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太阳能电池组件本章主要介绍:基本概念光伏电池的互联太阳电池组件的结构及类型封装材料设备封装工艺电池组件失效问题探讨QuartzsandPolysiliconIngotsCellWaferModule3.1基本概念太阳电池是光电转换系统的最小单元，称之为单体太阳电池或称电池片。电池片一般不直接作为电源使用，主要有以下的原因：①单体电池是由硅晶材料制成，薄而脆，不能经受较大的撞击；②太阳电池必须与大气隔绝使用，因为大气中的水分和腐蚀性气体会缓慢地腐蚀电极，逐渐使电极脱落；③电池片的工作电压是0.4～0.6V，远不能满足一般用电设备的电压要求。地面应用的太阳电池组件的技术要求如下：①有一定的标称工作电压和输出功率；②组件的寿命长，要求正常工作20～30年，而且所用材料、零部件及其结构的使用寿命一致，不会因部分损坏而造成整个组件失效；③有良好的电绝缘性；④有足够的机械强度，能经受运输、安装和使用过程中的振动、冲击和其它应力；⑤组合引起的效率损失小；⑥成本较低。太阳电池片本身具有良好的稳定性，它的器件结构也是一种稳定的物理结构，如果是在密封良好的理想条件下使用具有极长的寿命，而现在的产品中只能保证20～25年寿命的原因就在于封装材料和封装工艺的限制。太阳电池组件的性能中最重要的就是组件的耐老化性能，而这主要是由封装材料的耐老化性能决定的，所以在这个领域内材料是第一位的，关于组件最重要的研究工作都是围绕材料展开的，其目的就是延长组件的寿命，同时还要降低生产成本。3.2光伏电池的互联3.2.1相同特性电池的互联在理想情况下，在组件中的电池会表现出来同样的特性，并且整个组件与单个电池的I-V曲线具有相同的形状，只是坐标轴的尺度会有差异。因此对N个串联和M个并联起来的电池：1exp0nkTNqVMIMIItotalLtotal3.2.2非相同特性电池的互联在实际情况下，所有电池都具有不同的特性，输出最小的电池限制了整个组件的总输出。组件中电池的最大输出的总和与组件实际达到的最大输出之间的差别就是失谐损耗。确定并联电池组短路电流的方法确定并联电池组开路电压的方法确定串联电池组开路电压和短路电流的方法3.2.3非相同特性的电池组件假如上述图中的电池被替换成电池组件、电池串、电池模块或者源电路，会出现相似的效果和曲线形状。来自于不同厂家的电池或组件，即使额定电流相同，仍可能具有不同的光谱响应，从而导致失谐损耗的出现。3.2.4热斑效应存在于组件里的失谐电池可导致某些电池在产生能量而某些电池在消耗能量。当组件或者组件串被短路时，所有的“好”电池的输出都会消耗在“坏”电池上。3.2.4热斑效应能量在“坏”电池上的消耗导致电池P-N结的局部击穿，在很小的区域会产生很大的能量消耗，导致局部过热，称为“热斑”，从而会导致电池或玻璃开裂、焊料熔化等破坏性的结果，电池组件也会发生同样的问题。-热斑效应对于热斑问题和失谐电池，一个解决办法是在原电路基础上加装旁路二极管。当光线不被遮挡时，每个二极管处于反偏压，每个电池都产生电能。当一个电池被遮挡时就会停止产生电能，成为一个高阻值电阻，同时其他电池促使其反偏压，导致连接电池两端的二极管导通，原本流过被遮挡电池的电流被二极管分流。具有故障电池的电池矩阵的输出有一个旁路二极管的“坏”电池对总输出的影响当总电路短路时，“坏”电池和二极管上消耗的能量约等于一个“好”电池的输出能量。将每个电池配备一个旁路二极管成本太高，所以二极管通常会连接于一组电池的两端，被遮挡的电池的最大功率消耗大约等于该电池所在电池组的总发电能力。对于硅太阳电池，在不引起损坏的情况下，一个旁路二极管最多连接10～15个电池。因此对于通常的36电池组件，最少需要3个旁路二极管以保证不被热斑效应所损坏。如果商业组件不具有旁路二极管，要保证组件不会长时间被短路，并且那部分组件不会被周围建筑物或邻近的电池阵列所遮挡。在每个太阳能电池内部集成一枚二极管的方案也是可行的，它是确保各个电池都不被损坏的一个低成本方法。