃度梯度，合適的表面雜質(zhì)濃度和均勻性，能滿足后續(xù)工序?qū)W姆接觸電極的制備。

（4）刻蝕去邊。硅片在擴(kuò)散制結(jié)過程中，其周邊表面也將同時形成擴(kuò)散層。這個擴(kuò)散層實(shí)際構(gòu)成了電池上、下電極之間的短路環(huán)，必須去除。目前的硅太陽能工業(yè)化生產(chǎn)中，都采用周邊刻蝕裝置，利用等離子體對擴(kuò)散后的電池片邊緣進(jìn)行干法刻蝕，去除周邊表面擴(kuò)散層。

去除背結(jié)的常用方法主要有化學(xué)腐蝕法、磨片法和絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)法等。

（5）制作減反射膜。通過絨面制作的硅片雖然可使入射光的反射率減少到10%以內(nèi)，但為了能夠更多地減少反射損失，一般還要在其表面鍍一層減反射膜。減反射膜又稱增透膜，主要功能是減少或消除表面的反射光，從而增加透光量。制作太陽能電池生產(chǎn)工藝多采用常壓化學(xué)氣相沉積二氧化鈦減反射膜。

（6）制作上、下電極。太陽能電池的電極就是在電池PN結(jié)兩端形成緊密接觸的連接導(dǎo)體，以接通電池的PN結(jié)，構(gòu)成可向外供電的電回路。通常將在電池受光面上的連接導(dǎo)體稱為上電極，而將制作在電池背面的連接導(dǎo)體稱為下電極或背電極，也稱底電極。上電極通常制成窄細(xì)的棚線狀，這有利于對光生電流的收集，并使電池有較大的受光面積。下電極則布滿全部或絕大部分電池的背面，以減小電池的串聯(lián)電阻。

制作太陽能電池電極的方法主要有真空蒸鍍法、化學(xué)鍍鎳法、絲網(wǎng)印刷燒結(jié)法等，所用金屬材料主要有鋁、鈦、銀、鎳等。真空蒸鍍法和化學(xué)鍍鎳法是制作太陽能電池電極的傳統(tǒng)工藝方法，具有生產(chǎn)工藝成本高、能耗大和不適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)等缺點(diǎn)，目前工業(yè)化生產(chǎn)中已不采用。

3.太陽能電池片的檢測

（1）電池片的電性能測試和分選。太陽能電池分選儀是專門用于電池片分選的設(shè)備，可記錄并顯示測試（U-I曲線、P曲線）曲線和測試參數(shù)（U_oc、I_sc、P_max、U_opt、I_opt、FF和E_FF）。

測試儀誤差不超過±0.01W，測量過程如下：①打開電源后，預(yù)熱2min，按下“量程”按鈕；②用標(biāo)準(zhǔn)電池片將各參數(shù)調(diào)到標(biāo)準(zhǔn)值；③把待測電池片有柵線的一面向上，放在測試臺上，調(diào)節(jié)銅電極位置使之恰好壓在電池片的主柵極上，踩下腳閥，開始測試。合格電池片按每0.05W為一個擋次放置。

（2）電池片表面特征。可使用電子顯微鏡觀察單晶硅和多晶硅電池片的表面特征，檢查電池片是否存在隱裂等缺陷。步驟如下：開啟顯微鏡→對光→放置→調(diào)距→調(diào)節(jié)物像→觀察等。

2.2.3 太陽能電池組件的結(jié)構(gòu)

1.晶體硅太陽能電池組件的結(jié)構(gòu)

晶體硅太陽能電池組件的典型封裝結(jié)構(gòu)如圖2.21所示。

圖2.21 太陽能電池的典型封裝結(jié)構(gòu)示意圖

1—鋁邊框；2—密封帶；3—玻璃；4—EVA；5—電池；6—背板

常規(guī)的太陽能電池組件結(jié)構(gòu)形式有下列幾種：玻璃殼體式結(jié)構(gòu)、底盒式組件、平板式組件、無蓋板的全膠密封組件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.22～圖2.25所示。目前還出現(xiàn)較新的雙面鋼化玻璃封裝組件。

圖2.22 玻璃殼體式太陽能電池組件示意圖

1—玻璃殼體；2—硅太陽能電池；3—互連條；4—黏結(jié)劑；5—襯底；6—下底板；7—邊框線；8—電極接線柱

圖2.23 底盒式太陽能電池組件示意圖

1—玻璃蓋板；2—硅太陽能電池；3—盒式下底板；4—黏結(jié)劑；5—襯底；6—固定絕緣膠；7—電極引線；8—互連條

圖2.24 平板式太陽能電池組件示意圖

1—邊框；2—邊框封裝膠；3—玻璃蓋板；4—黏結(jié)劑；5—下底板；6—硅太陽能電池；7—互連條；8—引線護(hù)套；9—電極引線

2.薄膜太陽能電池組件的結(jié)構(gòu)

