最基础的光伏封装过程-solarbe文库

资源描述：

最基础的光伏封装过程第一章硅片（电池片）一、太阳能电池片的构造和分类1. 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应2. 太阳能电池片又分为晶体硅电池（又分为单晶硅和多晶硅）、非晶硅薄膜电池、化学太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池等。晶体硅太阳能电池主要基材为硅（又称为硅片），它对硅原料的纯度要求特别高，纯度要达到 99.99999以上，电池片的生产过程必须是在无尘车间生产的。3. 硅片制作过程生产过程可分为五个步骤 a 提纯过程 b 拉棒过程 c 切片过程 d 表面印刷电池过程 e 封装过程 . 单晶硅制作过程①提纯 ②拉棒（硅柱） ③打磨（修边）④切片（一般厚度为 0.2-0.4mm ） ⑤印刷精配好的银浆印在硅片上做成栅线（细栅线收集阳光，将光能汇集到主栅线上，再通过互联条导出电流、电压。），并在有栅线的表面涂覆一层减反射膜，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。同时经过烧结制成背电极，电池片的主栅线是银硅合金和银铝合金结。多晶硅制作过程基本同单晶硅制作过程（不同点②），单晶硅是拉棒多晶硅是硅锭然后切方。4. 单晶硅与多晶硅的区别1 ）制作过程单晶硅拉棒多晶硅硅锭2 ）形状由于制作过程的不同所以硅片的形状也有所不同。单晶呈圆状，多晶为四方形。3）转换效率硅系列太阳能电池中，由于技术最为成熟，单晶硅大阳能电池转换效率最高。单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的，现在单晶硅的电池的转换效率可达到 19.79以上。但是单晶硅片从提拉的硅棒上锯割打磨而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从 70 年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。目前效率达 16.42以上。单晶硅的成本要大大高于多晶硅。4）颜色单晶硅表面颜色比较单一，一般颜色为黑色，深蓝、浅蓝和褐色。层压后颜色加重多为黑色。多晶硅表面有可视硅纹（晶向）颜色一般为深蓝、蓝色、褐色和淡紫色。层压后比层压前颜色稍深但变化不会太大。二、太阳能的发电原理和性能参数的关系1. 太阳能发电原理1）为获取需要的材料，人们将某种杂质加到半导体材料中的过程叫掺杂。2）把 5 个价电子磷掺杂到纯净的硅晶格后，多出 1 个自由电子、约 0.04eV 的能量，从而产生电子导电运动，同时磷原子缺少 1个电子而变成带正电的磷离子，由于磷离子在晶体中起放电作用，所以把 5 价磷称为施主型杂质，也叫做 N杂质。3）把 3 个价电子硼掺杂到纯净的硅晶格后，少出 1 个自由电子，所以要从硅原子价键中获取 1 个电子来填充，同时硅原子产生1 个空穴，而变成带负电。所以把 3 价硼称为受主型杂质，也叫做 P 杂质。用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有 4 个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号 P 表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号 N代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个 P－ N结。太阳能电池的 P－ N结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。当太阳能电池受到阳光照射时，电子接受光能，向 N 型区移动，使 N 型区带负电，同时空穴向 P型区移动，使 P型区带正电。这样，在 P－ N结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。能产生光伏效应的材料有许多种，如单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现已晶体硅为例描述光发电过程。