（凝聚态物理专业论文）中空玻璃式太阳电池组件的封装工艺和性能研究.pdf

f i 山大学硕十学位论文 中空玻璃式太阳电池组件的封装工艺和性能研究 专业：凝聚态物理 硕士生：王响 指导教师：沈辉教授 摘要 随着能源供应的日益紧张，温室效应越来越严重，人们对于太阳能这种清洁、 绿色同时又用之不竭的能源给予了越来越大的关注。在太阳能应用方面，太阳能 光伏应用具有独特的优势，同时也是近年来发展最为迅速的领域。太阳能光伏应 用的核心就是太阳电池和太阳电池组件。本文首先对太阳电池的原理和封装技术 进行了简要的介绍，并论述了目前标准的组件封装工艺的现状，研究进展和存在 的问题。接下来对中空玻璃式太阳电池组件的封装工艺，结构设计，工作性能和 应用等方面进行了专门的研究和探讨。 标准的封装工艺，配套的材料和设备均发展的比较成熟，能够保证2 0 2 5 年的使用寿命。但是这种工艺比较复杂，能耗比较高，产能低。本文第二章就专 门针对这种工艺的关键步骤，酗的老化机理，这种工艺的改进途径，现在的发 展水平等进行了全面的论述。 中空玻璃式太阳电池组件是一种比较新的太阳电池封装形式。中空玻璃是一 种由两片或多片玻璃组合而成，玻璃和玻璃之间的中空层与外界用密封胶隔绝， 内部是空气或其它特殊气体组成的玻璃单元，在建筑上有广泛的应用。中空玻璃 式太阳电池组件就是将太阳电池固定在中空玻璃的中空层内制成的。这种组件结 合了中空玻璃和太阳电池两者的优点，并且制作工艺简单灵活，是一种非常理想 的光伏建筑一体化器件。但是这种组件还有一些缺点，主要就是在中空层内因为 空气的传热性能差，使太阳电池的工作温度比较高，效率有所降低。本文第三章 主要是通过一系列的实验对中空玻璃式太阳电池组件的封装技术和性能进行了 研究。实验中，通过改变玻璃厚度，中空层的厚度，太阳电池与玻璃的接触程度 以及太阳电池的位置等因素，综合分析组件的热性能，光学性能及其对电学性能 i 一文摘嘤 的影响。结合实验得到的数据，通过数据模拟进一步考察组件的性能。在实验结 果的基础上，还对中空玻璃式组件在实际应用条件下的性能进行了模拟。这些结 果对于设计中空玻璃式太阳电池组件的结构，及其应用具有重要的参考价值。 关键词：太阳电池组件中空玻璃日瞰光伏建筑一体化) v f l 山人学硕十学位论文 t h ee n c a p s u l a t i o nt e c h n i q u ea n d p e r f b r m a n c e o f i n s u l a t i n gg l a s ss o l a rc e um o d u l e m a j o r ： c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s n a m e ：w a n g x i a n g s u p e r v i s o r ：s h e nh u i a b s t r a c 。i 。 b e 髓u o ft h ep r o b l e mo fp 洲e rs u p p l ya n dg r nh o u e f f e db e m em o r ea n d m o r e 铃r o u sp e o p l ep a i dm o r e 蕊t e n t i o nt ot h e l 可e n e n 姒w h i c hi sc i e 钔钔d a b u n d a n ti nq u a n t i t yt h ef v ( p h o t a v o i t a i c ) a p p i i c 乱i o nh 弱as p e c i a i 利v 矾a g ei nt h e 8 d i 冒e n e 啊a 嘲钔di sd 刨e i o p i n gr a p d i yi nr e o e n ty e 甜t h e r et e c h n o i o g y 研 i n d u 或r yi st h em a n u f a d u r eo fs o i 甜侧l 钔d 蚓a r 浏im o d u ie af j r s t ，t h ep r j n d p d 0 f i 甜o e l ia n dt h e t e c h n o l o g ya fe n c a p 剐i a 【i o nw e r e i n t n d d u o e db r i e ly ，t h ep r e n t 或a t e ，p r o g r e 斡e sa n dp r o b i e m s w e r ed i s c u 鹦e d 。