电池组件生产原理与工艺.ppt
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1、太阳电池组件生产原理与工艺培训讲义 2009年12月4日,内容纲要 太阳电池组件的用途电池组件的生产原理太阳电池组件的类型太阳电池组件的生产工艺,太阳电池组件的用途,一、什么是太阳电池组件二、太阳电池组件的应用范围并网光伏系统工程上的应用独立光伏系统工程的应用:独立户用系统和太阳能路灯等光伏与建筑相结合(BIPV),是将太阳光能直接转变为直流电能的光伏发电装置。具有封装及内部联结的能单独提供直流电输出的最小可分割的太阳电池组合装置。,根据用户对功率和电压的不同要求制成的太阳电池组件可单个使用,也可以由数个太阳电池组件经过串联(以满足电压要求)和并联(以满足电流要求)形成供电方阵提供更大的电功率
2、。,什么是太阳电池组件,德国莱比锡地面5MW太阳能电站,并网光伏系统工程上的应用,德国巴伐利亚太阳公园6.3MW太阳能发电站,并网光伏系统工程上的应用,并网光伏系统工程上的应用,深圳园博会屋顶太阳能电源,屋顶并网光伏系统,并网型光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池,而将电网作为自己的储能单元。,并网光伏系统工程上的应用,独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置,它主要用于无电网的边远地区及人口分散地区。,独立光伏系统工程上的应用,微波中继站太阳能电源,光纤通讯太阳能电源,天然气输送管道太阳能阴极保护电源,光伏与建筑结合(BIPV),该光伏玻璃幕墙结构在建筑上的应用,不仅达到了传统幕墙的功能
3、,更具备光伏发电特性,是一种节能、环保的建材。,产品特点:美观,采光性好有效利用闲娱场所可作为墙壁材料、屋顶材料直接使用便于施工,如何生产优质的太阳电池组件,刚才已经介绍了太阳电池组件的主要用途,太阳电池组件的主要作用就是将太阳能转换电能,太阳电池组件是一种节能环保产品,在实际的应用中必须有足够长的使用寿命才能够体现出节能环保的价值,一般我们对客户承诺我们的产品的使用寿命至少为25年,为了保证太阳电池组件的使用寿命和产品性能,我们应该主要做好以下几个方面的工作:一、采用合格优质的原材料二、合理的生产工艺三、专业的员工及严谨的工作作风,由于太阳电池本身易破碎、易被腐蚀,若直接暴露在大气中,光电转
4、化效率会由于潮湿、灰尘、酸雨等的影响而下降,以至损坏失效。因此,太阳电池一般都必须通过胶封、层压等方式封装成平板式构造再投入使用。其中以真空层压封装的方法用得最为普遍,即将太阳电池片的正面和背面各用一层透明、耐老化、粘结性好的热熔性EVA(乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物胶膜)包封,采用透过率高、耐冲击的钢化低铁玻璃做上盖板,用耐湿抗酸的Tedlar复合薄膜(聚氟乙烯复合膜)或玻璃等其它材料做背板,通过真空层压工艺使EVA胶膜将电池片、正面盖板和背板粘合为一个整体,从而构成一个实用的太阳电池发电器件,一般称为太阳电池组件,俗称太阳电池板。,太电池组件为什么要封装呢?,太阳电池组件的原材料,太阳电池(电
5、池片):它的作用是将太阳能转换为电能,是太阳电池组件中的核心器件。钢化玻璃:EVA背板铝边框硅胶接线盒镀锡铜带,是具有光电效应的半导体器件,具有正负极并能把太阳辐射能转换成电能的最小太阳电池单元。,单晶硅太电池片,25,太阳电池,太阳电池,太阳组件对 阳电池的要求 确保每个组件所用电池单片的电性能一致性良好,一般组件的电性能是通过单片的串联来实现的,每个组件所用到的单片都必须确保它们有高度的电性能一致性,否则将对成品组件的电性能造成较大的影响。在组件制造时,要对电池片性能进行分选,不允许将电性能差异较大的电池片串联在同一块组件中。太阳电池的电性能参数 太阳能电池的电性能主要有以下的几个参数:开
