（机械设计及理论专业论文）太阳能电池组件失效原因分析与工艺优化改进研究.pdf

摘要 影响太阳能电池组件失效的因素很多，其中原材料的质量、组件制造工艺的不成熟等 带来的隐患对组件失效有显著的影响。而随着国内太阳能发电技术的迅速发展，组件制造 商面临的组件各类失效现象带来的投诉与经济损失越来越严重。研究分析典型组件失效的 原因，优化改进制造工艺方案，对于提升太阳能电池组件的使用可靠性起到关键性的作用。 本文针对某组件制造商0 4 5 m w 晶体硅电池组件出现的电池隐藏、裂片等失效问题展开原 因分析；另外，依据组件热斑现象、二极管烧坏、e v a 黄变、脱层等典型组件户外长期使 用中出现的失效问题，结合生产制造中典型组件不良现象对组件制造工艺进行了优化改进 研究，提出了更好的工艺方案，通过大批量生产实验验证了方案的可行性、优越性。 首先，介绍了本课题的研究背景，太阳能电池、组件的制造工艺等，着重阐述了晶体 硅电池碳( c ) 、氧( 0 ) 等杂质元素的基本性质、形核理论，随后对本文的主要研究内容 及总体结构进行了概括。 其次，对于某晶体硅电池组件制造商0 4 5 m w 组件出现的隐裂、裂片等失效问题，从 硅电池制造工艺、电池组件制造工艺、模拟风、雪、覆冰等自然载荷计算，硅电池材料纯 度等方面，结合相关测试分析方法进行了原因分析；着重研究了氧( o ) 、碳( c ) 等杂质 元素对硅电池机械性能的影响。依据硅电池杂质元素g d m s 、s i m s 数据测试结果分析及 生产实验测试，发现了电池焊接翘曲程度与硅电池杂质元素含量之间的关系；给出了不同 单晶硅电池片的纯度及杂质元素含量对比计算结论。 最后，对组件典型不良、失效现象从制造工艺角度进行了原因分析，优化改进了晶体 硅电池组件制造工艺方案。通过大批量组件生产实验，统计计算了生产实验过程中的几种 典型组件不良现象比例，与已有的工艺方案比较表明：采用优化改进后的组件工艺方案更 具有可行性及优越性。 关键词：太阳能组件，失效，制造工艺，杂质元素，原因分析，工艺方案 i i a bs t r a c t t h ef a i l u r eo fs o l a rm o d u l e si si n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r s ，e s p e c i a l l yt h eq u a l i t yo fr a w m a t e r i a l s ，c o m p o n e n t si m m a t u r em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n ds oo n a st h er a p i dd e v e l o p m e n t o fd o m e s t i cs o l a rp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y , t h ep r o b l e mo fc o m p l a i n t sa n de c o n o m i c l o s s e sc a u s e db ys o l a rm o d u l e sf a i l u r et om a k e r sh a sb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s i ti s c r i t i c a lt oi n c r e a s e dt h er e l i a b i l i t yo fs o l a rb a t t e r yc o m p o n e n t sb ya n a l y z et h er e a s o no ft h e f a i l u r eo ft h et y p i c a lc o m p o n e n t sa n do p t i m i z et h em a n u f a c t u r et e c h n i c a ls c h e m e f i r s t l y ，t h i s p a p e rm a k et h ec a u s ea n a l y s i st h r o u g ha n a l y z i n gt h ef a i l u r ep r o b l e mo f0 4 5 m wc r y s t a l l i n e s i l i c o ns o l a rc o m p o n e n t s s e c o n d l y , a f t e ra n a l y z i n gt h ep h e n o m e n o no fh o ts h o ti nc o m p o n e n t s ， d i o d eb u r n i n g ，e v a y e l l o w i n gc a u s e db yl o n g - t e r mu s i n gt y p i c a lc o m p o n e n t si no u t d o o r s ，a n d s t u d y i n