t h e n ，t h ee n c a p 刚胤i o nt e c h n 0 1 0 9 弘 吱r u d u r ed e s i g n ，p 刚0 r m a n 曲铖耐e r 钟da pp l j 嘣i o no fj n 刚i 乱i n gg i a 翳i a r m o d u l ew e r ed i 9 ：u s s e d 1 1 1 e 或钔d a r de n c a p s u n gt e c h n i q u ew 笛f u i i yd d v e i o p e dt og u a r m t 箦2 0t o2 5 归弱“馈i m e b u ti ti s m p l 戳e n e 唧a n dt i m e n 剐m i n g 1 nt h e n dc h 印t e r a rt h sp a p 钒t h ec r 例i a m i n 甜0 n 或印，嗍虱a g i n gt h e o r y 钔dt h ei m p r 洲e m e n ta f t h i st e c h n i q u e 、 惩圩ed i 9 ：u s s e d i n 刚l 乱i n gg i 弱m o d u i ei san 洲t y p ea fm o d u l e 1 1 1 ei n s u l a 【i n gg i 稻i s m p 0 9 e do f t w oo rm o r ep i e o e so fg i 嬲，w i t has p a c eb e t w e e na d j 鹚n tg i 碱1 1 1 es p a c ei s f i l i e dw i t hd r ya l ro r9 0 m eo t h e r n d sa fg 弱钔di l 舐司f r o mo u ts p a o eb yg i u e a r o u n dt h eg i a s & t h ei n s u l a t i n gg i 弱i sw i d e i yu 9 e di nb u i i d i n g s i fw ep i a o et h e l a r i ii nt h es p a o ft h ei n 剐l a t i n gg i 馘t h 朗i tb e m 篑an 洲n da fm o d u i ew h i c h h o i d sb o t ha d 、a n t a g e0 rt h ei n 刘i 乱i n gg i 弱a n dt h e l a r 侧i n i sk i n d0 fm o d u i ei s n o to n i ye a s yt op r o d u o e ，b u ta 1 9 0i d e a it ob ea p p l ie c it o n 或r u d i o n & h a v 聃r ，t h i s m o d u i eh 弱p rt h e r m a l n d u d i o np 篇f o r m a n c e 钔di - g h ta b s o r b a b i i i t y i nt h e t h i r dc h a p t e ro ft h i sp a p 吼a r i 箦o fe 印e r i m e n ti sd e s i g n e dt o 脚c ht h e 英文摘要 e n c a i p s u i a 【i n gt e 曲n i q u ea n dp 酣o r m a n o ft h i sk i n do fm o d u l e t h et h i 酞n e s so f t h eg i a s s t h ew i d t ho ft h ea i rl a y e r t h e0 0 n t a dw a y0 ft h e9 d l a ro e t ot h eg i a s sa n d t h ep o s i t i o no ft h es o l 孤o e l lw e r ea l lc h a n 9 e dt ol e a mt h em o c i u i e 图p e r f o r m a n c e b 鹤e do nt h e d a 【a ，t h em o c i u l e 图p 甜o r m a n o ei sa i s 0s i m u l d 【e db y9 讯w a r et og i v e a d e e p e rv i e o ft h i sk i n do ft e c h n i q u e t h e 赞r e s u i t s a r ei m p o r t a n tt oo p t i m i 碹t h e 对r u d u r ed e s j g na n da pp i c a 【i o n p y w o r d s ：i a rc e i l m o d u i e i n s u i 乱i n gg l a 翳日p 、，( b u i i d i n gi n t e g r a 【e c i p h o t o v o l ta i c ) i 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名：乏侈同 日期：2 o0 8 年5 月z 7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送 交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以 采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：龟叫司 日期：2o0 8 年5 月z 