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收 ; 光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在 P-N 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是光子能量转换成电能的过程2. 太阳能电池的性能参数1）转换效率 η 评估太阳电池好坏的重要因素。2）单体电池电压 V 一般为 0.4V 0.6V 主要是由材料物理特性决定。3）填充因子 FF评估太阳电池负载能力的重要因素。 FFIm Vm/Isc Voc 4）太阳能电池的重要参数及关系 Isc 短路电流， Voc开路电压， Im最佳工作电流， Vm最佳工作电压； Pm功率， η --转换效率。 Pm Im Vm ，Pmη 电池片面积（ 125 单晶大倒角电池片面积 14856mm2，小倒角面积电池片面积越小电流越小，电压不变。电池片在串联时电流不变（但电流取最低电流值）电压相加，并联时电流相加，电压不变。5）太阳能电池测试的标准光强与环境温度地面 AM1.5 光强 1000W/m2 ， t 25 ℃；6）温度对电池性质的影响，例如在标准状况下 ,AM1.5 光强， t25 ℃某电池板输出功率测得为 100Wp,如果电池温度升高至 45℃时，则电池板输出功率就不到 100Wp，也就是说电池温度在 25℃的基础上，温度越高电池电压就越低，相反电流就越高。三、电池片的储存环境在温度不高于 30℃，湿度小于 60的环境下密封保存，使用期限为半年。第二章焊接材料一、助焊剂助焊剂通常是以松香为主要成分的混合物，是保证焊接过程顺利进行的辅助材料。助焊剂的主要作用是清除焊料和被焊母材（材料）表面的氧化物 ,使金属表面达到必要的清洁度 .它防止焊接时表面的再次氧化 ,降低焊料表面张力 ,提高焊接性能 .助焊剂性能的优劣 ,直接影响到电子产品的质量 . 1. 主要成分1）有机溶剂酮类、醇类、酯类中的一种或几种混合物 ,常用的有乙醇、丙醇、丁醇 ;丙酮、甲苯异丁基甲酮 ;醋酸乙酯 ,醋酸丁酯等 .作为液体成分。2）表面活性剂含卤素的表面活性剂活性强 ,助焊能力高 ,但因卤素离子很难清洗干净 ,离子残留度高 ,卤素元素主要是氯化物有强腐蚀性。3）有机酸活化剂由有机酸二元酸或芳香酸中的一种或几种组成 ,如丁二酸 ,戊二酸 ,衣康酸 ,邻羟基苯甲酸 ,葵二酸 ,庚二酸、苹果酸、琥珀酸等 .其主要功能是除去引线脚上的氧化物和熔融焊料表面的氧化物 ,是助焊剂的关键成分之一。4）防腐蚀剂减少树脂、活化剂等固体成分在高温分解后残留的物质5）助溶剂阻止活化剂等固体成分从溶液中脱溶的趋势 ,避免活化剂不良的非均匀分布成膜剂引线脚焊锡过程中 ,所涂复的助焊剂沉淀、结晶 ,形成一层均匀的膜 ,其高温分解后的残余物因有成膜剂的存在 ,可快速固化、硬化、减小粘2. 助焊剂的特性润湿横向流动又称浸润，是指熔融焊料在金属表面形成均匀、平滑、连续并附着牢固的焊料层。浸润程度主要决定于焊件表面的清洁程度及焊料的表面张力。金属表面看起来是比较光滑的，但在显微镜下面看，有无数的凸凹不平、晶界和伤痕，的焊料就是沿着这些表面上的凸凹和伤痕靠毛细作用润湿扩散开去的，因此焊接时应使焊锡流淌。流淌的过程一般是松香在前面清除氧化膜，焊锡紧跟其后，所以说润湿基本上是熔化的焊料沿着物体表面横向流动。润湿的好坏用润湿角扩散纵向流动伴随着熔融焊料在被焊面上扩散的润湿现象还出现焊料向固体金属内部扩散的现象。例如，用锡铅焊料焊接铜件，焊接过程中既有表面扩散，又有晶界扩散和晶内扩散。锡铅焊料中的铅只参与表面扩散，而锡和铜原子相互扩散，这是不同金属性质决定的选择扩散。正是由于这种扩散作用，在两者界面形成新的合金，从而使焊料和焊件牢固地结合。3.常用助焊剂的作用1）破坏金属氧化膜使焊锡表面清洁，有利于焊锡的浸润和焊点合金的生成。2）能覆盖在焊料表面，防止焊料或金属继续氧化。3）增强焊料和被焊金属表面的活性，降低焊料的表面张力。4）焊料和焊剂是相熔的，可增加焊料的流动性，进一步提高浸润能力。5）能加快热量从烙铁头向焊料和被焊物表面传递。6）合适的助焊剂还能使焊点美观。助焊剂残渣对组件造成的不良影响1. 过多的助焊剂残留会腐蚀电池片 2. 降低电导性，产生迁移或短路。 3. 残留过多会粘连灰尘和杂物。 4. 影响产品使用的可靠性 5. 