6、路电压Voc 短路电流Isc 最大功率点电压Vm 最大功率点电流Im 最大功率Pm;Pm Vm Im 填充因子FF;FF Pm/(Voc Isc)转换效率 串联电阻Rs;并联电阻Rsh;,20,图所示为太阳电池的电路模型蓝色虚线内表示太阳电池的等效电路,IL光生电流ID 二极管饱和暗电流RSH 并联电阻RS 串联电阻,太阳电池,太阳电池的电路特性,太阳电池发电基本原理,太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的 过程,通常叫做“光生伏打效应”,太阳电池就是利用这种效应制成的。,光生伏打原理,太阳电池,当太阳光照射到半导体上时,其中一部分被表面反射掉,其余部分被半导体吸 收或
7、透过。被吸收的光,当然有一些变成热,另一些光子则同组成半导体的原 子价电子碰撞,于是产生电子空穴对。这样,光能就以产生电子空穴对的 形式转变为电能、如果半导体内存在Pn结,则在P型和n型交界面两边形成 势垒电场,能将电子驱向n区,空穴驱向P区,从而使得n区有过剩的电子,P区 有过剩的空穴,在Pn结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场 的一部分除抵销势垒电场外,还使P型层带正电,n型层带负电,在n区与p区之 间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线,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,就能产生一定的电压和电流,输
8、出功率。,制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种,因此太阳电池的种类也很多。目前,技术最 成熟,并具有商业价值的太阳电池要算硅太 阳电池。,太阳电池,硅片3,太阳电池4,太阳电池组件5,硅棒2,晶体硅太阳能电池片 基本元件,高纯硅材料1,太阳电池,太阳电池的输出曲线,电流,电压,IscIm,Vm Voc,0,I,V,M,A,1/Rm,Pm为最大输出功率:Pm=ImVm评价太阳电池输出特性的另一重要参数是填充因子FF定义为最大输出功率与(ISC.Voc)之比:FF=PmVocIsc=VmImVocIsc,太阳电池的电学特性,1、太阳电池的极性 太阳电池为n+p型,当太阳电池接受阳光照射时,太阳能
9、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。当太阳电池作为电源与外电路连接时,太阳电池在正向状态下工作。当太阳电池与其他电源联合使用时,如果外电源的正极与太阳电池的P电极连接,负极与太阳电池的N极连接,则外电源向太阳电池提供正向偏压:如果外电源的正极与太阳电池的N极连接,负极与太阳电池的P极连接,则外电源向太阳电池提供反向偏压。,太阳电池的电学特性,2、太阳电池的I-V(电流-电压)特性 太阳电池的的等效电路如图1所示,RL为外接负载。Rs为串联电阻,由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅片间的接触电阻所组成。RSH为并联电阻(又称旁漏电阻),由硅片边缘的漏电阻、电极的漏
10、电阻或体内的缺陷引起。ID为通过PN结的总扩散电流,与Isc方向相反,又称为二极管反向电流(或饱和暗电流)。,图1太阳电池的的等效电路,太阳电池的电学特性,当RL为0时,所测的电流为电池的短路电流ISC,即太阳电池存标准光强照射下,输出端短路时,流过太阳电池两端的电流。短路电流与太阳电池面积大小有关,面积越大,短路电流越大。般而言,1cm2多晶硅太阳电池的ISC约为32mA左右。对于单晶硅太阳电池由于表面金字塔绒面的效果,1cm2太阳电池的ISC约为34mA左右。同一块太阳电池,ISC与入射光的辐照度成正比;当环境温度升高时,ISC略有上升,一股温度每升高1度,ISC约上升0.1。理想的太阳电