7 日 导师签名： 棚 日期：200 8 年5 月z 7 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师 指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学 院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开 发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的 书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部 署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本 人承担。 学位论文作者签名： 乏彳 日期：2 0 0 8 年5 月2 7 第章绪论 第一章绪论弟一早珀。f 匕 近年来，随着以化石燃料为主的能源消耗不断上升，资源供应日趋紧张，环 境不断恶化，温室效应越来越明显，全球气候异常等一系列问题都引起了人们的 广泛关注。而这一切又都把人们的注意力引到了清洁能源的开发和利用上面。 在清洁能源中，太阳能因为量大，分布广泛，可以持续利用，有着巨大的开 发应用潜力。地球每天从太阳得到的能量约为4 ，i c l 0 1 5 k w h “1 ，目前人类已知的能 源中绝大部分都是直接或间接的来自太阳能。所以，解决了太阳能的开发利用问 题，就解决了人类的能源供应问题。 在太阳能的开发利用方面组前最有潜力的就是太阳能发电技术( 光伏技术) ， 因为太阳电池在使用过程中安全，无污染，无噪音，生产技术也比较成熟。 1 1 光伏发电的原理 太阳电池发电的基本原理是基于半导体的光生伏特效应“1 。太阳电池本身 是一个大面积的p n 结，存在一个内建电场。当太阳电池受到光照时，光子在电 池内部激发出电子一空穴对，这些电子和空穴在内建电场的作用下分别向n 区和p 区运动，最后造成在太阳电池的n 型区表面上有大量的电子聚集，而在p 型区表面 上有大量的空穴聚集，所以在太阳电池的两个表面上就产生了一个电势差，当用 导线连通时就会有电流流过。 图卜1 晶体硅太阳电池原理示意图n 1 ( 代表电子；o 代表空穴；光子能量h v ) i - 山人学硕十学位论文 1 2 光伏组件的封装工艺 太阳电池封装的目的就是为了保护电池片，使其能够经受长期的风吹、日晒、 雨淋和高低温冲击等自然条件的考验，并能承受一定程度的打击和台风、冰雹等 灾害性天气的影响，以使太阳电池能够长期稳定的工作。现在的太阳电池组件一 般都只能保证2 0 2 5 年的使用寿命，要实现更长使用寿命的主要障碍就是封装工 艺。目前的封装技术中占据主流的还是使用e v a 胶膜，利用真空层压的办法对电 池进行封装，其它的封装方式还有环氧树脂封装、中空玻璃封装和灌胶封装等， 另外对于不同类型的电池还有一些特殊的封装方法。 太阳电池组件的制造过程中主要有以下一些步骤3 1 ：激光划片一焊接一层 叠( 玻璃一e v a 一电池一e v a t p t ) 一层压( 固化) 一装边框、接线盒一终测。 ( 1 ) 激光划片 太阳电池的工作电乐与面积没有关系，不论面积大小，一般在0 4 0 4 5 v 左 右( 开路电压约o 6 v ) ；太阳电池的短路电流和功率与电池板的面积成正比( 在 同样转化效率下) 。由于单体电池面积是一定的，在制作某些特殊规格的组件时， 为了满足电流特性，就要有激光切片这套工序，将太阳电池切成小片以后再制成 组件。 ( 2 ) 焊接 切割好的太阳电池片需要连接起来，焊接这一工序就是用涂锡带按需要将电 池片串联或并联好，形成电路连接，最后汇成一条正极和一条负极引出来。 ( 3 ) 层叠 层叠是在层压之前的准备工作，将所有的材料按照玻璃一e v a 一电池一e v a t p t 的顺序放好，准备层压。 ( 4 ) 层压固化 层压固化目的是实现e v a 的固化，实现对太阳电池的密封。层压是在层压 机中实现的，固化可以在层压机中实现，也可以单独用固化工艺来实现。 ( 5 ) 装边框、接线盒 边框的作用是保护组件，同时也方便使用的时候对组件进行固定，接线盒的 作用是将电流从层压好的组件中引出来，方便进行电路连接。 ( 6 ) 终测 第一章绪论 终测的目的是检查组件最终的性能，在生产过程中一般只是进行外观和电性 能的测试。但是对于组件来说，还必须满足一些基本的力学性能和耐老化性能， 这些测量必须有专门的检测机构根据相应的标准进行。国标里面相应的标准有 g b t9 5 3 5 1 9 9 8 地面用晶体硅光伏组件设计鉴定与定型和g b t1 8 9 1 1 2 0 0 2 地面用薄膜光伏组件设计鉴定与定型等。 1 3 光伏产业发展形势 1 3 1 国际光伏产业的现状和发展趋势 近年来，国际光伏市场迅速发展，2 0 0 7 年世界太阳电池产量达到4 2 8 g w p ， 中国太阳电池的产量达到1 2 0 0 6m w p ，已经成为世界第一大光伏电池生产国“1 。 图卜2 给出了1 9 9 9 至2 0 0 7 年世界太阳电池的产量和增长率“1 ，图卜3 是2 0 0 6 年和 2 0 0 7 年世界各个国家和地区的太阳电池产量和所占的比例“1 。 