gt h eb a dp h e n o m e n ao ft h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h ep a p e ro p t i m i z e dt h em o d u l e s m a n u f a c t u r i n gt e c h n i c a lp r o c e s s ，p r e s e n t e dt h eb e t t e rm a n u f a c t u r i n gt e c h n i c a ls c h e m e ，a n d p r o v e dt h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo ft h es c h e m e a tf i r s t ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h em a n u f a c t u r et e c h n i c a lp r o c e s so fs o l a rb a t t e r y c o m p o n e n t sw a si n t r o d u c e d ，e m p h a t i c a l l yd e s c r i b e dt h eb a s i cc h a r a c t e ra n dn u c l e a rt h e o r yo f c 、 0o ro t h e ri m p u r i t ye l e m e n t se x i s t e di nc r y s t a l l i n es i l i c o n ，a n ds u m m a r i z e dt h er e s e a r c hc o n t e n t s a n dg e n e r a ls t r u c t u r e s e c o n d l y , s o l v e dt h ef a i l u r ep r o b l e mo f0 4 5 m wc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc o m p o n e n t s t h r o u g ha n a l y z i n gt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fs i l i c o nb a t t e r ya n db a t t e r yc o m p o n e n t s ，c a l c u l a t e t h ei n f l u e n c e so ft h ef o r c ec a u s e db yw i n d 、s n o wa n di c e t h ep a p e ra l s os t u d i e dt h ei n f l u e n c eo f c 、oo ro t h e ri m p u r i t ye l e m e n t se x i s t e di nc r y s t a l l i n es i l i c o nt os i l i c o ns o l a rm e c h a n i c a lb e h a v i o r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e f l e c t i o nl e v e la n di m p u r i t ye l e m e n t sc o n t e n tw a sp r o v i d e d t h r o u g ht e s td a t a f i n a l l y , a f e ra n a l y z i n gt h ef a i l u r ep r o b l e mf r o mm a n u f a c t u r i n gt e c h a n i c a lp r o c e s s ，t h ep a p e r o p t i m i z e dt h em a n u f a c t u r et e c h n i c a ls c h e m e ，a n dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n td a t ap r o v e di t s f e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t y k e y w o r d s ：s o l a rc e l lm o d u l e ，f a i l u r e ，m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，i m p u r i t ye l e m e n t ，p r o d u c t i o n e x p e r i m e n t ，p r o c e s ss c h e m e 黄浩：太阳能电池组件失效原冈分析与t 艺优化改进研究 1 1 课题研究背景 第一章绪论 在能源竞争激烈的今天，新能源的开发已经成为行业新兴的发展方向。