光伏基础知识介绍

2011-3-7光伏行业基础知识内部培训北京科诺伟业科技有限公司目录太阳电池技术1光伏组件技术2组件失效现象3相关问题探讨4北京科诺伟业科技有限公司单晶和多晶单晶硅主要是125×125mm和156×156mm两种规格多晶硅主要是156×156mm规格单晶硅硅片因为使用硅棒原因，四角有圆形大倒角，而多晶硅硅片一般采用小倒角。单晶的转换效率高，但产能低、能耗大；多晶的转换效率相对较低，但能耗低、产能大，适合于规模化生产。单晶硅硅棒多晶硅硅锭北京科诺伟业科技有限公司单晶硅和多晶硅太阳电池北京科诺伟业科技有限公司单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池多晶硅硅片相对于单晶硅硅片，有明显的多晶特性，表面有一个个晶粒形状，而单晶硅硅片表面颜色一致。实验室最高效率：单晶24.7%，多晶20.3%生产效率：单晶19%，多晶17%晶体硅太阳电池结构北京科诺伟业科技有限公司太阳电池是将太阳光能直接转变为直流电能的阳光发电装置。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PN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。晶体硅太阳电池制备工艺北京科诺伟业科技有限公司原硅片制绒扩散刻蚀和去磷硅玻璃PECVD分类检测包装丝网印刷背电极丝网印刷背电场丝网印刷正电极丝网印刷制减反射膜背面周边刻蚀扩散制PN结制绒和清洗烧结分档测试北京科诺伟业科技有限公司制绒和清洗在硅片的切割生产过程中会形成厚度达10微米左右的损伤层，且可能引入一些金属杂质和油污。如果损伤层去除不足，残余缺陷在后续的高温处理过程中向硅片深处继续延伸，会影响到太阳电池的性能。单晶硅片的清洗采用碱液腐蚀技术多晶硅片的清洗采用酸液腐蚀技术由于绒面结构的存在，入射光经绒面第一次反射后，反射光并非直接入射到空气中，而是遇到邻近绒面，经过邻近绒面的第二次甚至第三次反射后，才入射到空气中，这样对入射光就有了多次利用，从而减小了反射率。表面没有绒面结构的硅片对入射光的反射率大于30%，有绒面结构的硅片对入射光的反射率减小到了12%左右。北京科诺伟业科技有限公司清洗的目的：清除硅片表面的机械损伤层；清除表面油污和金属杂质；形成起伏不平的绒面，减小太阳光的反射。清洗设备北京科诺伟业科技有限公司扩散制PN结把p型硅片放在一个石英容器内，同时将含磷的气体通入这个石英容器内，并将此石英容器加热到一定的温度，这时施主杂质磷可从化合物中分解出来，在容器内充满着含磷的蒸汽，在硅片周围包围着许许多多的含磷的分子。磷化合物分子附着到硅片上生成磷原子。由于硅片的原子之间存在空隙，使磷原子能从四周进入硅片的表面层，并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散。如果扩散进去的磷原子浓度高于p型硅片原来受主杂质浓度，就使得p型硅片靠近表面的薄层转变成为N型。N型硅和P型硅交界处就形成了PN结。磷扩散的方法——丝网印刷磷浆料后链式扩散目前行业上普遍采用第一种方法，这种方法具有生产效率较高，得到的PN结均匀、平整和扩散层表面良好等优点。北京科诺伟业科技有限公司管式扩散炉磷扩散的目的：制备太阳电池的核心——PN结；吸除硅片内部的部分金属杂质。北京科诺伟业科技有限公司背面及周边刻蚀扩散后的硅片除了表面的一薄层N型硅外，在背面以及周边都有N型硅薄层，而晶体硅太阳电池实际只需要表面的N型硅，因此须去除背面以及周边的N型硅薄层。背面以及周边刻蚀的目的：去除硅片背面和周边的PN结；去除表面的磷硅玻璃。北京科诺伟业科技有限公司湿法刻蚀设备背面以及周边刻蚀的方法：湿法刻蚀——具有各向同性。但是对于Si片，一些碱性刻蚀液如：KOH和异丙醇(IPA)混合刻蚀液，对Si的不同晶面有不同的刻蚀速率，并且各个晶面的速率可以调节，从而形成需要的倾斜侧壁结构，而这种倾斜的侧壁采用干法刻蚀是无法获得的，同时化学腐蚀的设备成本大大低于干法腐蚀技术，而且湿法刻蚀操作简便，对设备要求低，易于实现大批量生产，刻蚀的选择性也好。干法刻蚀（等离子体刻蚀）——具有各向异性，控制精确的优点。但设备昂贵，过程复杂，单片成本较高。北京科诺伟业科技有限公司制减反射膜入射光在SiN薄膜表面发生一次反射，在SiN薄膜和硅片界面发生第二次反射，通过适当选取SiN薄膜的厚度和折射率，可以使一次反射光和二次反射光相抵消，从而减小了反射。沉积SiN减反射膜后，硅片表面对入射光的平均反射率可进一步减小到5%左右。北京科诺伟业科技有限公司PECVD镀SiN薄膜的目的：SiN薄膜作为减反射膜可减小入射光的反射，增加透射；在SiN薄膜的沉积过程中，反应产物氢原子进入到SiN薄膜内以及硅片内，起到了钝化缺陷的作用。SiN薄膜的优点优良的表面钝化效果高效的光学减反射性能（厚度和折射率匹配）低温工艺（有效降低成本）含氢SiNx:H可以对mc-Si提供体钝化PECVD镀膜设备PECVD的优点：节省能源，降低成本；提高产能；减少了高温导致的硅片中少子寿命衰减；PECVD的一个基本特征是实现了薄膜沉积工艺的低温化（<450℃）。北京科诺伟业科技有限公司丝网印刷与烧结丝网印刷的目的：印刷背面电极浆料，银铝（Ag/Al）浆，并烘干；印刷背面场浆料，铝浆，并烘干；印刷正面电极浆料，银浆，并烘干。烧结的目的：燃尽浆料的有机组分，使浆料和硅片形成良好的金属电极。激光刻槽埋栅太阳电池，具有光电转换效率高、工艺相对简单、适于规模生产，兼具高效和低成本两方面的优势。大规模生产的激光刻槽埋栅电池其单位功率成本已接近甚至低于常规丝网印刷电池。北京科诺伟业科技有限公司印刷浆料的过程丝网印刷设备，每台印刷机后都有一台烘干炉烧结炉北京科诺伟业科技有限公司背电极印刷目的：在太阳电池背面丝网印刷印上引出电极作用：易于焊接使用的浆料是银铝浆焊接条背电场印刷目的：通过烧结穿透背面PN结，和P型硅形成良好的欧姆接触。作用：收集载流子使用的浆料是铝浆副栅线主栅线正电极印刷正面有主栅线和副栅线组成目的：在太阳电池正面丝网印刷银浆形成正电极作用：收集电流北京科诺伟业科技有限公司单晶太阳电池制作示例硅棒：硅石SiO2氢化去氧得到单质Si，然后对其进行提纯至冶金级，再到太阳能级。使用这种高纯度的单质Si料提拉获得上述单晶硅棒。切片：使用边长为特定长度的正方形金刚石线切割上述硅棒。举例M125（D165)电池片：经过掺杂离子注入制备PN结，以及其他配套工艺。北京科诺伟业科技有限公司多晶太阳电池制作示例硅锭：硅石SiO2氢化去氧得到单质Si，然后对其进行提纯至冶金级，再到太阳能级。使用这种高纯度的单质Si料浮熔获得上述多晶硅锭。切片：使用边长为特定长度的正方形金刚石线切割上述硅锭。电池片：经过掺杂离子注入制备PN结，以及其他配套工艺。北京科诺伟业科技有限公司光伏组件技术1.太阳能组件是将太阳光能直接转变为直流电能的阳光发电装置。2.影响太阳能组件的关键因素：EVA材料和交联度，背膜材料性能。3.主要材料对组件的影响：（a）玻璃：透光率，抗压抗冲击性能，优选超白钢化压花玻璃。