图卜21 9 9 9 至2 0 0 7 年世界太阳电池的产量和增长率“1 3 山人学硕十学位论文 矗| 蚓暾鼬# 坳 铋墨? 笺i 愚豢冀嚣荔芗! 冀黧? 嚣翰 碗 黼秘，3 铸 搭妻磁惩j 锄，i 茹 i # 渗敷s 蝴妻7 嘲 ，”赫瓣，舔茹 图1 32 0 0 7 ( 2 0 0 6 ) 年世界各个国家和地区的太阳电池产量和所占的比例n 1 世界光伏产业和市场发展的还有一个突出特点是：光伏发电在能源中的替代 功能愈来愈大，主要表现在并网发电的应用比例增加非常快，并成为光伏发电的 主导市场b 1 ，表卜1 是并网光伏发电市场份额逐年增长的情况。 表卜1 并网光伏发电市场份额逐年增长的情况“1 年份 1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 份额 7 92 1 32 3 52 9 94 1 75 0 45 1 45 5 56 5 9)7 0 从长远看，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位， 不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。根据欧洲j r c 的预 测，到2 ( ) 3 0 年可再生能源在总能源结构中占到3 0 以上，太阳能光伏发电在世界 总电力的供应中达到1 0 以上；2 0 4 0 年可再生能源占总能耗5 0 以上，太阳能光 伏发电将占总电力的2 0 以上；到2 l 世纪末可再生能源在能源结构中占到8 0 以 上，太阳能发电占到6 0 以上，显示出重要战略地位，如图卜4 所示。 4 第。章绪论 墨 畏 粪 羹 蛞 i 爨i 参缀冀瑚i 剃e 翻i 。? lj 蠢豫簟 a _ 燃生- 辫( 曩代 吣k 憾f 撇 麴l = 笔 、l是撼气 图卜42 0 0 4 年欧盟联合研究中心预测“ 目前国外主要国家都制定了各自的光伏发展目标，表卜2 和表卜3 是一些国 家的发电成本预测和光伏发电装机预测。 表卜2 光伏发电成本预测n 1 年份 2 0 0 42 0 0 52 0 0 6 日本( 日元k w h ) 3 02 31 4 欧洲( 欧元k w h ) 0 2 5o 1 80 1 0 美国( 美元k w h ) 1 8 21 3 41 0 0 中国( 元k w h ) 5 03 01 4 表卜3 光伏发电装机预测g w p “ 年份 2 0 0 4 2 0 1 0 2 0 2 0 日本 1 24 83 0 欧洲 1 23 o4 1 美国 0 3 42 13 6 中国 0 0 6 50 31 8 其他 1 1 9 53 89 1 2 世界 4 01 42 0 0 1 3 2 国内光伏产业的现状和发展趋势 目前国内光伏行业迅速发展，但是原材料，市场，生产设备三头在外的现状 5 l i 山人学硕十学位论文 依然改观不大。 根据e n fs 0 1 a r 登记的数据，2 0 0 7 年我国太阳能光伏电池生产企业有5 2 家， 组件封装企业已有2 6 2 家盯1 ，2 0 0 7 年国内太阳电池和组件的产量分别达到了1 1 g w 和1 5 g w 盯。 原材料方面，2 0 0 7 年的多晶硅产量刚刚超过1 0 0 0 吨，预计2 0 0 8 年会超过5 0 0 0 吨d 1 ，这远远小于需求量，所以硅材料的价格一直是居高不下，近期多晶硅现 货市场竟然传出每公斤5 0 0 至5 l o 美元的成交价“1 ，再创新高。 中国的光伏发电市场目前主要用于边远地区农村电气化、通信和工业应用以 及太阳能光伏商品，包括太阳能路灯、草坪灯、太阳能交通信号灯以及太阳能景 观照明等。由于成本很高，并网光伏发电目前还处于示范阶段，至2 0 0 6 年，国内 太阳电池的累计使用量只有8 0m 1 】l p ，表卜4 是1 9 7 6 年以来国内光伏市场的发展状 况，表卜5 是2 0 0 6 年国内市场分布。另外根据2 0 0 7 年出台的国家可再生能源中 长期发展规划，到2 0 1 0 年，太阳能发电总容量达到3 0 万千瓦，到2 0 2 0 年达到1 8 0 万千瓦，所以国内市场的发展还是很缓慢的。 表卜41 9 7 6 年以来中国国内光伏市场的发展5 1 年份 1 9 7 61 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 52 0 0 02 0 0 22 0 0 4 2 0 0 52 0 0 6 年装机k w p o 587 05 0 01 5 5 03 3 0 02 0 3 0 01 0 0 0 05 0 0 01 0 0 0 0 累计装机k w p 0 51 6 52 0 01 7 8 06 6 3 01 9 0 0 04 5 0 0 06 5 0 0 07 0 0 0 0 8 0 0 0 0 卜52 0 0 6 年中国光伏发电市场分类5 1 市场分类累计装机m w p 市场份额 农村电气化 3 34 1 3 通信和工业 2 73 3 8 太阳能光伏产品 1 62 0 o 建筑并网发电 3 84 8 大型荒漠并网电站 0 2o 3 合计 8 01 