合格的二极管应当能够承受其保护组件的2倍开路电压或者1.3倍的短路电流的工作条件。一些组件包含阻塞二极管，保证电流只会从组件流出。例如，它可以防止夜间蓄电池对太阳电池放电。因为阻塞二极管会消耗一部分电能，所以不是所有的电池串都具有阻塞二极管。与旁路二极管相似，阻塞二极管应当可以承受其保护组件的2倍开路电压或者1.3倍的短路电流。3.2太阳电池组件的结构及类型根据太阳电池片的类型太阳电池组件可分为：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，其中晶体硅电池组件约占市场的80％～90％。封装材料与工艺也不尽相同，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。常见太阳电池组件输出峰值功率有8，10，20，36，40，50，75，160W等。大功率的太阳电池发电系统须将多个组件连接成方阵。太阳电池单体、组件和方阵见图2所示。组件使用较多的是9串4列或12串3列共36片串联，额定电压为12V的组件。太阳电池组件的常见结构形式1玻璃壳体式结构玻璃壳体式太阳电池组件示意图1-玻璃壳体;2-硅太阳电池;3-连接条;4-粘接剂;5-衬底;6-下底板;7-边框线;8-电极接线柱2平板式太阳电池组件glassEVAcellsEVATPTJunctionbox目前平板式太阳电池是由高转换效率的单片太阳电池、EVA胶膜、低铁钢化玻璃和TPT复合薄膜组成，采用层压封装工艺。成品太阳电池组件正面外观成品太阳电池组件正面外观全胶密封太阳电池组件示意图1-硅太阳电池;2-粘接剂;3-电极引线;4-下底板;5-互连条3全胶密封太阳电池组件全胶密封太阳电池组件一般采用环氧树脂封装或硅胶封装。双面玻璃太阳电池组件--光伏建筑一体化与普通组件结构相比，双面玻璃组件利用玻璃代替TPE（或TPT)作为组件背板材料，如图所示。由于这种组件有美观、透光的优点，在光伏建筑上应用非常广泛，如：太阳能智能窗，太阳能凉亭和光伏建筑顶棚、光伏玻璃幕墙等。与建筑结合是太阳能光电发展的一大趋势，预计双面玻璃组件商业市场会进一步扩大。如何让太阳能电池与建筑物的屋顶和外墙相结合，既能够遮挡一部分阳光，又能够让一部分阳光射入建筑物内部？一种解决办法：德国设计师们将不透明的太阳能电池安装于双面玻璃之间，并且在电池片与电池片之间留出一定的空隙。每个屋顶3～5KW美国Springerville4.6MWp光伏电站LeipzigerLand.32，727块153Wp的组件=5MWp西班牙20MW光伏电站3.3封装材料太阳电池组件使用的封装材料有环氧树脂、有机硅树脂、玻璃、EVA、Tedlar或Tedlar复合薄膜(如TPT或TPE)、连接条、铝框等。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。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。3.3.1环氧树脂环氧树脂用于环氧树脂胶封太阳电池组件。环氧树脂是指分子中还有两个或两个以上环氧基团的线性有机高分子化合物。通过改变固化剂、促进剂等，环氧树脂的配方可以千变万化，从而具备各种不同的性能，以满足各种不同的要求。特性①机械性能优良；②耐化学药品性和耐气候性好；③电绝缘、尺寸稳定性好。④优异的工艺性：可供选择的品种多、固化方便、黏附力强和固化收缩率低。用于封装太阳电池的环氧树脂一般为双组分液体，使用时现场配制，主要是透光性、耐湿性、绝缘性和气密性好。环氧树脂一般在小型组件的封装上应用较多，主要用于太阳能草坪灯、玩具等消费品等。环氧树脂作为太阳电池封装材料存在的问题：1.耐老化性能相对差，容易老化而变黄。2.使用过程中还会由于老化导致材料脆化，通过对环氧树脂改性可在一定程度上改善其耐老化性能。3.封装材料要求具有较高的耐湿性和气密性。但环氧树脂是高分子材料，其分子间距离为50～200nm，大大超过水分子的体积。水的渗透降低电池的使用寿命。