影响 EVA 与电池片的粘结。 6. 可能在电池片的主栅线产生连续性的气泡。4.助焊剂的储存环境一般助焊剂使用期为 6 个月，放置干燥通风处，避免阳光直射。二 .焊带1.主要材料焊带主要基材为无氧铜（铜的纯度为 99.99 ），表面热镀了一层锡层。2主要作用通过焊接过程将电池片的电极（电流）导出，再通过串联或并联的方式将引出的电极与接线盒有效的连接焊带是光伏组件焊接过程中的重要原材料，焊带质量的好坏将直接影响到光伏组件电流的收集效率，对光伏组件的功率影响很大。一般选用焊带的标准是根据电池片的厚度和短路电流的多少来确定焊带的厚度，焊带的宽度要和电池的主删线宽度一致，焊带的软硬程度一般取决于电池片的厚度和焊接工具。助焊剂与焊带的关系焊带通过助焊剂的浸泡去除表面的氧化膜，并在表面覆盖形成了一层均匀、平滑、连续并附牢固的焊料层。在焊接过程中可以有效地清除栅线表面的氧化物，加快烙铁头温度的传递，将焊带牢固的与电池片的主栅线结合。3.焊带的储存环境焊带避光、避热、避潮，不得使产品弯曲和包装破损。最佳贮存条件放在恒温、恒湿的仓库内，其温度在 0-25℃之间，相对湿度小于 60。用棉布或软泡，保质期为一年。第三章封装材料一、钢化玻璃1. 加工原理钢化玻璃是平板玻璃的二次加工产品，钢化玻璃的加工可分为物理钢化法和化学钢化法。太阳能光伏组件对钢化玻璃的透光率要求很高，要大于 91.6 ，对大于 1200nm 的红外光有较高的反射率。厚度在 3.2mm 。1）物理钢化玻璃又称为淬火钢化玻璃（将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却）。这种玻璃处于内部受拉，外部受压的应力状态，一旦局部发生破损，便会发生应力释放，玻璃被破碎成无数小块，这些小的碎片没有尖锐棱角，不易伤人。2）化学钢化玻璃是通过改变玻璃的表面的化学组成来提高玻璃的强度，一般是应用离子交换法进行钢化。其效果类似于物理钢化玻璃2. 钢化玻璃的主要优点第一是强度较之普通玻璃提高数倍，抗弯强度是普通玻璃的 35 倍，抗冲击强度是普通玻璃 510 倍，提高强度的同时亦提高了安全性。第二是使用安全，其承载能力增大改善了易碎性质，即使钢化玻璃破坏也呈无锐角的小碎片，对人体的伤害极大地降低了 . 钢化玻璃的耐急冷急热性质较之普通玻璃有 23 倍的提高，一般可承受 150LC 以上的温差变化，对防止热炸裂有明显的效果。钢化玻璃具有良好的热稳定性，能承受的温差是普通玻璃的 3 倍，可承受 200 ℃的温差变化。3. 钢化玻璃的缺点第一钢化后的玻璃不能再进行切割，和加工，只能在钢化前就对玻璃进行加工至需要形状，再进行钢化处理。第二钢化玻璃强度虽然比普通玻璃强，但是钢化玻璃在温差变化大时有自爆（自己破裂）的可能性，而普通玻璃不存在自爆的可能性钢化玻璃在无直接机械外力作用下发生的自动性炸裂叫做钢化玻璃的自爆4. 自爆现象① 玻璃质量缺陷的影响A ．玻璃中有结石、杂质玻璃中有杂质是钢化玻璃的薄弱点，也是应力集中处。特别结石若处在钢化玻璃的张应力区是导致炸裂的重要因素。结石存在于玻璃中，与玻璃体有着不同的膨胀系数。玻璃钢化后结石周围裂纹区域的应力集中成倍地增加。当结石膨胀系数小于玻璃，结石周围的切向应力处于受拉状态。伴随结石而存在的裂纹扩展极易发生。B ．玻璃中含有硫化镍结晶物硫化镍夹杂物一般以结晶的小球体存在，直径在 0.1 2 ㎜。外表呈金属状，这些杂夹物是 NI3S2 ， NI7S6 和 NI XS，其中 X0 0.07 。只有 NI1 XS 相是造成钢化玻璃自发炸碎的主要原因。已知理论上的 NIS 在 379 。 C 时有一相变过程，从高温状态的 a NIS 六方晶系转变为低温状态 B NI 三方晶系过程中，伴随出现 2.38 的体积膨胀。这一结构在室温时保存下来。如果以后玻璃受热就可能迅速出现 a B 态转变。如果这些杂物在钢化玻璃受张应力的内部，则体积膨胀会引起自发炸裂。如果室温时存在 a NIS ，经过数年、数月也会慢慢转变到 B 态，在这一相变过程中体积缓慢增大未必造成内部破裂。C．玻璃表面因加工过程或操作不当造成有划痕、炸口、深爆边等缺陷，易造成应力集中或导致钢化玻璃自爆。② 钢化玻璃中应力分布不均匀、偏移玻璃在加热或冷却时沿玻璃厚度方向产生的温度梯度不均匀、不对称。使钢化制品有自爆的趋向，有的在激冷时就产生 “ 风爆 ” 。