0 0 1 4 硕士论文的主要工作 1 ) 太阳电池组件的封装材料、工艺和理论研究 a )目前太阳电池封装方面虽然发展比较成熟，但是也存在很多问题，主要 6 第章绪论 是在封装材料方面，论文中首先对目前常用材料的基本特性，存在的问 题，改进的途径进行了论述： b ) 太阳电池组件制作工艺与组件质量的好坏有很大的关系，论文中对最关 键的两个工艺一焊接工艺和层压工艺的工艺特性和参数设定的原理进行 了讨论； c ) 耐老化性能是太阳电池组件的最重要的性能，它直接反应了组件的使用 寿命，论文中对太阳电池组件的老化机理，以及组件的老化性能进行了 详细的论述； d ) 太阳电池组件的性能除了受到太阳电池本身效率的影响外，最主要的就 是受到组件本身的透光性能，传热性能和使用环境的影响，论文中对此 进行了初步的分析； 2 ) 中空玻璃式太阳电池组件的光学和热学性能研究。 a ) 通过制作不同的样品，经过一系列对比实验详细研究了中空玻璃太阳电 池组件的光学性能和光学性能和电学性能； b ) 对于实验现象进行了初步的分析，建立了模型来对实验现象进行解释； 3 ) 中空玻璃式太阳电池组件的数据模拟和实际应用分析 a ) 利用计算机实验条件下中空玻璃式太阳电池组件的性能进行模拟，通过 模拟结果和实际实验结果的比较来考察上面提出的理论模型的正确性， 并对实验中不能或不容易考察的因素进行了深入分析； b ) 结合实验结果和对实验条件下的模拟结果，对太阳电池组件在实际应用 时的性能进行了模拟，指出了组件的制作、设计和应用中应该注意的问 题和改进的办法； 4 ) 对论文中的工作和主要结论进行了总结，并指出了本课题中还需要深入进行 的工作。 7 t - 山人学硕十学位论文 第二章太阳电池组件的封装材料、工艺和理论分析 标准的太阳电池组件封装工艺指的是利用层压机的真空层压工艺，这种工艺 主要是和e v a 这种材料配合使用。现在使用的太阳电池组件绝大部分是利用这种 工艺制作而成的，主要有两种基本的结构：玻璃e v a 太阳电池e v a ( e t h y l e n e v i n y 卜p o l y m e ra c e t a t e 乙烯一醋酸乙烯酯共聚物) t p t 结构和玻璃e v a 太阳 电池e v a 玻璃结构( 又称双面玻璃结构) 。 本章主要论述了标准封装工艺需要的材料，封装工艺以及组件性能的评价， 其中详细论述了最为重要的玻璃、e v a 、t p t 几种封装材料的特性以及相关的研 究和改进工作，分析了层压工艺过程，论述了组件的老化机理，组件性能的评价 理论和方法。 tpt 、f i 1 瀚铋jl 黼l va 低铁钢化玻璃 图2 1 太阳电池封装过程。将t p t 、e v a 、太阳电池和低铁钢化玻璃按照上图 的顺序放入层压机中层压，就得到了太阳电池组件 2 1 标准组件的封装材料 封装材料的性能对太阳电池组件的质量有着决定性的影响，是实现更长的组 件使用寿命的最主要的障碍。常规组件中使用的封装材料有涂锡带，玻璃，e v a ， t p t ，有机硅胶，铝合金边框，和接线盒等，其中最重要的就是玻璃( 盖板或背 板材料) ，e v a ( 粘合剂) 和t p t ( 背板材料) 。 2 1 1 玻璃( 盖板材料) ( 1 ) 玻璃的基本性质 标准太阳电池组件的盖板材料通常采用低铁钢化玻璃，其特点是：透过率高、 抗冲击能力强和使用寿命长。这种太阳电池组件用的低铁玻璃，一般厚度为 8 第，：章太阳电池鲺l 什的封装材料、u t 艺和理论分析 3 2 咖，在晶体硅太阳电池响应的波长范围内( 3 2 0 1 1 0 0 n m ) 透光率达9 0 以上， 对于波长大于1 2 0 0 n m 的红外有较高的反射率，一时能耐太阳紫外线的辐射( 利 用紫外一可见光光谱仪测得低铁钢化玻璃的光谱透过率( 图2 2 ) ) “1 。但是这 种玻璃的缺点是局部受到强烈撞击时易破碎，只要整块玻璃有一点破碎，整块玻 璃就会碎掉，另外还存在一定比例的自爆。 厂 。j 姗期棚姗0期啪l 咖i 姗 w w 出吲h 恤回 图2 2 超白玻璃光谱透过率“1 ( 2 ) 玻璃相关的研究工作和的改进 1 ) 通过给正面玻璃镀减反射膜可以显著降低玻璃的反射率，( 理论计算表明， 对于折射率为1 5 的玻璃来说，两面都镀有折射率为1 2 的薄膜可以得到 最低的反射率5 5 ) ，从而提高光伏组件的输出功率( 大约提高3 4 n 0 1 n ) 。制作减反射膜的方法有很多种，例如真空沉积法，浸蚀法，高温烧结法 和溶胶凝胶法等，但是目前据报道效果比较好的就是由丹麦s u n a r c t e c h n 0 1 0 9 ya s 开发的一种减反射膜技术，他们用化学方法在玻璃表面腐 蚀出一层1 0 0n f i i 厚的硅酸盐多孔结构，这可以将普通低铁玻璃的透过率从 9 l 提升到9 6 ，从而使光伏组件的输出平均增加3 4 。另外，通过长达7 年的户外暴露实验表明该产品的透过率几乎没有变化，具有很强的耐候性 【l l 】 o 2 ) 开发高强度的薄玻璃。玻璃的厚度与强度相关，也和成本相关，光伏组件的 面积越大，对玻璃的强度要求越高，这就要求玻璃厚度较大，这样玻璃所 占据的成本就越大。