提高环氧树脂的疏水性是有效地提高其耐湿性的一项措施。4.用环氧树脂封装太阳电池时，由于与其它材料的膨胀系数不同，在成型固化过程而产生内应力，造成强度下降、老化龟裂、封装开裂、空洞、剥离等各种缺陷。通过添加改性剂或增塑剂可以降低材料体系的内应力；加入“软”的聚合物粒子如橡胶、硅胶，形成一种使应力易于传递和耗散的结构，也可大大降低材料的内应力。但是，要求添加的材料既与环氧树脂融合，又不影响封装后电池的透光性显得难度大。环氧树脂封装太阳电池组件工艺简单、材料成本低廉，在小型组件封装上使用较多，早期太阳能草坪灯大都采用这种组件。但由于环氧树脂抗热氧老化、紫外老化的性能相对较差，有被EVA层压封装取代的趋势。3.3.2有机硅胶有机硅胶用于硅胶封装太阳电池组件。有机硅化合物，是指含有Si-C键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。其中，以硅氧键（-Si-0-Si-）为骨架组成的聚硅氧烷，是有机硅化合物中为数最多，研究最深、应用最广的一类，约占总用量的90%以上。有机硅胶是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：1.耐高温、耐低温、耐老化、抗氧化、电绝缘、疏水。2.是弹性体。3.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。4.硅胶对玻璃陶瓷、金属等黏结力很强。5.有机硅胶是一种透明材料，透光率可达90％以上。6.具有低温固化的特点。特性有机硅胶作为太阳电池封装材料存在的问题：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，从而发生大分子的侧链或有机自由基的耦合等副反应而老化，使物理性能发生明显的变化，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。3.3.3EVA胶膜EVA胶膜用于层压封装太阳电池组件。标准的太阳电池组件中一般要加入两层EVA胶膜，EVA胶膜在电池与玻璃、电池与TPT之间起粘接作用。(1)EVA胶膜简介太阳电池硅晶片若直接暴露于大气中，其光电转换效能会衰减。为此采用透明、耐光老化、粘接性好、能承受大气变化且具有弹性的EVA胶层将硅晶片组包封，并和上层保护材料玻璃、下层保护材料TPT粘合为一体，构成太阳电池板。EVA是乙烯与醋酸乙烯脂的共聚物，EVA具有优良的柔韧性、耐冲击性、弹性、光学透明性、低温绕曲性、粘着性、耐环境应力开裂性、耐候性、耐腐蚀性、热密封性以及电性能等。上世纪80年代前，国内外曾试过用液态硅树脂和聚乙烯醇缩丁醛树脂片(PVB)，但因价格高、施工条件苛刻、物性不好而被淘汰。80年代起国外开始研制EVA胶膜，它是一种热熔粘接胶膜，常温下无粘性而具抗粘连性，经一定条件热压便发生熔融粘接与交联固化，在太阳电池封装与户外使用上均获得了相当满意的结果。我国于上世纪80年代中期开始，陆续从美国引进单晶硅太阳电池生产线，并逐年从美国进口EVA胶膜。为改变每年进口封装材料的被动局面，国家科委将EVA胶膜国产化列入“八五”攻关计划。浙江化工研究院等单位于80年代后期着手EVA胶膜国产化研究。2019年11月由国家科委在杭州通过了浙江化工研究院的成果鉴定与攻关验收。该成果获得浙江省2019年度科技进步二等奖。EVA胶膜的研究成功，填补了国内空白。2019年浙江化工研究院建成了国内第一条年产30万平方米、幅宽达1000mm以上太阳能电池EVA胶膜生产线，同时将第二代快速固化胶膜产品推向市场，获得大量使用。2019年获国家发改委/世界银行/GEF技术进步项目支持。EVA的性能主要取决于分子量和醋酸乙烯酯(以VA表示)的含量：当分子量一定时，VA的含量增高，EVA的弹性、柔软性、粘结性、相溶性和透明性提高；VA的含量降低，EVA则接近于聚乙烯的性能。当VA含量一定时，分子量降低则软化点下降，而加工性及表面光泽改善，但强度降低；分子量增大，可提高耐冲击性和应力开裂性。