太阳能光伏组件制造技术详解
太阳能光伏组件制造技术详解
1.1.1 认识光伏发电技术
早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。1958年美国将太阳能电池应用在卫星上。
20世纪90年代后，光伏发电快速发展，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。
根据欧洲光伏产业协会（EPIA）统计，2009年全球新增装机容量达7.2GW，比2008年的5.5GW增长了31％。2010年全球光伏装机容量实际达到了18.2GW，同时太阳能光伏组件的生产成本进一步降低，2012年，太阳能光伏组件的价格保持在0.70～0.85美元/瓦，光伏组件价格大幅下滑还将持续，预计到2015年跌至0.45美元/瓦。
根据不完全统计，截至到2013年12月末，中国光伏发电新增装机容量达到1066万千瓦，光伏发电累计装机容量达到1716万千瓦。2014年中国实际完成的装机量为10.6GW。2015年3月16日晚，国家能源局下发《关于下达2015年光伏发电建设实施方案的通知》，按照规划，2015年全国新增光伏电站建设规模为17.8吉瓦，接近三峡装机总量。中国在2015年总装机量近30吉瓦，2015年中国将超越德国成为光伏装机量第一大国，光伏产业再次迎来高速发展时代。
1.1.2 认识光伏产业链
光伏产业链包括硅料、硅片、太阳能电池片、太阳能光伏组件、应用系统5个环节。上游为硅料、硅片环节；中游为电池片、光伏组件环节；下游为应用系统环节。
近年来，我国光伏产业蓬勃发展，这主要得益于欧美等发达国家对光伏产业的重视及一系列的扶持项目和政策。我国光伏产业有“两头在外”之说，其中一头就是指我国光伏产品的消费市场在国外。但国内光伏应用水平极低，因此光伏产品消费市场也极其狭小，缺乏内需支撑。另一头是产业链上游的硅料和硅锭生产在很长时间内依靠国外的技术。
1.2.1 半导体基础知识介绍
在自然界中，物体根据导电性能和电阻率的大小分为三类，导体、半导体、绝缘体。
纯净的半导体称为本征半导体。本征半导体中电子和空穴总是成对地出现，称为电子一空穴对。
在本征半导体(锗或硅)中掺入三价元素硼形成P型半导体。P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
在本征半导体(锗或硅)中掺入五价元素磷形成N型半导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。
把P、N型两种半导体材料通过特殊的工艺放在一起形成PN结。
1.2.2 分析太阳能电池工作过程
晶体中大量电子能级分布组成密集的能级带，称为能带。其中“价带”能级最低，“导带”能级最高。处于导电状态的能级区域称为导带。导带与价带之间区域称为禁带。
太阳能电池等效电路有理想形式和实际形式两种。
光伏发电的优缺点
优点：
- 太阳能取之不尽，用之不竭。
- 应用范围广。
- 太阳能处处可得到，不必远距离运输，避免长距离输电线路的损失。
- 不用燃料，运行成本很低。
- 无机械转动部分，操作、维护简单，运行稳定可靠。
- 太阳能发电过程中不易产生污染废弃物，是理想的清洁能源。
- 太阳能发电系统建设周期短，方便灵活，可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳能方阵，避免浪费。
- 太阳能电池生产资料丰富。硅材料储量丰富，地壳丰度在氧元素之后，列第二位，达到26％之多。
- 能量回收期短。
缺点：
- 能量密度低。
- 占地面积大。
- 地面应用时有间歇性，在晚上或阴雨天不能或很少发电。
- 成本高。
1.2.2 我国太阳能资源分布
按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区：
一类地区：全年日照时数为3200～3300小时，辐射量在670～837×104kJ/cm2·a。相当于225～285kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。这是我国太阳能资源最丰富的地区。
二类地区：全年日照时数为3000～3200小时，辐射量在586～670×104kJ/cm2·a，相当于200～225kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。此区为我国太阳能资源较丰富区。
三类地区：全年日照时数为2200～3000小时，辐射量在502～586×104kJ/cm2·a，相当于170～200kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。
四类地区：全年日照时数为1400～2200小时，辐射量在419～502×104kJ/cm2·a。相当于140～170kg标准煤燃烧所发出的热量。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以。
五类地区：全年日照时数约1000～1400小时，辐射量在335～419×104kJ/cm2·a。相当于115～140kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括四川、贵州两省。
1.3.1 认识太阳能电池
太阳能电池按所用材料可分为硅太阳能电池和化合物太阳能光伏电池两大类。
太阳能电池按电池的构造可分为块（片）状或薄膜状两种。
晶体硅太阳能电池的结构
晶体硅太阳能电池的内部结构：
晶体硅太阳能电池片的外形结构：
硅晶体太阳能电池的生产工艺过程
硅片检测：主要用来对硅片的一些技术参数进行在线测量，这些参数主要包括硅片表面不平整度、少子寿命、电阻率、P/N型和微裂纹等。
表面制绒：将硅表面进行预清洗并用强碱或强酸腐蚀成类似金字塔或蜂窝状结构的过程，其作用是去除损伤层，形成减反射绒面。
扩散制结：在P（N）型衬底上扩散N（P）型杂质形成PN结。因为正是PN结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。
等离子体刻边：扩散过程中，硅片采用背靠背扩散，硅片的所有表面包括边缘不可避免地扩散上磷。P-N结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘有磷的区域流到P-N结的背面，从而造成短路。因此，必须对电池片周边的掺杂硅进行刻蚀。
镀减反射膜：抛光硅表面的反射率为35%，为了减少表面反射，提高电池的转换效率，需要沉积一层氮化硅减反射膜。现在工业生产中常采用PECVD设备制备减反射膜。PECVD即等离子增强型化学气相沉积。
丝网印刷：为了将太阳能电池产生的电流导出，需要在电池表面上制作正、负两个电极。丝网印刷是目前制作太阳电池电极最普遍的一种生产工艺。
快速烧结：丝网印刷后的电池片需要经高温烧结才能形成电极欧姆接触和铝背场，当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体硅原子以不定式的比例融入熔融的银电极材料中，从而形成上、下电极的欧姆接触。
太阳能电池片的特性
太阳能电池片的特性一般包括太阳能电池的伏安特性、光照度特性及温度特性。
1.3.2 认识太阳能光伏组件
大多数晶体硅太阳能光伏组件是由透明的前表面、胶质密封材料、太阳能电池片、接线盒、端子、背表面和框架等组成。
太阳能光伏组件多为平板式封装结构，经真空层压而成，从上至下依次为琉璃、EVA材料、电池片、EVA材料、TPT材料。
太阳能光伏组件的制作工序
电池片的分选（检测）：由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起，所以应根据其性能参数进行分类。电池测试即通过测试电池的输出参数（如功率等）的大小对其进行分类。以提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。
单片焊接：将互连条（带）焊接到电池正面（负极）的主栅线上。
串联焊接：将N张片电池串接在一起形成一个组件串。
组件叠层：电池片串联焊接好且经过检验合格后，将组件串、玻璃和切割好的EVA、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好。
组件层压：将敷设好的电池放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷却取出组件。
修边：层压时EVA熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应将其切除，称为修边。
装框：将组件放入铝合金框架中，用密封胶密封，最后安装接线盒。