开发高强度的薄玻璃，这不但会降低生产成本，也会 降低安装成本。 9 f t 山人学硕十学位论文 3 ) 研究盖板玻璃的替代材料，克服它密度大，易破碎，钢化后还存在着一定比 例自爆的缺点。目前见到的替代材料有透明t e d l a r ( p v f ，聚氟乙烯) 、p m m a ( 聚甲基丙烯酸甲酯) 、p c ( 聚碳酸酯) 、p t f e ( 聚四氟乙烯) n 1 等。另外 在柔性电池封装方面，常见到的盖板材料还有e t f e ( 乙烯一四氟乙烯共聚 物) ，f e p ( 四氟乙烯一六氟丙烯共聚物) 等。这些材料的主要问题是长期的 耐候性要差一些，不能长期保持高的光学透过率和低的水汽透过率。 4 ) 除此之外，玻璃还需要改进的性能如自洁，与粘合剂有良好的粘合性，低成 本等。目前还有人指出压延玻璃的成本要低于浮法玻璃，并且可以进行表 面机械处理增加透光率，所以使用钢化的浮法玻璃是不合适的n 朋。另外还 要研制具有选择特性的玻璃，使其在可吸收光波段透过率极高，红外波段 反射率极高，这样可以降低组件的额定工作温度。 2 1 2 e v a ( 粘合剂) ( 1 ) e v a 的基本性质 e v a 是目前太阳电池封装工艺中最常用材料，主要是通过在e v a 基料中添加 紫外吸收剂、紫外稳定剂、抗氧化剂和交联剂等各种不同的添加剂制作而成的。 根据添加的交联剂的不同，e v a 又分为常规型和快速固化型( 又称快固型) 两种， 主要差别在于固化时所需要的时间不一样。e v a 在固化过程中会发生交联反应， 形成一种三维网状结构，对太阳电池起到很好的密封作用，但是在太阳电池组件 的使用过程中，这种结构会在紫外线、高温、湿气和氧气的作用下缓慢的发生变 化，e v a 性能不断下降，从而导致太阳电池组件的性能降低。 ( 2 ) e v a 及相关粘合剂的研究 1 ) e v a 的相关研究主要包括如何改进配方及性能n 3 rn 钉，e v a 的老化性能及其对 电池组件性能的影响1 6 r 2 2 1 以及寻找e v a 的替代材料等。 2 ) 开发有机硅粘合剂：有机硅粘合剂的主链中含有s i o _ s i 键，硅氧键的结合 能力要远优于c c ，c o 键，因此具有高的耐热性、耐候性等，另外还有优良 的电绝缘性、疏水性等。上世纪七八十年代有人曾用硅胶来封装太阳电池， 但是后来由于低成本e v a 的出现，硅胶就慢慢的退出了这个行业。但是随着 现在硅胶价格的下降和性能的进一步提高，尤其是其优异的耐温性和耐紫外 第。：章太阳电池蜀：的封装材料、t 艺和理论分析 老化性能，使它和e v a 有了比较优势。对此已经有了很多相关的研究工作“3 1 n 盯。利用有机硅胶可以使用灌封的方式制作一些有着弧形弯曲的组件，因 为这种方式不需要层压，所以也不受层压工艺的限制。 3 ) 开发p v b ( 聚乙烯醇缩丁醛，俗名b u t v a r ) 粘合剂：p v b 是由聚乙烯醇与丁醛 缩聚而成，其分子链较长，是热熔性高分子树脂化合物，具有优良的柔韧性 和挠曲性。主要应用在夹层玻璃，安全玻璃，夹层板材等领域2 。目前世 界上生产p v b 的主要厂家有美国杜邦公司、首诺公司( s o l u t 工0 n ，m a n s a n t o 集团的分公司) 和日本的积水公司( s e k i s u i ) 。出于安全方面的考虑，国家 规定在建筑上很多地方包括幕墙，外开窗，天窗等很多玻璃破碎后存在坠落 的可能性，而玻璃的下方存在人员通行的可能性的场合都需要使用安全玻 璃n 钉2 6 1 ，而这些场合很多都是b i p v ( 光伏建筑一体化) 应用的理想场所， 常规的使用e v a 的封装方式就满足不了要求了，就要使用p v b 。关于p v b 层压 封装太阳电池，很早就有人进行过实验幻 。后来同样是因为e v a 的出现，p v b 失去了比较优势才退出了太阳电池的封装行业。现在p v b 的性价比有了很大 的提高，再加上某些应用场所的特殊要求，p v b 又重新进入了这个行业。有 些公司针对太阳电池的封装行业开发出了单独的p v b 产品。 4 ) 除了上面两种以外，美国n r e l 实验室的报告中提到的可能的封装用胶有 s i l i c o n e s ，h t v ，e p d m ( b r p ) 等船。另外在太阳电池的封装用粘合剂方面， 根据产品和技术的发展，杜邦公司根据自己的研发提出了一个“三代”p v 用 粘合剂的说法伽1 ： 第一代：e v a 第二代：具有以下特征一高透过率；不变黄；无需交联 第三代：多层的封装系统，不再指某一种特殊的材料，具有以下特征一粘合 力强；绝缘性好：对电池无腐蚀；无需交联；能降低太阳电池的碎片率；组件易 于修复，易于回收利用；具有良好的柔韧性。 2 1 3 t p t ( 背板材料) ( 1 ) t p t 的基本物性 t p t 是一种复合薄膜，结构为t e d l a r p o l y e s t e r t e d l a r ，其中t e d l a r ( p v f ， - 山人学硕十学位论文 聚氟乙烯) 具有优良的机械性能，抗化学腐蚀、抗老化；聚酯层( p 0 1 y e s t e r ， 一般为p e t 一聚对苯二甲酸乙二醇酯) 对水气有良好的防渗透性、良好的绝缘性、 并且易于加工，所以t p t 薄膜具有高强、阻燃、耐老化、耐腐蚀、不透气等优良 特性，在纺织、建筑等行业都有广泛应用。