薄膜光伏電池同晶體硅電池的封裝有些不同，襯底的類型不同，封裝的方式不同，半導(dǎo)體材料與襯底的相對位置不同將影響組件的結(jié)構(gòu)。對于使用非鋼化玻璃襯底的前壁型CdTe電池和大部分非晶硅電池，玻璃襯底可以作為上蓋板保護(hù)電池，背面可以使用任何類型的玻璃，如果有要求可以使用鋼化安全玻璃，如圖2.26所示。

圖2.25 全膠密封太陽能電池組件示意圖

1—硅太陽能電池；2—黏結(jié)劑；3—電極引線；4—下底板；5—互連條

圖2.26 非鋼化玻璃襯底的前壁型太陽能電池封裝結(jié)構(gòu)

1—非晶硅/CdTe電池；2—EVA；3—玻璃

對于使用非鋼化襯底的后壁型CIS電池和一部分非晶硅電池，需要在上加上蓋板，保護(hù)電池，如圖2.27所示。

圖2.27 非鋼化玻璃襯底的后壁型太陽能有電池封裝結(jié)構(gòu)

1—白玻璃；2—EVA；3—C1S電池

除了上面兩種結(jié)構(gòu)之外，如果使用其他類型的襯底，使用另外一種封裝方式，這種封裝方式有三層，對于前壁型和后壁型的薄膜光伏電池都適用，如圖2.28所示。

圖2.28 其他類型襯底的太陽能電池封裝結(jié)構(gòu)

1—白玻璃；2—非晶硅/CdTe/CIS；3—玻璃

3.光伏方陣的結(jié)構(gòu)

太陽能是一種低密度的平面能源，需要用大面積的太陽能電池方陣來采集。而太陽能電池組件的輸出電壓不高，需要用一定數(shù)量的太陽能電池組件經(jīng)過串并聯(lián)構(gòu)成方陣。一個光伏陣列包含兩個或兩個以上的光伏組件，具體需要多少個組件及如何連接組件與所需電壓（電流）及各個組件的參數(shù)有關(guān)，由系統(tǒng)設(shè)計確定。

平板式光伏方陣的結(jié)構(gòu)依用戶的需要而定。按電壓等級來分，獨(dú)立光伏系統(tǒng)電壓往往被設(shè)計成與蓄電池的標(biāo)稱電壓相對應(yīng)或是它們的整數(shù)倍，而且與用電設(shè)備的電壓等級一致，如220V、110V、48V、36V、24V、12V等。交流光伏供電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)方陣的電壓等級往往為110V或220V。對電壓等級更高的光伏電站系統(tǒng)，則常用多個方陣進(jìn)行串并聯(lián)，組合成與電網(wǎng)等級相同的電壓等級，如組合成600V、10kV等，再與電網(wǎng)連接。

圖2.29 太陽能電池方陣電氣連接圖

太陽能方陣除了需要支架將許多太陽能電池組件集合在一起以外，還需要電纜、阻塞二極管和旁路二極管對太陽能電池組件實(shí)行電氣連接，并需要配備專用的、內(nèi)裝避雷器的分接線箱和總接線箱。有時為了防止鳥糞沾污太陽能電池方陣表面而引起的熱斑效應(yīng)，還需在方陣頂上特別安裝驅(qū)鳥器。太陽能電池方陣的電氣連接圖如圖2.29所示。

在將太陽能電池組件進(jìn)行串并聯(lián)組裝成方陣時，應(yīng)參考太陽能電池串并聯(lián)所需要注意的原則，并應(yīng)特別注意如下各點(diǎn)：①串聯(lián)時需要工作電流相同的組件，并為每個組件并接旁路二極管；②并聯(lián)時需要工作電壓相同的組件，并在每一條并聯(lián)線路串接阻塞二極管（防反充二極管）；③盡量考慮組件互連接線最短的原則；④要嚴(yán)格防止個別性能變壞的太陽能電池組件混入太陽能電池方陣。

圖2.30為同樣64塊太陽能電池組件分別用4并8串方式組成的方陣，但有縱聯(lián)橫并和橫聯(lián)縱并兩種不同的電氣連接。在圖2.30中可以看到，當(dāng)遇到局部陰影時，圖2.30（a）中連接的總線電壓下降，輸出電池也大幅下降，系統(tǒng)有可能不能正常工作；而圖2.30（b）中連接的總線電壓可保持不變，雖然少了一組電流，但系統(tǒng)仍能正常工作。