如果张应力区偏移到制品的某一边或者偏移到表面则钢化玻璃形成自爆。③ 钢化程度的影响，实验证明，当钢化程度提高到 1 级 /㎝时自爆数达 20 25 。由此可见应力越大钢化程度越高，自爆量也越大。、④ 如何鉴别钢化玻璃的自爆首先看起爆点（钢化玻璃裂纹呈放射状，均有起始点）是否在玻璃中间，如在玻璃边缘，一般是因为玻璃未经过倒角磨边处理或玻璃边缘有损伤，造成应力集中，裂纹逐渐发展造成的；如起爆点在玻璃中部，看起爆点是否有两小块多边形组成的类似两片蝴蝶翅膀似的图案（蝴蝶斑），如有仔细观察两小块多边形公用边（蝴蝶的躯干部分）应有肉眼可见的黑色小颗粒（硫化镍结石），则可判断是自爆的；否则就应是外力破坏的。玻璃自爆典型特征是蝴蝶斑。玻璃碎片呈放射状分布，放射中心有二块形似蝴蝶翅膀的玻璃块，俗称 “ 蝴蝶斑 ” 。 nis 结石位于二块 “ 蝴蝶斑 “的界面上。钢化玻璃自爆机理理论探讨径向应力 r≥ a 切向应力 r≥ a 颗粒与玻璃之间界面的应力对于异质颗粒在玻璃基体中，降温过程温是负的，所以颗粒周边的径向应力是压力，切向应力是拉力。玻璃中间层球形单质硅颗粒的扫描电镜图像和边缘挤压形貌，颗粒周边的径向应力是压力，切向应力是拉力，所以切向应力是裂纹启始的根源。5. 钢化玻璃的作用增强组件的抗冲击能力，良好的透光率可以提高组件的效率，密封组件。6. 钢化玻璃的储存条件玻璃应避光、避潮，平整堆放，用防尘布覆盖玻璃。玻璃的最佳贮存条件放在恒温、干燥的仓库内，其温度在 25 ℃，相对湿度小于 45 ，玻璃要清洁无水汽、不得裸手接触玻璃与 EVA 接触面。二、 EVA 1. EVA 的原理1） EVA 的性能主要取决于分子量（用熔融指数 MI 表示）和醋酸乙烯脂（以 VA 表示）的含量。当 MI 一定时， VA 的弹性，柔软性，粘结性，相溶性和透明性提高， VA 的含量降低，则接近聚乙烯的性能。当 VA 含量一定时， MI 降低则软化点下降，而加工性和表面光泽改善，但是强度降低，分子量增大，可提高耐冲击性和应力开裂性。2）不同的温度对 EVA 的交联度有比较大的影响， EVA 的交联度直接影响到组件的性能以及使用寿命。在熔融状态下 ,EVA 与晶体硅太阳电池片，玻璃， TPT 产生粘合，在这过程中既有物理也有化学的键合。未经改性的 EVA 透明，柔软，有热熔粘合性，熔融温度低，熔融流动性好。但是其耐热性较差，易延伸而低弹性，内聚强度低而抗蠕变性差，易产生热胀冷缩导致晶片碎裂，使得粘接脱层。 EVA 交联度一般在 70-85，与玻璃剥离强度 35N ，与 TPT20N。3）通过采取化学交联的方式对 EVA 进行改性，其方法就是在 EVA 中添加有机过氧化物交联剂，当 EVA 加热到一定温度时，交联剂分解产生自由基，引发 EVA 分子之间的结合，形成三维网状结构，导致 EVA 胶层交联固化，当交联度达到 60以上时能承受大气的变化，不再发生热胀冷缩。2. EVA 的作用1）封装电池片，防止外界环境对电池片的电性能造成影响。2）增强组件的透光性。3）将电池片，钢化玻璃， TPT 粘接在一起，具有一定的粘接强度。注 EVA 虽然可以起到封装组件的作用，但 EVA 具有吸水性。3.EVA 的储存环境EVA 胶膜应避光、避热、避潮运输，平整堆放。 EVA 胶膜的最佳贮存条件放在恒温、恒湿的仓库内，其温度在 0-30℃之间，相对湿度小于 60。避免阳光直照，不得靠近有加热设备或有灰尘等污染的地方，并应注意防火。保质期为半年。三、 TPT（背板）TPT 用于组件的背面，也是主要封装材料之一。1. TPT（背板）的结构由 PVF（聚氟乙烯薄膜） -PET（聚脂薄膜） -PVF 三层薄膜构成的背膜，简称 TPT； TPT 有三层结构外层保护层 PVF 具有良好的抗环境侵蚀能力，中间层为聚脂薄膜具有良好的绝缘性能，内层 PVF 经表面处理和 EVA 具有良好的粘接性能。 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，以免影响和 EVA 的粘接强度。2. TPT（背板）的特性具有良好的耐候性、极佳的机械性能、延展性、耐老化、耐腐蚀、不透气，以及耐众多化学品、溶剂和着色剂的腐蚀。有出色的抗老化性能并在很宽的温度范围内保持了韧性和弯曲性。3. TPT（背板）的作用白色 TPT 对阳光起反射作用，提高组件吸收光的能率。