t p t 在太阳电池封装上已经有了多年 的使用历史，是现在最常用的背板材料，完全能保证2 0 年的使用寿命。并且还 可以制成透明的或者带有颜色的，如蓝色、黑色、黄色等，这样可以增加组件的 美观性，以适应不同场合的需要1 。但是在一些湿度温度都非常高的地区，t p t 的性能稍显不足，主要是它的水汽透过率( w v t r ) 比较高，这是就要将中间层的 p o l y s t e r 换成铝膜( 铝的w v t r 值是非常低的，5 0um 的铝膜就可以是完全不透水 汽的) ，但是组件的绝缘性会有所降低，所以有时为了同时满足1 j l v t r 和绝缘性的 要求就将背板材料做成p v f a l p e t p v f 四层的结构d 。另外现在常用的背板材 料还有t p e ，t p e 是由t e d i a r 、聚酯、e v a 三层材料构成，与电池接触面( e v a 面) 为接近电池颜色深蓝色，封装出来的组件较美观。由于少了一层t e d i a r ，t p e 的耐 候性能不及t p t ，但它价格便宜( 约为t p t 的一半) ，与e v a 粘合性能好3 1 。 ( 2 ) 其它重要的盖背板材料，以及相应的研究工作 盖背板方面的研究目的就是提高性能，降低成本。提高性能主要是为了延长 组件的使用寿命，还有就是提高光伏组件的可靠性。目前的研究重点主要有两点， 一是寻找、开发新材料；二是对原有材料进行改进。这些工作或者是配合e v a 开发的封装材料，或者就是配合新型粘合剂整体开发的一套封装材料。配合e v a 开发的材料，首先考虑的应该是和e v a 的相容性，与e v a 的粘合力和水汽透过 率，以及这两个性能在老化实验条件下的保持能力。满足这些要求的材料还需要 进一步的测试老化特性，就是利用它们封装实际的样品在进行老化测试，测试的 目的主要就是看他们对太阳电池有没有影响。配合新型粘合剂整体开发的一套封 装材料最终的评价手段也是将这些材料和太阳电池整体封装成实际样品，然后进 行老化测试。这项测试是盖背板和密封粘合剂整体性能的，所以在粘合剂的研 究中也是不可少的。 a ) 寻找新材料。主要是通过上述的测试方法对一些具有优良性能的薄膜材料 进行筛选。比较新的材料如p v d f 3 ，p e n 等。 第：章 太阳电池匀的封装材料、t 岂和琊论分析 b ) 开发新的制作工艺 在背板衬底上镀阻隔膜层。通过这些研究发现，阻隔膜层是一种很有效的手 段，可以大大降低很多材料的水汽透过率( w v t r ) n 1 1 蚴1 。最常见的就是在p e t 衬底上镀膜。常用的膜层有s i 0 ：，s i o x ，s i n x ，s i 0 n x ，s i o n ，0 x i d e a c r y l a t e 3 3 1 等。常用的镀膜技术有溅射法和p e c v d 沉积法。目前在这方面研究比较多的就是 美国的n r e l 、p n n l 实验室和一些大的公司如a k t ，d u p o n t 等。 制作新型的多层复合薄膜。在这方面主要是对现有的一些材料进行不同形式 的组合，制成两层、三层甚至更多层的薄膜。另外这方面的研发往往是和上面所 说的阻隔膜层技术相交叉的。以期能够找到一种合适的材料和工艺。这方面的例 子有很多，例如p e n a 1 p e t ，p v f s i o x p v f ，四层甚至八层的p e t s i 0 x 结构等 等。通过这些研究发现，阻隔膜层是一种很有效的手段，可以大大降低很多材料 的1 | t r ：增加整体结构的层数也能有效降低w v t r 3 。但是在盖背板与粘合剂的 粘合力方面与盖背板所选材料有很大关系，很多时候还是要借助于表面处理。 “能呼吸的”背板。实验证明e v a 的老化过程中会产生一些副产物，这些副 产物会损害太阳电池的铝背场n 钉，“能呼吸的”背板就是允许少量的水汽透过， w v t r 值会相对高一些，但是同时能让这些副产物排出到空气中去，试验证明用这 种背板材料封装的镀铝膜的玻璃在老化实验时对铝层起到了很好的保护作用3 钉 【3 5 】 2 1 4 对标准工艺的改进，尤其是在封装材料的改进方面还要注意系统性和适 用性的问题。系统性一方面是个材料的性能相互协调，例如对于水汽不敏 感的粘合剂，可以适用水汽透过率较高的盖板和背板材料；另一方面是个 材料的寿命等因素相互协调，理想的情况就是各个材料能够在同时达到寿 命极限。符合这个要求的设计，就不会造成材料的浪费，同时还能降低成 本。适用性的问题，就是针对不同的气候类型生产不同的组件产品。太阳 电池组件在使用过程中往往是固定在一个地区，不会移动，所以完全可以 根据一个特定的地区，尤其是对于一些极端气候地区开发出一些特殊的产 品，例如对于沙漠等于早少雨地区完全可以开发出一种其极耐干热和紫外 照射的产品，这时即使此种产品对于湿热环境的耐受力较差也是无所谓 ，山人学硕十学位论文 的。这样，对于封装材料和封装方式会有更多的选择，但是这可能不符合 现有的标准。 