BOB半岛:光伏硅片、电池、组件的整体制造流程与主要材料介绍

　　电池组件是光伏发电系统最重要的组成部件，它主要由电池片、玻璃、EVA胶膜、光伏背板、铝合金边框、接线盒等组成，这些材料和部件对电池组件的质量、性能和使用寿命影响都很大。另外，电池组件在整个光伏发电系统中的成本，占到光伏发电系统建设总成本的50％以上，而且电池组件的质量好坏，直接关系到整个光伏发电系统的质量、发电效率、发电量、使用寿命、收益率等。因此了解构成电池组件的各种原材料和部件的技术特性，熟悉电池组件的制造工艺技术和生产流程非常重要。

　　为便于大家对电池组件有更多的了解，下面就生产制造电池组件所需的主要原材料及部件的构成、性能参数和基本要求等分别进行介绍。

　　硅电池片的基片材料是P型的单晶硅或多晶硅，它通过专用切割设备将单晶硅或多晶硅硅棒切割成厚度为180μm左右的硅片后，再经过一系列的加工工序制作而成，硅电池片的生产工艺流程如图2-18所示。

　　④ 应用高品质的银和银铝金属浆料制作背场和栅线电极，确保良好的导电性、可靠的附着力和很好的电极可焊性。

　　硅电池片按用途可分为地面用晶体硅电池、海上用晶体硅电池和空间用晶体硅电池，按基片材料的不同分为单晶硅电池和多晶硅电池。硅电池片常见的规格尺寸有125mm×125mm、156mm×156mm、156.75mm×156.75mm等，目前主流应用的大部分是156.75mm×156.75mm的，电池片厚度一般在180～200μm。

　　从图2-19中可以看到，电池片表面有一层蓝色的减反射膜，还有银白色的电极栅线。其中很多条细的栅线，是电池片表面电极向主栅线汇总的引线，几条宽一点的银白线就是主栅线，也叫电极线或上电极（目前在生产的有4条、5条甚至12条主栅线的电池片）。电池片的背面也有几条与正面相应的间断银白色的主栅线，叫作下电极或背电极。

　　电池片与电池片之间的连接，就是把互连条焊接到主栅线上实现的。一般正面的电极线是电池片的负极线，背面的电极线是电池片的正极线。太阳电池无论面积大小（整片或切割成小片），单片的正负极间输出峰值电压都是在0.52～0.56V。而电池片的面积大小与输出电流和发电功率成正比，面积越大，输出电流和发电功率越大。

　　由于单晶硅电池片和多晶硅电池片前期生产工艺的不同，它们从外观到电性能都有一些区别。从外观上看，单晶硅电池片四个角呈圆弧缺角状，表面没有花纹；多晶硅电池片四个角为方角，表面有类似冰花一样的花纹。单晶硅电池片减反射膜绒面表面颜色一般呈现为黑蓝色，多晶硅电池片减反射膜绒面表面颜色一般呈现为蓝色。

　　对于使用者来说，相同转换效率的单晶硅电池和多晶硅电池是没有太大区别的。单晶硅电池和多晶硅电池的寿命和稳定性都很好。虽然单晶硅电池的平均转换效率比多晶硅电池的平均转换效率高1％左右，但是由于单晶硅太阳电池只能做成准正方形（4个角是圆弧），当组成电池组件时就有一部分面积填不满，而多晶硅电池片是正方形，不存在这个问题，因此对于光伏电池组件的效率来讲几乎是一样的。

　　另外，由于两种电池材料的制造工艺不一样，多晶硅电池制造过程中消耗的能量要比单晶硅电池少30％左右，所以过去几年多晶硅电池占全球电池总产量的份额越来越大，制造成本也大大小于单晶硅电池，从生产工艺角度看，使用多晶硅电池更节能、更环保。

　　随着多晶硅电池片制造技术的不断发展，多晶硅电池片的转换效率已经从目前的17％～17.5％，提高到18％以上，也成为高效电池片。该高效多晶电池片与传统的多晶电池片相比，除了表面颜色变成了黑色以为，外观上看不出差异。但实际上，这种电池片比传统的电池片，效率高出0.3％～0.7％，而原有多晶硅电池片生产技术，想让其效率提高0.1％都难度很大。