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。增强组件的抗渗水性。对组件背部起到了很好密封保护作用，延长了组件的使用寿命提高了组件的绝缘性能3. TPT（背板）的储存环境背膜应避光、避热、避潮运输，平整堆放。背膜的最佳贮存条件放在恒温、恒湿的仓库内，其温度在 0-40℃之间，相对湿度小于 60。避免阳光直照，不得靠近有加热设备或有灰尘等污染的地方，并应注意防火。保质期为 12 月。第四章密封材料一、硅胶光伏组件专用密封胶是中性单组分有机硅密封胶，要具有不腐蚀金属和环保的特点。由含氟硅氧烷、交联剂、催化剂、填料等组成。光伏组件用硅胶要具有以下功能1. 密封性好，对铝材、玻璃、 TPT/TPE 背材、接线盒塑料 PPO/PA 有良好的粘附性；2. 胶体超级耐黄变，经 85℃老化测试，胶体表面未见明显黄变；3. 独特的固化体系，经高温高湿环测，与各类 EVA 有良好的兼容性4. 独特的流变体系，胶体的工艺性优良，良好的耐形变能力；5. 抗老化、防腐蚀和良好的耐候性（ 25 年以上）。6. 良好的绝缘性能。硅胶的作用1.密封绝缘玻璃和太阳能电池板；2.防水防潮。3.粘结组件和铝边框、保护组件减少外力的冲击二、铝边框因为太阳能组件要保证 25 年左右的户外使用寿命，所以组件所使用的铝边框要具有良好的抗氧化、耐腐蚀等性能。一般太阳能组件所使用的边框分为阳极氧化、喷砂氧化和电泳氧化三种。阳极氧化即金属或合金的电化学氧化，是将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜。金属氧化物薄膜改变了表面状态和性能，如表面着色，提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度，保护金属表面等。喷砂氧化一般经喷砂处理后 ,表面的氧化物全被处理 ,并经过撞击后 ,表面层金属被压迫成致密排列 ,另金属晶体变小 ,硬度提高比较牢固致密 . 电泳氧化就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。电镀时，镀层金属做阳极，被氧化成阳离子进入电镀液；待镀的金属制品做阴极，镀层金属的阳离子在金属表面被还原形成镀层。为排除其它阳离子的干扰，且使镀层均匀、牢固，需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液，以保持镀层金属阳离子的浓度不变。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层 ,改变基材表面性质或尺寸 .电镀能增强金属的抗腐蚀性镀层金属多采用耐腐蚀的金属、增加硬度、防止磨耗、润滑性、耐热性和表面美观。铝边框常用规格 25mm 30mm 35mm 40mm 45mm 50mm 等。铝型材对太阳能电池组件的作用 1、保护玻璃边缘2、提高组件的整体机械强度3、结合硅胶打边增强了组件的密封度4、便于组件的安装和运输第五章接线盒一、接线盒的构造一般接线盒由盒盖、盒体、接线端子、二极管、连接线、连接器几大部分组成。二、各部分的功能外壳要具有强烈的抗老化、耐紫外线能力；符合室外恶劣环境条件下的使用要求；自锁功能使连接方式更加便捷、牢固；必须应有防水密封设计、科学的防触电绝缘保护，具有更好的安全性能；接线端子安装要牢固，与汇流带有良好的焊接性。二极管分为旁路二极管和防反冲二极管。二极管的主要功能是单向导通功能。旁路二极管主要作用防止组件的热斑效应。热斑效应当组件在使用时部分电池片被异物遮挡，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。被遮蔽的太阳电池片温度会不断升高此时会发热，这就是热斑效应。如果有异物将电池片挡住造成了局部电池片不工作，局部电池片的温度不断上升、发热最终会导致电池片烧坏。在太阳能电池板正常工作时旁路二极管不会起到作用，但当遇到热斑效应时，旁路二极管会自动越过该串电池串并与其它电池串相连继续工作。现在我们所使用的旁路二极管主要的作用也就是防止电池片烧掉。防反冲二极管组件在没有光照时防止蓄电池电流倒流。连接器、连接线具有良好的绝缘性能，公母插头带有自锁功能是太阳能电池板与电气连接更便捷可靠。接线盒的作用1. 增强组件的安全性能2. 密封组件电流输出部分（引线部分） 3. 使组件使用更便捷、可靠。