太阳能的开发 利用因推动社会经济可持续发展一直受到全社会的关注。近年来，全球风力发电和光伏发 电的年增长率均高达3 0 以上，其应用范围也越来越大。到2 0 5 0 年左右，太阳能光伏发 电将达到世界总发电量的1 0 - - - 2 0 ，成为人类基础能源之一【l 锄。 无论从世界还是从中国来看，常规能源都是很有限的，中国的一次能源储量远远低于 世界的平均水平，大约只有世界总储量的1 0 。我国是能源生产和消费大国，2 0 0 3 年能源 消费总量约为1 6 8 亿吨标煤，比2 0 0 2 年增长1 3 ，其中，煤炭、石油、天然气等常规能 源占能源消耗总量的9 2 6 ，水电等占7 3 ，且由于能源需求的强劲增长，煤炭在能源 消费结构中的比例有所提高，比2 0 0 2 年提高1 个百分点，这已成为大气污染的主要来源【3 】。 我国和世界能源可丌采年限比较如表1 1 所示【4 】。由表可见，我国能源形势较之于其他国 家更为严峻，开发利用可再生能源、实现能源工业可持续发展的任务更加迫切，更具有深 远意义。 表1 1 我国和世界毹源可开采年限( 年) 资源种类 煤炭石油天然气铀 世界 2 6 24 95 76 0 中国 1 0 22 36 13 0 从长远来看，可再生能源将是未来人类的主要能源来源，因此世界上多数发达国家和 部分发展中国家都十分重视可再生能源对未来能源供应的重要作用。在新的可再生能源 中，光伏发电和风力发电是发展最快的，世界各国都把太阳能光伏发电的商业化开发和利用 作为重要的发展方向。根据欧洲j r c ( j o i n tr e s e a r c hc e n t r e ，欧洲联合研究中心) 的预测，到 2 0 3 0 年太阳能发电将在世界电力的供应中显现其重要作用，达到1 0 以上，可再生能源 在总能源结构中占到3 0 ；2 0 5 0 年太阳能发电将占总能耗的2 0 ，可再生能源占到5 0 以上，到本世纪末太阳能发电将在能源结构中起到主导作用。 为顺应世界能源的新潮流，积极响应国家“太阳能屋顶计划”，各种太阳能光伏电站建 设正在积极推进中。在未来2 3 年内，国家将投入近2 0 0 亿元补贴光伏业发展。中国从1 9 5 8 年开始研究先伏电池，5 0 多年已经在中国安装了l 万多千瓦各类光伏系统。在国家“六 五 、“七五”、“八五”、“九五”科技攻关各部委立项支持下，目前我国实验室光伏电池的效 率已达2 1 ，可商业化光伏组件效率达1 4 。1 5 ，一般商业电池效率1 0 1 3 ，与国际蓬勃 发展的光伏发电相比，中国大陆落后国际发达国家1 0 - 1 5 年，也已明显落后于印度、台湾。 上海“十万屋顶光伏发电计划”、江苏“一千个屋顶光伏发电工程”的启动，拉开了国内 扬州大学硕士学位论文 太阳能发电大规模应用的序幕。 不可否认，太阳能发电作为实现可持续发展的理想绿色能源，引起了世界各国广泛关 注，近几年来得到了迅猛的发展。但是，光伏产品出现的各种失效、不良等问题也严重威 胁着光伏企业的生存与发展，并得到了越来越多的重视与研究。 目前，太阳能电池组件面临的比较典型的失效、不良问题主要有：1 ，电池片隐裂、 裂片，电池片表面闪电纹；2 ，热斑现象严重；3 ，二极管烧毁；4 ，电池片虚焊，背板鼓 包；5 ，e v a 大面积发黄，脱层；6 ，组件内部气泡、异物；等等【蹦】。 宣称使用期为2 5 年的光伏组件，到底可靠性怎样? 可以预测不久的将来就会面临着 各种质量问题和质量纠纷。有一点必须注意：光伏电站客户的投资回收期在旺1 1 年；事 实上，如今因组件质量危机带来的威胁已开始影响着中国某些光伏企业的生存和发展，同 时也造成了国内整个光伏行业某些方面的秩序混乱和恶性循环；解决组件产品的质量危机 成为国内光伏行业现阶段首要任务1 6 ) 。 1 2 太阳能电池概述及其制造工艺 1 2 1 太阳能电池概述 真正意义上的光伏时代源于1 9 5 4 年贝尔实验室发明的p n 结太阳电池。贝尔实验室能 够从发现单晶硅材料的光伏现象开始，在一年内就将晶硅电池效率提高到6 t 7 】，发展速度 之快当属光伏电池的里程碑。能够有此开发速度得益于该实验室是p n 奠基人、诺贝尔物 理学奖得主s h o c k l e y 的实验室【8 】，该实验室有着良好的半导体物理和半导体器件物理基础 与很高的研究水平，使得他们能够非常迅速地掌握技术、发展新工艺，作出高水平成绩。 由研究、开发，直至建立规模化生产，光伏行业已经打造成为现今有声的可再生能源领域 【9 】。当前太阳电池产业一直保持2 0 3 0 的年增长率【l ，预计2 0 11 年全球整体年产量将 达到2 0 g w 。 太阳能电池根据所用材料不同，可分为硅半导体太阳能电池，化合物半导体太阳能电 池，有机半导体太阳能电池等类型，详细分类见图1 1 所示【l ，目前比较成熟且广泛应用 的是晶硅类太阳能电池，在2 0 0 9 年全球太阳能电池产量为1 0 4 3 1 m w ，其中单晶硅电池产 量为4 5 7 4 1 m w ，占4 3 8 6 ，多晶硅电池为4 8 6 2 9 m w ，占4 6 6 2 。