（b）EVA：耐候性（紫外老化，水汽渗透），外观（黄变）（c）Cell：优良的基质PN结，完好的栅线和均匀的外观，无裂纹。（d）背膜：耐候性（阻水性，绝缘耐压，紫外老化），优选TPT。（e）铝型材：抗压强度。铝材成分，性能差别。主要材料介绍北京科诺伟业科技有限公司TPT（聚氟乙烯复合膜），用在组件背面，作为背面保护封装材料。用于封装的TPT至少应该有三层结构：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需经表面处理和EVA具有良好的粘接性能。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。EVA——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。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。钢化玻璃采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)，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。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。铝型材边框平板组件必须有边框，以保护组件和组件与方阵的连接固定。边框为粘结剂构成对组件边缘的密封。涂锡铜带涂锡带由无氧铜剪切拉拔或轧制而成，所有外表面都有热度途层。涂锡带用于太阳能组件生产时太阳能电池片的串焊接和汇流焊接，要求涂锡带具有较高的焊接操作性及牢固性。光伏组件生产流程北京科诺伟业科技有限公司IQA电池分选串焊接线盒安装层压叠层终检抽检组框单焊中检固化清洗测试包装发货检验北京科诺伟业科技有限公司IQA按照生产计划和设计要求，准备太阳能组件生产所需背板、焊带、汇流条、玻璃、EVA等材料。在40W日灯光下，从同一角度正视电池表面，参考标准片，将相同颜色和相同转换效率的电池片分类，按一块组件需要电池片数量分放。电池分选Module北京科诺伟业科技有限公司单焊串焊单片焊接：将互连条与电池片的主栅线焊接起来，为电池片的串联做准备。在恒温焊接台上，用设定温度的烙铁头将单片电池片用焊带将正负极焊接起来，按每串需要电池片数量焊接成串。串焊：将电池片串联起来，为层叠做准备。IPQC会对电烙铁温度，焊接质量，强度进行巡检。Inter-connector