2 2 标准组件的封装工艺 封装工艺包括激光划片、焊接、层压( 固化) 和检测等几个步骤。其中最关 键的就是焊接和层压两个步骤。 2 2 1 焊接工艺 焊接工艺的好坏直接关系到组件的电性能的高低。在这个工艺中，从材料的 选择到具体的操作都要注意。 首先，要对原材料进行检查。太阳电池要按颜色分类，这样生产出来的组件 颜色会比较均匀。选择焊带时有几点要注意：一是焊带要平直，没有明显的弯曲， 如果弯曲的比较严重，焊好后整串电池不再一条直线上，影响组件的外观，甚至 可能在层压时导致太阳电池片之间的交叠；二是表面锡层均匀，没有颗粒，如果 锡层不匀，很可能导致缺锡的地点焊接不牢；三是焊带的厚度不能太薄，否则在 老化试验中的热循环中失败，或者在使用过程中焊带断裂。 在焊接时，首先要注意戴手套，切忌用手直接接触太阳电池，焊接前还要对 太阳电池进行预热；其次，要控制电烙铁的温度，选择合适的电烙铁使焊点的温 度稳定，没有大的波动；再次，焊接时速度要均匀，要等锡熔化后在移动电烙铁。 焊接好以后，要对电池片进行检查，一是看焊接的质量，再就是看有没有对太阳 电池造成损坏。 2 2 2 真空层压工艺 真空层压工艺是根据e v a 材料的特性开发的，主要的设备就是层乐机，通过 这种工艺制作的太阳电池组件可以达到2 0 一2 5 年的使用寿命。 用于太阳电池封装的e v a 是专门设计的热固性热熔胶，即在常温下，e v a 是 固体，没有粘性，在加热熔融时会发生交联反应，形成了三维网状结构，同时会 粘结在与它接触的物体上。随着反应的进行，交联度增加，e v a 失去流动性，起 到封装的作用。当温度较低时，交联反应发生的速度很缓慢，完成固化所需要的 时间较长，反之需要的时间就比较短。因此使用时要选择一个适宜的层压温度， 1 4 第：章太阳电池约【件的封装利料、t 艺和理论分析 使e v a 在熔融中获得流动性，| 一j 时发生交联反应。通常，e v a 的交联度用凝胶含 量来表示，凝胶含量是交联的e v a 占总的e v a 的重量百分含量。实验上的测定方 法有很多，常用的是二甲苯萃取法。 黪蠢 图2 3 层压机 层压机( 图2 3 所示) 是真空层压工艺使用的主要仪器，它的作用就是在真 空条件下对e v a 进行加热加压，实现e v a 的固化，达到对太阳电池密封的目的。 对于层压机来说需要设置的参数主要有四个： a ) 层压温度：对应着e v a 的固化温度。 b ) 抽气时间：对应着加压前的抽气时间。又因为抽气完成后就是充气加压的过 程，所以抽气时间又对应着加压的时机。抽气的目的，一是排出封装材料间 隙的空气和层压过程中产生的气体，消除组件内的气泡；二是在层压机内部 造成一个压力差，产生层压所需要的压力1 。 c ) 充气时间：对应着层压时施加在组件上的压力，充气时间越长，压力越大。 因为像e v a 交联后形成的这种高分子一般结构比较疏松，压力的存在可以使 e v a 胶膜固化后更加致密，具有更好的力学性能，i 司时也可以增强e v a 与其 他材料的粘合力。 d ) 层压时间：对应着施加在组件上的压力的保持时间，是整个过程中时间最长 的一个阶段。抽气时间，充气时间和层压时间之和就对应着总的固化时间。 层压工艺就是指利用层压机对准备好的材料进行层压，制作太阳电池组件的 过程。这个工艺要达到的要求是e v a 交联度在7 5 8 5 ；e v a 与玻璃和t p t 粘合紧密 ( 剥离强度，玻璃e v a 大于3 0 n c m ，t p t e v a 大于1 5 n c m ) m ，电池片无位移， 蠢一一黼一圈 ，山人学硕十学位论文 组件无明显的气泡。在具体操作上就是对主要就是对层压机的几个参数进行设 置。这几个参数的设置要考虑到很多的因素。下面从理想状况和实际状况两个方 面来介绍。 ( 1 ) 理想的工艺过程 图2 4 是一个比较理想的层压过程中的参数设置。它的要点就是在较低温度 下进行抽气，然后在较高的温度下使e v a 固化。这个过程大概可以分成三步： a ) 开始阶段，层压机的温度保持在较低温度，e v a 熔化，有良好的流动性，但 是交联速度很慢。真空泵对下室抽真空，于是组件内部的气体迅速并且很容 易的被抽走。上室保持真空，组件不受压力。 b ) e v a 固化阶段。层压机温度升高到一个较高温度，e v a 发生快速的交联反应。 下室继续保持抽真空，及时排出固化过程产生的气体。同时上室充气，上下 室之间的压力差使层压机中的橡胶层对组件施加压力。 c ) 结束阶段。e v a 固化完成。先是上室抽真空，撤去压力，然后下室充气，开 j r n lo 艿 2 ， 2 三 g & e i 竺 图2 4 太阳电池层压过程中的参数变化( 时间，温度和压力) d 6 1 这种工艺的好处，一是低温阶段抽气，可以得到比较好的抽气效果；二是可以对 e v a 的固化过程进行比较好的控制。但是实际生产过程中这种工艺是很不受欢迎 的，因为每层压一次都要降温，降到一定温度然后在开始新的层压过程。这既浪 费时间，又浪费能源。所以在实际生产过程中往往是“一步到位”，直接设置到 固化温度，整个层压过程都在一个温度下完成。 1 6 一ele一曼jssaj乱 第ji 章太阳电池白i 什的封装材料、丁艺和理论分析 ( 2 ) 实际的工艺过程 实际生