　　高效多晶电池片的技术原理，就是将原有电池表面较大尺寸的凹坑经过化学刻蚀的方法处理成许多细小的小坑，即在原有电池的纳米结构上生成纳米尺寸小孔，让电池表面的反射率从原来的15％降到5％左右。对太阳光的利用率提高，电池的效率自然也就提升了。通过化学反应后得到的电池片材料在外观上呈现黑色，故得名“黑硅”，该项技术也被称为黑硅技术。

　　尽管如此，从目前的制造技术看，多晶硅电池片的转换效率已经接近实验室水平，要达到18.5％以上比较困难，上升空间有限。而随着单晶硅电池片制造技术的不断改进，P型和N型单晶硅电池片的转换效率已分别达到19％～19.5％和21％～24％的水平，转换效率的提高，使单晶硅电池片的制造成本逐渐下降，到目前已经基本与多晶硅电池持平，单晶硅电池在光伏发电系统（电站）的发电量、发电成本和发电收益率等方面的优势将逐步显现出来。

　　根据测算，按照目前行业普遍承诺的25年使用年限来计算，一个相同规模的光伏电站，使用单晶硅电池组件比使用多晶硅电池组件要多13.4％的发电收益。尽管目前每瓦单晶硅电池组件比多晶硅电池组件成本高5％左右，但由于单晶硅组件发电效率高，同样的装机容量占地面积小，基础、支架、电缆等系统周边器材使用量也相应减少，二者的综合投入成本基本相当。在光伏发电系统设计中选择多晶硅电池组件或单晶硅电池组件，与年发电量及投资收益率大小的分析，请参看本章中有关电池组件选型的内容。

　　硅电池片的内部等效电路如图2-20所示。为便于理解，我们可以形象地把太阳电池的内部看成是一个光电池和一个硅二极管的复合体，既在光电池的两端并联了一个处于正偏置的二极管，同时电池内部还有串联电阻和并联电阻的存在。由于二极管存在，在外电压的作用下，会产生通过二极管P-N结的漏电流Id，这个电流与光生电流的方向相反，因此会抵消小部分光生电流。

　　串联电阻主要是由半导体材料本身的体电阻、扩散层横向电阻、金属电极与电池片体的接触电阻及金属电极本身的电阻几部分组成，其中扩散层横向电阻是串联电阻的主要形式。正常电池片的串联电阻一般小于1Ω。并联电阻又称旁路电阻，主要是由于半导体晶体缺陷引起的边缘漏电、电池表面污染等使一部分本来应该通过负载的电流短路形成电流Ir，相当于有一个并联电阻的作用，因此在电路中等效为并联电阻，并联电阻的阻值一般为几千欧。

　　通过分析说明，光伏电池的串联电阻越小，旁路电阻越大，就越接近于理想的电池，该电池的性能就越好。

　　硅电池片的性能参数主要有：短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因子、转换效率等。

　　① 短路电流（Isc）：当将电池片的正负极短路，使U=0时，此时的电流就是电池片的短路电流，短路电流的单位是A（安培），短路电流随着光强的变化而变化。

　　② 开路电压（Uoc）：当将电池片的正负极不接负载，使I=0时，此时太阳电池正负极间的电压就是开路电压，开路电压的单位是V（伏特），单片太阳电池的开路电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.6～0.7V，当用多个电池片串联连接的时候可以获得较高的电压。

　　③ 峰值电流（Im）：峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流。峰值电流是指太阳电池片输出最大功率时的工作电流，峰值电流的单位是A。

　　④ 峰值电压（Um）：峰值电压也叫最大工作电压或最佳工作电压。峰值电压是指太阳电池片输出最大功率时的工作电压，峰值电压的单位是V。峰值电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.5～0.55V。

　　⑤ 峰值功率（Pm）：峰值功率也叫最大输出功率或最佳输出功率。峰值功率是指太阳电池片正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积：Pm=Im×Um。峰值功率的单位是Wp（峰瓦）。太阳电池的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和电池片的工作温度，因此太阳电池的测量要在标准条件下进行，测量标准为欧洲委员会的101号标准，其条件是辐照度1kW/m2、光谱AM1.5、测试温度25℃。