太阳能电池主要围绕 转换效率和降低成本为目标来开展研究工作，单晶硅电池转换效率最高，其转换效率理论 值达2 4 - - 2 5 ，实际产品的转换效率为1 5 1 8 ，技术也最为成熟，可靠性较高，特 性比较稳定；而多晶硅电池的转换效率理论值为2 0 ，实际产品为1 2 1 4 ，虽然与单 晶硅太阳能电池转换效率相比较偏低，但其原材料较丰富，制造比较容易，因此，其使用 量已超过单晶硅太阳能电池，占主导地位。 黄浩：太刚能电池组件失效原因分析与工艺优化改进研究 图1 1 太阳能电池种类 1 2 2 标准硅太阳能电池制造工艺 自1 9 7 3 年以来，由于对新能源越来越重视，致使些公司生产专门应用于地面的太 阳能电池。最初，地面电池的生产工艺是沿用空间电池的标准工艺。由于地面应用的要求 不同，经过几十年的不断优化改进，地面用硅电子工艺技术已经同趋成熟【1 2 】。下面以单晶 硅电池为例来介绍电池的主要制造工艺。 l 、由砂还原为冶金级硅 在工业提炼工艺中，采用s i 0 2 的结晶态，即石英岩，为了制取硅，石英岩在大型电弧 炉中用碳( 木屑、焦炭和煤的混合物) 按照下列反应方程式还原【l 3 】： s i 0 2 + 2 c s i + 2 c o ( 1 1 ) 硅定期地从炉中倒出，并用氧气或氧氯混合气体吹之以进一步提纯。然后，倒入浅槽， 在槽中凝固，随后被捣碎成块状。 2 、冶金级硅提纯为半导体级硅 用于太阳能电池等半导体器件的硅，其纯度等级比冶金级更高。提炼半导体级硅的标 准方法称为西门子工艺【1 。冶金级硅被转变为挥发性的化合物，接着采用分馏的方法将其 冷凝并提纯。然后，从这种精炼产品中提取超纯硅。 详细的工艺程序是，用h c l 把细碎的冶金级硅颗粒变成流体。用铜催化剂加速反应进 行： s i + 3 h c l s i h c l 3 + h 2 ( 1 2 ) 释放出的气体通过冷凝器，所得到的液体经过多级分馏得到半导体级s i h c l 3 ( 三氯氢 硅) ，这是硅酮( 硅胶) 工业的原材料。 为了提取半导体级硅，可加热混合气体，使半导体级s i h c l s 被h 2 还原。在此过程中， 4 扬州大学硕士学位论文 硅以细晶粒的多晶硅形式沉积到电加热的硅棒上，其反应式为： s i h c l 3 + h 2 s i + 3 h c l ( 1 3 ) 3 、半导体级多晶硅转变为单晶硅片 对于半导体电子工业来说，硅不仅要非常纯，而且必须是晶体结构中基本上没有缺陷 的单晶形式。工业上生产这种材料所用的主要方法是直拉工艺( c z o c h r a l s k ip r o c e s s ) 。在 坩埚中，将半导体级多晶硅熔融，同时，加入器件所需的微量掺杂剂。对太阳能电池来说， 通常用硼( p 型掺杂剂) 进行掺杂。在温度可以精细控制的情况下用籽晶能够从熔融硅中 拉出大圆柱形的单晶硅。通常这种方法能够生产直径超过1 2 5 c m ，长度为i 2 m 的晶体。 硅太阳能电池仅需1 0 0 m 左右的厚度就足以吸收阳光中大部分适用的波长。因此，大 单晶硅锭应切成尽可能薄的硅片。用目前的切片工艺【1 5 】将大晶体切成比3 0 0 p m 还薄的硅片 并仍保持适当的成品率是较困难的。在加工过程中，一多半的硅因为切1 ：3 或切割损失而被 浪费。从半导体级硅变成单晶硅片过程中的低成品率是标准工艺的又一薄弱环节。 4 、单晶硅片制成太阳能电池 硅片经腐蚀( 为了消除切割过程产生的损伤) 并清洗后，通过高温杂质扩散工艺，可 以有控制地向硅片中掺入杂质。 用前述方法得到的单晶硅片，通常具有p 型电气特性。为了制造太阳能电池，必须掺 入n 型杂质，以形成p - n 结。磷是常用的1 1 型杂质。n 型层的形成方法有气体扩散法和涂 层扩散法等。气体扩散法是将含磷( p ) 的气体( p o c l 3 ) 在高温( 8 0 0 - 9 0 0 。c ) 下向硅片 进行扩散，形成p n 结，。涂层扩散法是用含磷的溶液代替气体进行涂层和加热( 9 0 0 。c ) ， 使磷向硅片中扩散形成p n 结，具有简单易于大型化生产的优点。p n 结形成后，在硅片的 表面一侧形成减反射膜以及表面电极，在硅片的背面上形成背面电极，就完成了单晶硅太 阳能电池片的制作【1 6 , 1 7 】。 硅电池中杂质元素概述 1 8 】 1 3 1 氧的基本性质 氧是直拉( c z ) 单晶硅晶体中主要杂质，它是在晶体生长过程中被引入的，是在晶体生 长时熔硅腐蚀石英坩埚而引入的，反应方程式如下： s i + s i 0 2 - ，2 s i o ( 1 4 ) 由于热对流，所生成的s i o 会被输送到熔体表面。大部分的s i o ( 9 9 ) 在熔体表面 挥发，剩余的s i o 则在熔硅中分解，如下式： s i o - * s i + o ( 1 5 ) 分解出来的氧在熔体冷却结晶的过程中进入晶体，处于硅晶格的间隙位置，间隙态的 氧为电中性杂质。由于硅中氧的分凝系数大于1 ，所以硅中氧含量沿晶体轴向分布为头高 尾低。除了有意掺入的杂质磷、硼外，氧是直拉硅单晶中含量最高的杂质。 黄浩：太阳能电池组件失效原冈分析与下艺优化改进研究 晶体硅中的氧一般以间隙态存在于硅晶格中。