CellAfterSolderingCellstringCellstringCellstring北京科诺伟业科技有限公司叠层电池片焊接好且经过检验合格后，将钢化玻璃、EVA、电池串、EVA、背板按照下而上的层次铺设好，并焊接汇流条，焊接电极引线，制成叠层板。北京科诺伟业科技有限公司中检中检：主要对组件的外观，汇流条等焊接的状况进行确认，外观良好后测试叠层板的电性能。确认OK后扫描组件和流程卡条形码进入QMS系统，以便于追溯与调查。扫描条码北京科诺伟业科技有限公司层压：将钢化玻璃、EVA、电池组、TPT等材料通过抽真空、加热和加压等一系列过程，使其黏合在一起,完成太阳电池的封装。层压后由于前道工序作业问题导致碎片在该工序后会直接体现出来，所以检验很重要。将叠层好并经过测试，电性能良好的叠层板抬上层压机工作台，层压机自动完成叠层板的进料，通过抽真空将组件内的空气抽出，加热加压使EVA熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起，成为层压板。平铺覆盖层压后外观检验层压北京科诺伟业科技有限公司固化固化：在一定的时间和温度下，组件EVA完成交联的过程一次固化：组件在层压阶段就已经完成固化二次固化：组件在层压阶段不完成固化，需经过其他工序才完成固化削边层压时，EVA熔化后由于压力而向外延伸，固化形成毛边，应将其切除。北京科诺伟业科技有限公司组框边框打硅胶装框：铝边框槽内打入硅橡胶，将削边整齐的层压板轻置于组框机上，装入铝边框，成为太阳能电池组件。由于钢化玻璃本身结构的原因，其边角部分只要受到很小的撞击就会发生碎裂，装边框是为了保护组件钢化玻璃的边角。无边框的组件一般情况下不太容易安装，装边框是为了便于工程安装。该工序对于控制硅胶的高度要求较高，因为会直接影响后面的硅胶溢出状态。北京科诺伟业科技有限公司焊接触头安装灌胶接线盒安装装接线盒：保护导电体，便于工程安装，包括安装，焊接触头和灌胶三大块。在组件背部安装接线盒。沿接线盒底部打胶区打胶，胶圈连续均匀成闭合线，接线盒套住电极引线放在背板上，轻压并盖紧盒盖。接线盒的安装以利于组件与其他设备或组件间的电气连接。北京科诺伟业科技有限公司清洗在清洗桌上，用乙醇和无尘棉布等按照作业指导书将玻璃表面、背板、铝边框等清洗干净，无污迹和硅胶残留。去处表面脏污，使组件美观。增加光的透过率，增加组件功率。北京科诺伟业科技有限公司测试接线测试接线Pass后进入下一工序扫描I-V曲线Test1.绝缘耐压测试：测试边框与内部带电体(电池片、焊带等)之间在高压作用下是否会发生导通而造成危险2.接地电阻测试：测试边框与地之间的电阻，以确定边框接地性能是否良好3.测量组件电性能参数，以此确定组件的档次，如测试曲线异常时将将进行红外线测试和EL测试进行分析北京科诺伟业科技有限公司终检抽检包装扫描看I-V曲线看外观，pass后盖章贴名牌FQC：确定组件的等级，给组件分档，先扫描条形码检查测试信息，确认OK后检查外观，进行分档。已经检验过的产品进行抽检，AQL=2.5按照内部规定和顾客特殊要求进行包装，并进行粘贴标签和粘贴功率标签。晶体硅太阳电池主要参数北京科诺伟业科技有限公司P型单(多)晶硅(典型厚度180um～260um)正面电极极性为负，材料为丝网印刷厚膜导体银；背面电极极性为正，材料为丝网印刷厚膜导体银或银铝；背面场为丝网印刷厚膜导体铝。北京科诺伟业科技有限公司北京科诺伟业科技有限公司单晶硅太阳电池M125(D165)北京科诺伟业科技有限公司单晶硅太阳电池M156(D200)北京科诺伟业科技有限公司多晶硅太阳电池P125/P156北京科诺伟业科技有限公司常规组件技术参数Type

