太阳能光伏入门晶硅组件篇.docx

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太阳能光伏入门晶硅组件篇

一、光伏产品的应用

1.1、什么是光伏？

1839年，法国的Becqueral第一次发现，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，贝尔实验室Chapin等人开发出效率为6%的单晶硅太阳电池，现代硅太阳电池时代从此开始

1.2、光伏发电的应用

神舟五号飞船上的太阳能帆板

空间站上的天阳能帆板

太阳能汽车

太阳能飞行器

光伏发电站

通过光伏供电的通讯基站

太阳能电池充电器

太阳能路灯

二、光伏产业链的介绍

2.1、光伏产业链

多晶硅料————多晶硅片————太阳电池————光伏组件————光伏系统

三、产业链各环节介绍

3.1、硅片

生产多晶硅片的工艺流程

多晶硅料（棒状、块状、粒状）

多晶硅硅锭

多晶硅硅片

单晶硅硅棒

单晶硅硅片

3.1.1、硅片规格

目前晶体硅太阳电池硅片分为单晶硅硅片和多晶硅硅片，单晶硅硅片主要是125mm×125mm，多晶硅硅片主要是125mm×125mm或156mm×156mm

3.1.2、单晶硅片与多晶硅片的外观区别

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均匀一致，单晶硅硅片因为实用硅棒的原因，四角有圆形大倒角，而多晶硅硅片一般采用小倒角

3.1.3、生产方法

单晶硅硅棒

提拉法

区熔法

多晶硅硅锭

浇铸法

热交换法及布里曼法

电磁铸锭法

3.1.4、清洗硅料

除去硅料表面的石英，金属离子等先使用碱液去除石英等，再使用酸混合液酸洗，再用等离子水冲洗浸泡至中性，最后烘干分类存放

设备、工具模：

硅料清洗机、硅料花篮、温度计、PH测量计、电阻率测量仪、量杯、电子称、防护服等

材料：

硅料、NaOH、HF、HCL、去离子水

硅料清洗机

3.1.5、装料

装料前需对坩埚进行坩埚涂喷、坩埚烧结处理，在坩埚内表面形成均匀厚度的氮化硅为避免硅料与坩埚接触污染硅锭装料时按照坩埚底大块硅料、上面细硅料的原则，硅料缝隙间用细小硅料填充