在随后的器件制造工艺过程中，经历各 种温度的热处理，过饱和的间隙氧会在硅单晶中偏聚和沉淀，形成氧施主、氧沉淀，这些 与氧有关的缺陷对硅材料和器件具有有利和不利两方面的影响。它可以结合器件工艺形成 内吸杂，吸除金属杂质，还可以钉扎位错，提高硅片的机械强度f 1 9 2 0 。但当氧沉淀过量时 又会引入大量的二次缺陷，从而对硅材料和器件的电学性能产生破坏作用。在硅材料生产 中氧的浓度通常被控制在所需要的范围，以达到利用氧沉淀来实现控制缺陷的目的【引l 。 高温下氧的固溶度可表示为： s = 9 3 10 2 1 e x p 2 7 6 k c a l m o l + 1 r t ( c m - 3 )( 1 6 ) 高温1 3 0 0 。c 氧的溶解浓度可达到1 0 惜a t o m s c m 3 数量级以上，在随后的冷却过程中随溶 解度的降低，过饱和的氧发生偏聚和沉淀。 硅中的氧位于s i s i 键中间偏离轴向方向，如图1 2 所示。 图1 2 硅晶格中s i - o s i 键的原子模型 o 表示s i 原子，农示。原予 1 3 2 氧沉淀的形核理论 氧沉淀的形成包括氧沉淀的形核和长大过程。氧沉淀的形核就是过饱和的间隙氧原子 在硅中聚集程。6 0 0 一- - 9 0 0 是氧沉淀形核的最佳温度范围，此时，氧的过饱和溶解度大而 氧沉淀的临界成核半径( r e ) 较小，利于氧沉淀的形核。但此时的温度较低，l 、目j 隙氧的扩 散速率低不利于氧沉淀的长大，所以此阶段为有效的成核阶段。 氧沉淀的形核分为均匀形核和非均匀形核。f r e e l a n d 等人提出了硅中氧沉淀均匀成核 的理论。其成核速率为： i = m 宰z b 拳 ( 1 7 ) 扬州大学硕+ 学位论文 其中n 是平衡临界核密度，z 是z e l d o v i c h 非平衡分布因子，b 是氧撞击临界晶核的几率。 假设晶核是球形，并忽略成核过程的应变，可得到成核速率为： l = n t 4 z r ( 2 y t d z l h v ( t e 一刁2 d ( d d 2 ) z n ，e x p ( - 1 6 n - f l t e 2 3 z f h 2 w l e 矽2 后乃( 1 8 ) 式中t 。是给定氧浓度的固溶温度，a h v 是溶解焓( 6 6 7 x 1 0 1 0 e r g c m 。) 。t 为退火温度， n l 为成核点密度，即间隙氧浓度，y 为沉淀和基体间的界面能。 均匀成核理论虽然解释了相当多的实验事实，但是还有许多实验现象无法用均匀成核 理论来解释。所以非均匀形核成为近年来人们研究的重点。均匀成核一般发生在中低温 ( 9 5 0 ) 退火时，高温退火时基本没有均匀成核。 非均匀成核与均匀成核的区别主要在于非均匀成核以空位团、杂质原子、原生缺陷等 为形核中心，从而存在多种非均匀成核的模型： 1 、空位团核心 以空位团作为核心，在低温退火时吸引氧原子偏聚，长大成为氧沉淀；而在高温( 9 0 0 - 1 2 0 0 。c ) 退火时，空位团分解，不能成为非均匀成核的核心，所以氧沉淀在高温下难以形 成。 2 、杂质原子【2 2 ，2 3 】 碳、氮杂质原子能够降低成核时氧沉淀的界面能，易于吸引氧原子而成为氧沉淀核心。 3 、原生缺吲2 4 】 原生晶体中可能存在自间隙原子团和原生氧沉淀，这些原生缺陷在随后的热处理中， 都可能成为氧沉淀的非均匀成核中心。 4 、热施主【2 5 , 2 6 该模型认为在低温退火时生成热施主，在中温退火时，热施主长大成为氧沉淀的核心， 促进氧沉淀的生成。 1 3 3 杂质原子对氧的影响 硅中的其它杂质原子对氧沉淀的行为也会有所影响，其中碳原子的影响是比较大的。 因为硅中碳是除氧外含量较多的杂质原子，并且可以成为氧沉淀的核心，并在一定条件下 加速氧沉淀。其它的杂质原子，如金属原子，含量较少，但对氧沉淀成核和氧沉淀的速率 也有一定影响。 硅中碳原子在硅晶格中占替代位置，属于非电活性杂质。在低氧或高碳样品中，退火 时碳杂质提供了较多的氧沉淀核心。同时，碳在一定的氧浓度下形成颗粒s i c 沉淀，因s i c 沉淀造成体积收缩，更适于作氧沉淀的核心。碳能降低氧沉淀的界面能，稳定氧沉淀核心， 因而增加了氧沉淀速率。在经历低温退火时，富碳硅样品随退火时间的延长碳的含量也逐 渐下降，只有当初始碳含量较低时，浓度才保持不变。在一定的退火条件下，替位碳在硅 中的浓度降低的原因有：一是和硅基体的作用，形成s i c 沉淀；二是和氧作用，形成氧沉 淀。对于碳在氧沉淀过程中的作用上存在争议，一般认为碳能够促进氧沉淀，但是也有研 黄浩：太阳能电池组件失效原冈分析与工艺优化改进研究7 究者持相反观点。因为在低温处理时，硅中的碳原子和氧原子作用，同时沉淀形成c o 复 合体。在高温退火时，复合体分解消失，对氧沉淀的形核与速率并没有直接影响。替位碳 的消失只是参与了棒状等二次缺陷的形成，而不是成为形核中心。后来的实验证明【27 1 ， 9 5 0 下的热处理，如果样品经过高温热处理，碳原子不参与氧沉淀的长大，原因是c s i o 复合体很难形成，也就是说碳原子不能吸引足够的间隙氧原子而形成氧沉淀的有效成核中 心；未经高温预处理的样品，由于在低温热历史中碳原子已参与氧沉淀成核，在随后的高 温热处理过程中，氧沉淀长大的初级阶段仍有碳原子的参与，但随着氧沉淀表面碳原子越 来越少，参与氧沉淀的碳也越来越少1 2 引。 