11、池,RS很小,RSH很大。由于Rs和RSH分别为串联和并联在电路中,所以在进行理想电路计算时,可以忽略不计。此时,流过负载的电流为:IL=ISC-ID 理想的PN结特性曲线方程为:,太阳电池的电学特性,式中,Io为电池在无光照时的饱和暗电流,q为电子电荷,K为玻尔兹曼常数,A为二极管的品质因子。当RL无穷大时,所测电压为电池的开路电压Voc,即太阳电池在标准光强照射下,两端开路时,太阳电池的输出电压。太阳电池的开路电压与光谱辐照度和材料特性有关,与电池面积大小无关。在标准太阳光谱辐照度下,晶体硅太阳电池的开路电压在600mV左右。当入射光谱辐照度变化时,太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数
12、成正比;环境温度每上升1,Voc约下降2mV。,太阳电池的电学特性,当RL从零变到无穷大时,即可画出图示太阳电池的负载特性曲线。曲线上的任一点部为工作点调节负载RL到某一值Rm时,在曲线上得到一点M,得到的工作电流和工作电压之积为最大,此时对应的Pm为最大输出功率:Pm=ImVmImp为最大工作点电流,Vmp为最大工作点电压。最大工作点与原点的连线称为负载线负载线斜率的倒数即为RL。评价太阳电池输出特性的另一重要参数是填充因子FF定义为最大输出功率与(ISC Voc)之比:FF=PmVocIsc=VmImVocIsc 在定光强下,FF愈大,曲线愈方,输出功率愈高。FF与入射光强、反向饱和暗电流
13、、A因子、串联、并联电阻密切相关。,太阳电池的电学特性,3、太阳电池的转换效率 太阳电池的转换效率用表示,即太阳电池最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率之比。太阳电池的转换效率与太阳电池的结构、PN结特性、材料性质、电池的工作温度和环境变化等因素有关。4、太阳电池的弱光效应 地面用太阳电池主要工作在地球表面晴天的太阳辐照度(600-1000W/m2),但有的用户比较关心太阳电池的暗特性,即太阳电池的弱光效应。所谓太阳电池的弱光效应即太阳电池在太阳辐照光谱保持AMl5不变的情况下,太阳光强在10Wm2以下的情况。,太阳电池的电学特性,在太阳电池内部产生的电能中,有一部分通过电池的漏电流而损失
14、。原则上讲,漏电流由两部分组成,即饱和暗电流和流过Rsh的电流。从数量级上讲,饱和暗电流的大小在1011A/cm2左右,可忽略不计。因Rsh此的大小决定了漏电流的大小。要提高弱光下太阳电池的开路电压,最重要的是提高太阳电池的并联电阻。经过对材料、工艺不断的研究和优化,采用氢钝化的方法降低了晶粒间界复合中心的作用,生产出与单晶硅电池效率相近的多晶硅太阳电池。,太阳电池类型,单晶硅太阳电池以单晶硅为基体材料的太阳电池多晶硅太阳电池以多晶硅为基体材料的太阳电池化合物半导体太阳电池指由两种或两种以上元素组成具有半导体特性 的化合物半导体材料制成的太阳能电池。如硒铟铜太阳电池、镝化镉太阳电池、硫化镉太阳
15、电池、砷化镓太阳电池等。薄膜太阳电池指用单质元素、无机化合物或者有机材料等制成的薄膜为基体材料的太阳能电池。如非晶硅薄膜太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池等。,薄膜太阳电池,钢化玻璃,厚度3.2mm0.3mm;钢化性能符合国标:GB9963-88,或者封装后的组件抗冲击性能达到国标GB9535-88地面用硅阳电池组件环境实验方法中规定的性能指标;一般情况下,透光率应高于91%;玻璃要清洁无气泡、不得裸手接触玻璃两表面。采用低铁钢化绒面玻璃(又称为超白玻璃),厚度3.2mm,在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm)透光率达91%以上,对于大于1200nm 的红外光有较高的反射率。此玻璃同