ModelName

Cell

Number

CellSize

(mm)

CellEfficiency

Module

Size（mm）

190W

SST190-72M72

M125×125

D150

18.25%

1580×808×35/50

M125×125

D165

17.7%

185W

SST185-48P

48

P156×156

16.5%

1320×990×35

200W

SST200-48M

M156×156

D200

18%

210W

SST210-54P

54

P156×156

16.5%

1480×990×35

225W

SST225-54M

M156×156

D200

18%

230WSST230-60P60P156×15616.5%

1640×990×50

250W

SST250-60M

M156×156

D200

18%

280W

SST280-72P

72

P156×156

16.5%

1956×990×50

300W

SST300-72M

M156×156

D200

18%

光伏组件设计示意图北京科诺伟业科技有限公司SST170-72MMonocrystallinesolarmodule（125单晶）

其他类型光伏组件北京科诺伟业科技有限公司北京科诺伟业科技有限公司北京科诺伟业科技有限公司北京科诺伟业科技有限公司北京科诺伟业科技有限公司相关测试标准北京科诺伟业科技有限公司IEC61215地面用晶体硅光伏组件—设计鉴定和定型IEC61730光伏组件安全性鉴定—结构要求UL1703美国安全认证欧洲电性能北京科诺伟业科技有限公司绝缘试验：DC1000V加上两倍系统最大电压1min电池片的标称工作温度（NOCT）电池表面的辐照度：800W/m2气温：20℃