金属杂质是硅中常见的杂质，有人认为c u 杂质对氧沉淀行为没有明显作用，而f e 会 在热处理的金属杂质是硅中常见的杂质，有人认为c u 杂质对氧沉淀行为没有明显作用， 而f e 会在热处理的过程中与硅中原来存在的粒子相互作用形成高温下稳定的复合粒子， 充当氧沉淀的有效成核中心，从而增强氧沉淀。 1 4 太阳能电池组件封装材料及其制造工艺 1 4 1 晶体硅电池组件封装材料 晶体硅太阳能电池是利用半导体硅材料的光生伏打效应通过p - n 结把太阳光转化为电 能。由于硅电池本身易破碎、易被腐蚀，若直接暴露在大气中，光电转换效率会由于潮湿、 灰尘、酸雨等的影响而下降，以致损失。因此，硅电池必须通过胶封、层压等方式封装成 平板式结构再正常使用。其中以层压封装的方法最普遍，即将硅电池的正面和背面各用一 层透明、耐老化、黏结性好的热熔性e v a 胶膜包封，采用透过率高、耐冲击的地铁钢化玻 璃做上盖板，用耐湿抗酸的t e d l a r 复合薄膜或玻璃等其他材料做背板，通过真空层压工艺 使e v a 胶膜将电池片、正面盖板和背板黏合为一个整体，构成一个实用的太阳电池发电器 件。 真空层压封装太阳电池，主要使用的材料有玻璃、e v a 、t e d l a r 复合薄膜，如t p t ( t p e ) 、 镀锡铜带、铝合金边框等。封装材料的特性对太阳电池组件的性能、使用寿命有重要影响。 合理地选用封装材料和采取正确的封装工艺能保证太阳电池的高效利用。优良的太阳电池 组件，除了要求太阳电池本身效率要高外，优良的封装材料和合理的封装工艺也是不可缺 少的。 1 、有机硅胶 有机硅产品是一类具有特殊结构的封装材料，兼具有无机材料和有机材料的许多特 性，如耐高温、耐低温、耐老化、抗氧化、电绝缘、疏水性等。有机硅( 硅胶) 是弹性体， 在外力作用下能具有变形的能力，外力去除后又恢复原来的形状。硅胶分为中性、酸性等， 酸性硅胶因为会腐蚀硅片，所以一般使用中性硅胶。 有机硅膜在热、空气、潮气等老化条件下，聚硅氧烷的侧基极易被氧化，从而发生大 扬州大学硕士学位论文 分子的侧链或有机自由基的耦合等副反应，使物理性能发生明显的变化，如s i o 键与空气 中水反应使链断裂而老化也可解释为由于氧气和水的作用下，水解形成硅醇结构s i ( o h ) 2 ， 导致硅原子周围的化学环境发生变化【2 9 ，因此，封装太阳电池组件用的硅胶需要加入适宜 的添加剂来提高其老化性能【3 0 】。 2 、e v a 胶膜 标准的太阳电池组件中一般要加入两层e v a 胶膜，e v a 胶膜在电池与玻璃、电池与 t p t 之间起粘接作用。 ( 1 ) e v a 胶膜是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物，e v a 树脂与聚乙烯( p e ) 相比，由于 分子链上引入了乙酸乙烯单体( v a ) ，从而降低了结晶度，提高了透明性、柔韧性、耐冲 击性，并改善了其热密封性【3 l 】。未经改性的e v a 透明、柔软，有热熔粘接性、熔融温度 低( 小于8 0 ) 、熔融流动性好。这些特征符合太阳电池封装的要求，但其耐热性差，易 延伸而弹性低，内聚强度低，易产生热收缩而致使太阳电池碎裂，使粘接脱层。此外，太 阳电池组件作为一种长期在户外使用的产品，e v a 胶膜是否能经受户外的紫外光老化和热 老化也是厂家和用户非常关心的问题。未改性的e v a 如长时间受紫外光和热的影响，易龟 裂、变色，易从玻璃、t p t 上脱落，从而大大地降低太阳电池的效率，缩短其使用寿命， 最终增加了太阳电池的使用成本，不利于太阳电池的推广和应用。因此，需要对e v a 进行 改性。 对e v a 胶膜的改性主要从两方面进行：一方面，在e v a 胶膜的制备过程中，通过实 验设计和选择，添加适宜的、能使聚合物稳定化的添加剂，如紫外光吸收剂、紫外光稳定 剂、热稳定剂等，从而显著有效地改善e v a 胶膜的耐天候老化性能；另一方面，采用化 学交联提高e v a 胶膜的耐热性，并减小其热收缩性，即在e v a 胶膜的配方中添加有机过 氧化物交联剂，当e v a 胶膜加热到一定温度时，交联剂分解产生自由基，引发大分子间 的反应，形成三维网状结构，至e v a 胶层交联固化【3 2 。一般说来，当交联度( 指e v a 大 分子经交联反应后达到不溶的凝胶固化的程度) 大于6 0 时，e v a 胶膜就能承受大气的变 化，不再出现太大的热收缩，从而满足太阳电池封装的需要。 以e v a 为原料，添加适宜的改性助剂等，经加热挤出成型而制得的e v a 太阳能电池 胶膜在常温时无黏性，便于裁切操作；使用时，要按加热固化条件对太阳电池组件进行层 压封装，冷却后即产生永久的黏合密封。 ( 2 ) e v a 太阳电池胶膜主要性能指标 一般说来，用于太阳电池封装的e v a 胶膜必须满足以下主要性能指标。 固化条件：快速型，加热至1 3 5 。c ，恒温15 2 0 r n i n ；慢速型，加热至1 4 5 ，恒温 3 0 , - , 4 0 m i r a e v a 胶膜固化后的性能要求：透光率大于9 0 ；交联度大于6 5 ； 剥离强度( n c m ) ：玻璃胶膜大于3 0 ；t p t 胶膜大于1 5 ； 耐温性：高温8 0 ，低温4 0 。