2.2.4 太陽能電池組件的封裝材料及工藝流程

1.太陽能電池組件的封裝材料

組件工作壽命的長短和封裝材料、封裝工藝有很大的關(guān)系，在組件中封裝材料易被忽視，但在實(shí)用中是決不能被輕視的部件。

（1）上蓋板。上蓋板覆蓋在太陽能電池組件的正面，構(gòu)成組件的最外層，它既要透光率高，又要堅固，起到長期保護(hù)電池的作用。作上蓋板的材料：鋼化玻璃、聚丙烯酸類樹脂、氟化乙烯丙烯、透明聚酯、聚碳酸酯等。目前，低鐵鋼化玻璃是最為普遍的上蓋板材料。

（2）黏結(jié)劑。主要有室溫固化硅橡膠、氟化乙烯丙烯、聚乙烯醇縮丁醛、透明雙氧樹脂、聚醋酸乙烯等。一般要求：①在可見光范圍內(nèi)具有高透光性；②具有彈性；③具有良好的電絕緣性能；④能適用自動化的組件封裝。

圖2.30 太陽能電池組件方陣

（a）縱聯(lián)橫并；（b）橫聯(lián)縱并

（3）底板。一般為鋼化玻璃、鋁合金、有機(jī)玻璃、聚氟乙烯復(fù)合膜（TPT）等。目前較多應(yīng)用的是TPT復(fù)合膜，一般要求：①具有良好的耐氣候性能；②層壓溫度下不起任何變化；③與黏結(jié)材料結(jié)合牢固。

（4）邊框平板。組件必須有邊框，以保護(hù)組件和組件與方陣的連接固定。邊框?yàn)轲そY(jié)劑構(gòu)成對組件邊緣的密封，主要材料：不銹鋼、鋁合金、橡膠、增強(qiáng)塑料等。

2.晶體硅太陽能電池組件的封裝工藝流程

晶體硅太陽能電池組件制造主要是將晶體硅太陽能電池進(jìn)行單片互連、封裝，以保護(hù)電極接觸，防止互連線受到腐蝕，避免電池碎裂。封裝質(zhì)量直接影響晶體硅太陽能電池組件的使用壽命。其工藝流程如圖2.31所示。

圖2.31 晶體硅太陽能電池組件制造工藝流程圖

晶體硅太陽能電池組件制造工藝流程的各道工序表述如下：

（1）電池片分選。將性能相近的單體電池組合成組件，最大限度地降低串并聯(lián)損失，通常一片低功率的電池將會使整個組件的輸出功率降低。外觀分選是看顏色、柵線尺寸是否正常。

（2）單片焊接。將互連帶焊接在電池的負(fù)極上，要求焊接平直、牢固，用手沿45°左右方向輕提焊帶條不脫落，過高的焊接溫度和過長的時間會導(dǎo)致低的撕拉強(qiáng)度或電池碎裂。

（3）片間互連。將已焊接好的單片電池串接起來，并進(jìn)行電氣檢查，要求串接的電池片間距均勻、顏色一致。

（4）排版。在布紋水白玻璃上鋪一層EVA，然后將已焊接好的電池串用匯流帶連接起來，再鋪一層EVA及TPT塑料，再引進(jìn)電器檢查以后，待用。

（5）層壓封裝。將疊層好的電池組件放入真空熱壓密封機(jī)，要求層壓好的組件內(nèi)單片電池?zé)o碎裂、無裂紋、無明顯移位，在組件的邊緣和任何一部分電路之間的EVA均無氣泡或脫層通道，EVA膠聯(lián)度良好。

（6）裝框。將層壓好的電池組件進(jìn)行裝框，以便工程安裝。

（7）高壓測試。將組件引出線短路后接到高壓測試儀的正極，將組件暴露的金屬部分接到高壓測試儀的負(fù)極，以不大于500V/s的速率加壓，直到1000V，維持1min，如果開路電壓小于50V，則所加電壓為500V。

（8）性能檢測。按工藝標(biāo)準(zhǔn)檢測分選太陽能電池組件。

國際IEC標(biāo)準(zhǔn)測試條件為AM1.5、100MW/m²、25℃。要求檢測并列出以下參數(shù)：開路電壓、短路電流、工作電壓、工作電流、最大輸出功率、填充因子、光電轉(zhuǎn)換效率、串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻及Ⅰ-Ⅴ曲線等。

（9）裝接線盒。給已測好的電池組件安裝接線盒，以便電氣連接。

（10）貼標(biāo)牌。按測試分檔結(jié)果分貼標(biāo)牌后，光伏組件即可包裝入庫出售。

【任務(wù)實(shí)施】

（1）觀看太陽能電池片的生產(chǎn)工藝過程的相關(guān)視頻。

（2）現(xiàn)場參觀太陽能電池、光伏組件的生產(chǎn)工藝流程。