风速：1m/s最优组件的NOCT为33℃，最劣组件为58℃，标准组件为48℃。（100%封装）标称测试条件：1000W/m2低辐照度下性能：200W/m2室外曝晒试验：总辐射量60kWh/m2热斑耐久试验：1000W/m2，5h可靠性测试北京科诺伟业科技有限公司遵循IEC61215、IEC61730、UL1703标准对组件及材料，如封装材料：背板、EVA…提供紫外预处理、热循环、湿-冻、湿-热等可靠性加速老化试验。可编程高低温湿热箱太阳能组件紫外预处理试验机北京科诺伟业科技有限公司干绝缘试验湿漏电试验晶体硅太阳能电池在环境模拟试验中的常见失效现象分析北京科诺伟业科技有限公司组件在高温高湿环境测试中失效现象【1-10】组件在紫外预处理环境测试中失效现象【11-12】北京科诺伟业科技有限公司1.EVA/glass脱层分析：EVA粘结性能下降，丧失影响：组件损坏，使用寿命缩短北京科诺伟业科技有限公司2.EVA/TPT脱层分析：EVA粘结性能下降，丧失影响：组件损坏，使用寿命缩短北京科诺伟业科技有限公司3.EVA黄变分析：EVA分子开始降解–胶膜性能↓影响：EVA黄变–透光率↓–电池效率↓–组件输出电能↓北京科诺伟业科技有限公司4.TPT龟裂分析：TPT耐候性能不良影响：组件损坏，使用寿命缩短北京科诺伟业科技有限公司5.TPT层间分离分析：说明TPT性能不良影响：组件损坏，使用寿命缩短北京科诺伟业科技有限公司6.TPT黄变分析：TPT耐侯性能不良影响：TPT黄变–光线折射率↓–电池效率↓–组件输出电能↓北京科诺伟业科技有限公司7.涂锡带黄变分析：涂锡带高温高湿环境中产生分解，与EVA发生化学反应影响：焊点松动→脱落，组件输出下降北京科诺伟业科技有限公司8.导电胶带鼓包分析：导电胶带与EVA性能不匹配，致使自身粘结性能失效，与电池片脱落影响：焊点松动→脱落，组件输出下降北京科诺伟业科技有限公司9.硅胶黄变分析：硅胶与EVA性能不匹配影响：影响组件外观及密封性能北京科诺伟业科技有限公司10.定位胶带鼓包分析：定位胶带与EVA性能不匹配影响：组件损坏，使用寿命缩短北京科诺伟业科技有限公司11.EVA黄变分析：EVA分子开始降解–胶膜性能↓影响：EVA黄变–透光率↓–电池效率↓–组件输出电能（下图为四家EVA同时测试，面积各位1/4）北京科诺伟业科技有限公司12.TPT变色分析：TPT耐紫外性能不良影响：TPT变色–光线折射率↓–电池效率↓–组件输出电能↓光伏组件应用——相关问题探讨初始光致衰减老化衰减失效现象北京科诺伟业科技有限公司晶体硅太阳电池衰减特性组件背板耐紫外功能下降黄变与EVA的剥离程度下降25年20%室外曝露实验IEC6121510.8在标准测试条件下，最大输出功率衰减不超过试验前的5%。实验结果：功率衰减体现在Isc下降，FF没有变化。北京科诺伟业科技有限公司AM大气质量—太阳光线通过大气层的路程对到达地球光强：1000W/m2光谱分布：AM1.5（AM1.5—太阳入射角为48°的太阳辐射）电池温度：25℃光谱响应特性北京科诺伟业科技有限公司由于光的颜色（波长）不同，转变为电的比例也不同，这种特性称为光谱特性。光谱特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳电池，测量此时电池的短路电流，然后依次改变单色光的波长，再重复测量以得到在各个波长下的短路电流，即反映了电池的光谱特性。北京科诺伟业科技有限公司随着温度的上升，短路电流上升，开路电压减小，转换效率降低。温度的升高，可使硅材料的禁带宽度降低，电子具有更低的能量就可从价带越过禁带到达导带，短路电流会提高。温度的变化，影响最大的是开路电压。温度北京科诺伟业科技有限公司根据在西宁地区实地测量的结果，夏天时光伏组件背表面温度可以达到70℃，而此时的太阳电池工作结温可以达到100℃。硅太阳能电池工作在温度较高情况下，开路电压随温度的升高而大幅下降，同时导致充电工作点的严重偏移，易使系统充电不足而损坏硅太阳能电池的输出功率随温度的升高也大幅下降，致使太阳能电池组件不能充分发挥最大性能。Case开路电压与额定值相比将降低约2.3×(100-25)×36片=6210mV峰值功率损失率约0.4%×(100-25)=30%北京科诺伟业科技有限公司辐照度对Isc的影响较大，对Voc的影响较小通常可以近似认为辐照度与Isc成正比例关系辐照度北京科诺伟业科技有限公司太阳电池热斑：太阳电池组件在阳