c ，尺寸稳性较好；具有较好的耐紫外光老化性能。 黄浩：太阳能电池组件火效原冈分析与工艺优化改进研究 9 国内目前的大多数太阳电池封装用e v a 胶膜虽然能达到上述的主要性能指标，但对其 耐老化性能，特别是耐紫外光老化性能未做过系统、深入的研究。与国外同类产品的主要 差距就体现在耐老化性能方面。针对这一现状，最近华南理工大学和中科院广9 、b i l l 源所合 作，比较系统而深入地研究了对提高太阳电池组件寿命至关重要的封装材料e v a 胶膜。 所研制的e v a 胶膜除了能完全满足上述主要性能指标外，还具备了较优异的耐老化性能， 特别是耐紫外光老化性能。经过具有计量认定的检测部门的检测，所研制的e v a 胶膜按 照g b t1 6 4 2 2 3 1 9 9 7 标准进行了1 0 0 0 h 的老化试验。具体的试验条件为：i 型u v a 3 4 0 灯，辐照度0 6 8 w m 2 ；循环条件：在黑标温度7 0 下辐照暴露8 h ；然后在黑标温度5 0 。c 下冷凝暴露4 h 。在这样的条件下经1 0 0 0 h 老化后，所研制的e v a 胶膜的黄色指数的变化 大大低于目前国内市场上的e v a 胶膜，比较接近国外进口的同类产品；而价格则比进口 e v a 胶膜要低得多。这一研究成果对提高太阳电池组件的使用寿命，降低其使用成本， 促进太阳能这一可再生的清洁能源的推广应用和发展是非常有意义的。 3 、玻璃 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3 2 m m ，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 外线有较高的反射率，同时能耐太阳紫外线的辐射。利用紫外可见光光谱仪测得普通玻璃 的光谱透过率与太阳电池组件用的超白玻璃光谱透过率比较，普通玻璃在波段7 0 0 , - 1 1 0 0 n m 段透过率下降较快，明显低于超白玻璃的透过率。 由于普通玻璃体内含铁量过高及玻璃表面的光反射过大是降低太阳能利用率的主要 原因之一。为此，玻璃制造商们对降低玻璃中的铁含量、研制新的防反射涂层或减反射表 面材料以及如何增加玻璃强度和延长使用寿命这三方面十分重视。目前，玻璃厂商已能熟 练地对2 3 m m 薄玻璃进行物理或化学钢化处理，不仅光透过率仍保持较高值，而且使玻 璃的强度提高为普通平板玻璃的3 4 倍。薄玻璃经过钢化处理后，在太阳能利用中以薄代 厚并达到相对降低玻璃铁含量，提高光透过率及减轻太阳电池组件的自重及成本，不仅切 实可行，而且效果明显。 为了减少玻璃表面光反射率，玻璃制造商们通过物化处理方法，对玻璃表面进行一些 减反射工艺处理，可制成“减反射玻璃”，其措旌主要是在玻璃表面涂布一层薄膜层，可 行之有效地减少玻璃的反射率。此薄膜层又称之为减反射涂层。这种在玻璃表面制备的减 反射层，可采用真空沉积法、浸蚀法和高温烧结法等工艺得以实现。据悉，玻璃制造商们 选用浸蚀法工艺为多。该工艺是指浸涂硅酸钠与化学处理相结合制备减反射玻璃，经济又 简便，其工艺流程大致如下：玻璃原片- 洗涤一干燥一浸入硅酸钠溶液一提取玻璃- 低温烘干( 或 自然风干) 二次化学处理提取并烘干- 检测( 透光率、反射率及膜厚) 一包装一出厂，该工 艺方法可使玻璃透光率比原先提高4 5 ：如3 m m 光透过率由原来8 0 提高到8 5 ，折 射率较高的超白玻璃( 含铁量较低) ，光透过率可从原来8 6 提高到9 1 。这种涂层与玻 1 0 扬州人学硕士学位论文 璃能够牢固地结合，经测试表明其耐磨性非常好。 除玻璃外，一些组件封装厂商也采用透明t e d l a r 、p m m a ( 俗称有机玻璃) 板或p c ( 聚碳酸酯) 板作为太阳电池组件的正面盖板材料。p m m a 板和p c 板有透光性能好、材 质轻的优点，但耐温性差，表面易刮伤，在太阳电池组件封装方面应用受到一定限制，目 前主要用于室内用或便携太阳电池组件的封装。 4 、背板材料 太阳电池组件背面材料，可有多种选择，主要取决于应用场所和用户需求。用于太阳 能庭院灯和玩具的小型太阳电池组件多用电路板、耐温塑料或玻璃钢板材，而大型太阳电 池组件多用玻璃或t e d l a r 复合材料。用玻璃可制成双面透光的太阳电池组件，适用于光伏 幕墙或透光光伏屋顶。透明t e d l a r 由于重量轻，可适用于建造太阳能车、船。用得最多的 就是t e d l a r 复合薄膜，如t p t 或( t p e ) 。t e d l a r 严格来说应为t e d l a rp v t 薄膜，是一种具 有高透过率的透明材料，也可根据需要制成蓝、黑等多种颜色。它是美国杜邦公司独家生 产的产品，同样具有许多熟知的碳氟聚合物的性质，耐老化、耐腐蚀、不透气等，这些特点 很符合封装太阳电池。此外，它还具有优良的强度和防潮性能，可直接用作太阳电池组件 或太阳能集热器的封装材料。