16、时耐太阳紫外光线的辐射,透光率不下降。,钢化玻璃,晶体硅太阳电池封材料是EVA,它乙烯与醋酸乙烯脂的共聚物。EVA是一种 热融胶粘剂,常温下无粘性而具抗粘性,以便操作,经过一定条件热压便发生熔融粘接与交联固化,并变的完全透明,长期的实践证明:它在太阳电池封装与户外使用均获得相当满意的效果。固化后的EVA 能承受大气变化且具有弹性,它将晶体硅片组“上盖下垫”,将硅晶片组包封,并和上层保护材料玻璃,下层保护材料TPT(聚氟乙烯复合膜),利用真空层压技术粘合为一体。另一方面,它和玻璃粘合后能提高玻璃的透光率,起着增透的作用,并对太阳电池组件的输出有增益作用。,EVA,TPT(聚氟乙烯复合膜),用在组
17、件背面,作为背面保护封装材料。TPT必须保持清洁,不得沾污或受潮,特别是内层不得用手指直接接触,以免影响EVA的粘接强度。太阳电池的背面覆盖物氟塑料膜为白色,对阳光起反射作用,因此对组件的效率略有提高,并因其具有较高的红外发射率,还可降低组件的工作温度,也有利于提高组件的效率。当然,此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。1、增强组件的抗渗性。2、对于白色背板TPT,还有一种效果就是对入射到组件内部的光进行散射,提高组件吸收光的效率。,背板(TPT),因为钢化玻璃的边和角是脆弱的,为了保护组件,也是为了便于安装,组件需要边框。我们公司采用的是铝合金边框。我司
18、采用的铝型材边框常见的型号有23,30,35,50的型材。,铝合金边框,密封胶主要用作太阳能光伏组件铝框的密封及接线盒与TPT/TPE 背膜的粘接密封。常用密封胶的使用工艺如下:1、清洁表面:将被粘或被涂覆物表面清理干净,并除去锈迹、灰尘和油污等。2、施胶:削开胶管盖帽,将胶液挤到已清理干净的表面,使之分布均匀,将被粘面合拢固定。3、固化:将被粘好或密封好的部件置于空气中让其自然固化。,密封胶,组件电池的正,负极从TPT引出后需要一个专门的电气盒来实现与负载的连接运行,这个电气盒我们称之为接线盒。常有的接线盒有GZX0502,GZX0503,GZX0602等。接线盒的作用:1.电极引出后一般仅
19、为几条镀锡条,不方便与负载之间的电气连接,需要将电极焊接或卡接在成型的便于使用的电接口上。2.引出电极时密封性能被破坏,这时需涂硅胶弥补,接线盒同时起到了增加连接强度,美观的作用。3.通过接线盒内的电导线引出了电源正负极,避免了电极与外界直接接触老化。,接线盒,组件中电池的串并联的电气连接是通过镀锡铜带来连接的。对镀锡铜带的要求:1.铜带要有良好的电导率 2.具备很好的可焊性,镀锡铜带,太阳电池组件类型,太阳电池组件种类繁多,根据太阳电池片的类型可分为:单晶硅组件、多晶硅组件、砷化镓组件、非晶硅薄膜电池组件等等,其中晶体硅(包括单晶硅与多晶硅)电池组件约占市场的90以上。封装材料与工艺也不尽相
20、同,主要分为:环氧树脂胶封、层压封装、硅胶封装等。目前用得最多的是真空层压封装方式,因为这种封装方式适宜于大面积电池片的工业化封装。同类太阳电池组件根据峰值功率、额定电压又可以分为不同型号。单个组件的功率从几分之一瓦到几百瓦,电压从零点几伏到几十伏甚至几百伏不等。,42,工艺流程图,单焊,串焊,叠层,层压,装框,清洗,电池片分选,检查,合格,返修,不合格,检查,合格,返修,测试,打包,合格,返修,不合格,裁剪,43,一、准备工作 1.按要求穿戴好工作服,帽子(长头发的必须将头发盘在帽 子内),手套,口罩,需要接 触电池片的手指戴好指套,防止手汗、油脂等接触到电池片表面 2.整理、清洁工作台面,
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