　　⑥ 填充因子（FF）：填充因子也叫曲线中阴影部分的矩形面积（Im×Um）与虚线部分的矩形面积（Isc×Uoc）之比，也就是电池片的峰值输出功率与开路电压和短路电流乘积的比值：FF=Pm/Isc×Uoc。填充因子是一个无单位的量，是评价和衡量电池输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明太阳电池输出特性越趋于矩形，太阳电池的光电转换效率越高。

　　太阳电池内部的串、并联电阻对填充因子有较大影响，太阳电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充因子的系数越大。填充因子的系数一般在0.7～0.85，也可以用百分数表示。

　　⑦ 转换效率（η）：电池片的转换效率用来表示照射在电池表面的光能量转换成电能量的大小，一般用输出能量与入射能量的比值来表示，也就是指电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的太阳能量功率的比值。即：

　　η=Pm（电池片的峰值功率）/A（电池片的面积）×Pin（单位面积的入射光功率），其中Pin=1000W/m2=100mW/cm2。

　　电池组件采用的面板玻璃是低铁超白绒面或光面钢化玻璃。一般厚度为3.2mm和4mm，建材型电池组件有时要用到5～10mm厚度的钢化玻璃。无论厚薄都要求透光率在91％以上，光谱响应的波长范围为320～1100nm，对大于1200nm的红外光有较高的反射率。

　　低铁超白就是说这种玻璃的含铁量比普通玻璃要低，含铁量（三氧化二铁）≤150ppm，从而增加了玻璃的透光率。同时从玻璃边缘看，这种玻璃也比普通玻璃白，普通玻璃从边缘看是偏绿色的。

　　绒面的意思就是说这种玻璃为了减少阳光的反射，在其表面通过物理和化学方法进行减反射处理，使玻璃表面成了绒毛状，从而增加了光线的入射量。有些厂家还利用溶胶凝胶纳米材料和精密涂布技术（如磁控喷溅法、双面浸泡法等技术），在玻璃表面涂布一层含纳米材料的薄膜，这种镀膜玻璃不仅可以显著增加面板玻璃的透光率（2％以上），还可以显著减少光线反射，而且还有自洁功能，可以减少雨水、灰尘等对电池板表面的污染，保持清洁，减少光衰，并提高发电率1.5％～3％。

　　钢化处理是为了增加玻璃的强度，抵御风沙冰雹的冲击，起到长期保护太阳电池的作用。面板玻璃的钢化处理，是通过水平钢化炉将玻璃加热到700℃左右，利用冷风将其快速均匀冷却，使其表面形成均匀的压应力，而内部则形成张应力，有效提高了玻璃的抗弯和抗冲击性能。对面板玻璃进行钢化处理后，玻璃的强度比普通玻璃可提高4～5倍。

　　EVA胶膜是乙烯与醋酸乙烯脂的共聚物，是一种热固性的膜状热熔胶，在常温下无黏性，经过一定条件热压便发生熔融黏结与交联固化，变得完全透明，是目前电池组件封装中普遍使用的黏结材料，EVA胶膜的外形如图2-21所示。太阳电池组件中要加入两层EVA胶膜，两层EVA胶膜夹在面板玻璃、电池片和TPT背板膜之间，将玻璃、电池片和TPT粘接在一起。它和玻璃粘合后能提高玻璃的透光率，起到增透的作用，并对电池组件的功率输出有增益作用。

　　EVA胶膜具有表面平整、厚度均匀、透明度高、柔性好，热熔粘接性、熔融流动性好，常温下不粘连、易切割、价格较廉等优点。EVA胶膜内含交联剂，能在150℃的固化温度下交联，采用挤压成型工艺形成稳定的胶层。其厚度一般在0.2～0.8mm，常用厚度为0.46mm和0.5mm。

　　EVA的性能主要取决于其分子量与醋酸乙烯脂的含量，不同的温度对EVA的交联度有比较大的影响，而EVA的交联度直接影响组件的性能和使用寿命。

　　在熔融状态下，EVA胶膜与太阳电池片、面板玻璃、TPT背板材料产生黏合，此过程既有物理的黏结也有化学的键合作用。为提高EVA的性能，一般都要通过化学交联的方式对EVA进行改性处理，具体方法是在EVA中添加有机过氧化物交联剂，当EVA加热到一定温度时，交联剂分解产生自由。