为了保持太阳电池组件有更长的使用寿命，如2 5 年甚至更 长，一些专业厂家将t e d l a i 与聚酯、铝膜或铁膜等合成夹层结构，即有以下形式 t e d l a r p o l y e s t e r t e d l a r ；t e d l a r a l u m i n u m t e d l a r ；t e d l a r i r o n t e d l a r 一般复合薄膜所用的t e d l a r 厚度为3 8 t m ，聚酯为7 5 i - t m ，铝膜和铁膜为2 5 3 0 i _ t m ，通常用 得最多的就是t e d l a r p o l y e s t e r t e d l a r , 通常简称t p t 。t e d l a r 复合薄膜具有更好的防潮、抗 湿和耐候性能，通常见到太阳电池组件背面的白色覆盖物大都是t p t 。t p t 还具有高强、 阻燃、耐久、自洁等特性，在纺织、建筑等行业都有广泛应用。白色的t p t 对阳光可起反 射作用，能提高组件的效率，并且具有较高的红外反射率，可以降低组件的工作温度，也 有利于提高组件的效率。但是它的价格较高，约1 0 美元m 2 而且它不容易黏合。 目前，很多太阳电池组件封装厂家开始使用t p e 代替t p t 作为太阳电池组件的背面 材料。t p e 是由t e d l 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 l a r ，t p e 的耐候性能不及t p t ，但 其价格便宜( 约为t p t 的一半) ，与e v a 黏合性能好，在组件封装，尤其是小型组件封装 上应用越来越多。 5 、其他材料 玻璃、e v a 和t p t ，外加太阳电池片是组成组件的主要材料。除此之外，还需要连接 条( 浸锡铜条) 、铝合金或不锈钢边框、电极接线盒、焊锡等。 1 4 2 晶体硅电池组件制造工艺介绍 太阳电池组件是将单体太阳电池串、 池机械强度弱，不能承受较大力的撞击， 并联后严密封装制成的。未封装前的单体太阳电 薄而易碎；而且，大气中的水分和腐蚀性气体会 黄浩：太降 能电池组件失效原因分析与工艺优化改进研究 1 i 慢慢锈蚀和氧化电极，逐渐使电极脱落，同时也腐蚀太阳电池表面，降低电池的效率，因 此，要使用玻璃等将太阳电池封装，使其与大气隔绝。另一方面，单体太阳电池工作电压 只有0 4 0 5 v ，由于受硅片材料尺寸限制，单体电池功率也都很小，远不能满足一般用电 设备的电压、功率要求。这一切j 下是单体太阳电池要制造成组件的原因。 太阳电池组件解决了单体电池的一些问题，组件具有以下特点：( 1 ) 工作电压和输出 功率按不同的要求设计，可以提供多种接线方式，满足不同的电压输出要求；( 2 ) 有足够 的机械强度，能经受运输、安装和使用过程中发生的冲击、震动等产生的应力，具有防腐、 防潮、防水、防风、防雹能力；( 3 ) 经与玻璃、e v a 、t p t 结合后，有明显的电性能增益。 太阳电池组件的制造过程中主要有以下一些步骤：光焊( 将电池片焊接成串) 一手工 焊( 焊接汇流条) 一层叠( 玻璃e v a 电池e v a t p t ) 一中测一层压一固化一装边框、接线 盒终测。 1 、焊接：切割好的太阳电池片需要将其连接起来，焊接这一工序就是用焊条( 连接 条) 按需要将电池片串联或并联好，最后汇成一条正极和一条负极引出来。焊接时要注意 几点：太阳电池串联后，总电流与最小电池片产生的电流一致，因此每片串联的太阳电池 要求尺寸一样大，颜色一致( 这样一方面为保证电池光电转换效率一致，另外使组件外表 更美观) ；手工焊接时把握好烙铁与焊点接触时间，尽量一次焊成，如一个焊点反复焊接， 电池片上电极很容易脱落；焊点要均匀，若某些焊点焊锡太多，表面不平整会影响电池层 压，增加碎片率。 龟、 2 、层压：电池片按要求焊接好后，层压前一般先用万用表通过测电池电压方式检查 焊接好的太阳电池有没有短路、断路，然后清洗玻璃，按照比玻璃面积略大的尺寸裁制 e v a 、t p t ，将玻璃。e v a 电池e v a t p t 层叠好，放入层压机层压。 + 、i 层压过程中有关问题及注意事项：太阳电池层压工艺中，消除e v a 中的气泡是封装成 败的关键，层叠时进入的空气与e v a 交联反应产生的氧气是形成气泡的主要原因。当层压 的组件中出现气泡，说明工作温度过高或抽气时间太短，应该重新设置工作温度和抽气、 层压时间。 3 、固化：固化方式分为烘箱固化、层压机内直接固化两种，本文仅对层压机内直接 固化方式进行介绍。 方法一 快速固化型e v a 层压机设置1 0 0 , 一1 2 0 ，放入电池板，抽气3 5 m i n ，加压4 1 0 m i n ( 层压的太阳电池板较小时，时间可以稍短些) ，同时升温到1 3 5 ，恒温固化1 5 m i n ，层 压机下充气上抽空3 0 s ，开盖取出电池冷却即可。 常规固化型e v a 层压机设置1 0 0 i 1 2 0 ，放入电池板，抽气3 5 m i n ，加压4 1 0 m i n ( 层压的太阳电池板较小时，时间可以稍短些) ，同时升温到1 4 5 1 5 0 c ，恒温固化3 0 m i n ， 层压机下充气上抽空3 0 s ，开盖取出电池冷却。 方法二 1 2 扬少i 1 人学硕士学位论文 层压机设置1 3 5 1 4 0 ，放入电池板，抽气3 5 m i n ，加压4 , - , 1 0