坩埚涂喷烧结设备、工具模、材料：

坩埚喷涂站、坩埚烧结炉、恒温箱、红外测温枪、防护服、电动吸等;石英坩埚、氮化硅粉、纯水、压缩空气

装料设备、工具模、材料：

硅锭运转车、石墨护板、防护服、电子称、工业吸尘器;石英坩埚、硅料、硼母合金

3.1.6、铸锭

在上面工艺流程中的熔化、定向生长、冷却凝固、硅锭出炉都是在铸锭炉内完成生成完整的多晶硅锭我公司使用的铸锭炉原理方法是上面介绍的热交换法及布里曼法

设备、工具模：

定向凝固炉（DSS）、装卸料电瓶车、工业吸尘器、耐高温手套、硅锭转运车等

材料：

真空油脂、氩气、压缩空气

铸锭炉

3.1.7、破锭

将硅锭切割成一定尺寸的硅块，去除硅锭四周边皮料，再对硅块四角轮流进行倒角，最后去头尾边皮料、头尾料中含有较高的碳、氧、金属杂质等，严重影响硅片性能

设备、工具模：

多线切割剖锭机、倒角机、数控金刚石带锯床、防护服、吊车

材料：

粘接剂、钢线、砂浆、金刚石带锯

多线切割剖锭机

3.1.8、多线切割

将处理好的硅块进行粘接、切割，切割成设定厚度的硅片目前硅片厚度一般为180um和200um粘接时，对硅块粘接面、金属模板、玻璃进行清洗，使用粘接剂粘接在一起

设备、工具模：

超声波清洗机、多线切割机、电瓶堆垛车、吹风机、铲刀、电子称等

材料：

硅块、粘接剂、卷纸、酒精、钢线、砂浆等

多线切割机

3.1.9、硅片清洗

在硅片清洗前，对切割后的硅片进行预清理，将硅片从模板下清洗下来硅片清洗使用清洁剂、醋酸、纯水清洗，去除粘接剂和各种表面杂质，得到清洁的硅片

设备、工具模、材料：

硅片预清洗设备、硅片清洗机、清洗剂、醋酸、纯水多晶硅片、硅片盒等

3.1.10、包装

使用硅片检测设备对硅片进行测试、分选，测试出每片硅片的性能参数，根据性能分类测试数据包括厚度、电阻率、少子寿命等相同分类的硅片包装在一起

硅片检测设备

3.1.11、硅片性能参数

①型号（掺B的P型与掺P的N型）

②电阻率

③少数载流子寿命

④硅片边长

⑤对角线长度

⑥倒角

⑦厚底

⑧总厚度变化

3.2、电池

3.2.1、晶体硅太阳电池区别

两者最大差别在于硅片，多晶硅片是许多硅晶粒的集合体

单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池

3.2.2、晶体硅太阳电池结构

正面和背面的金属电极用来收集光激发的自由电子和空穴，对外输出电流；减反射薄膜的作用是减小入射太阳光的反射率；pn结的作用是将光激发的自由电子输送给n型硅，将自由空穴输送给p型硅

3.2.3、太阳电池工作原理

当太阳光照射到太阳电池表面时，由于光生伏特效应，太阳电池的正面电极和背面电极之间产生电压，用金属导线接上电灯、电器等负载，可为这些负载提供电流

3.2.4、晶体硅太阳电池的生产工艺流程

3.2.5、晶体化学表面处理（清洗制绒）

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

清洗目的:

清洗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

单

晶硅片的清洗采用碱液腐蚀的技术，碱液与硅反应生成可溶于水的化合物同时在表面形成金字塔状的绒面结构多晶硅片的清洗则采用酸液腐蚀的技术，酸液与硅反应生成可溶于水的化合物，同时形成的绒面结构是不规则的半球形或者蚯蚓状的“凹陷”

由于绒面结构的存在，入射光经绒面第一次反射后，反射光并非直接射入到空气中，而是遇到邻近绒面，经过临近绒面的二次反射甚至第三次反射后，才射入到空气中，这样对入射光线就有了多次利用，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

3.2.6、多晶硅片的酸腐蚀清洗

通常应用的硅的酸腐蚀液包含氧化剂（如HNO3）和络和剂（如HF）两部分

一方面通过HNO3与硅的氧化作用在硅的表面生成SiO2另一方面通过HF对SiO2的络合作用生成可溶性的络合物

除HCl外，HF、HNO3、KOH都是强酸腐蚀性的化学药品，其中HF腐蚀最为强烈，他们的固体颗粒、溶液，蒸汽会伤害到人的皮肤、眼睛、呼吸道

多晶硅片清洗设备

3.2.7、磷扩散

磷扩散的目的：

制备太阳电池的核心——pn结

吸出硅片内部的部分金属杂质

磷扩散的方法：

三氯氧磷（POCl3）液态源扩散（常用，效率高、pn结均匀、平整和扩散层表面良好）

喷涂磷酸水溶液后链式扩散

丝网印刷磷浆料后链式扩散

三氯氧磷液态源扩散原理

三氯氧磷介绍：

三氯氧磷是目前磷扩散用得较多的一种杂质源，为无色透明液体并具有刺激性气味，纯度不高为红黄色；比重为1.67，熔点2℃，沸点107℃，在潮湿空气中发烟；很容易挥发或水解，升温下与水接触会反应释放出腐蚀有毒易燃气体

管式扩散炉

3.2.8、背面及周边刻蚀

　　扩散后的硅片除了表面的一层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，因此需去除背面以及周边的n型硅薄层

背面及周边刻蚀的目的：

去除硅片背面和周边的pn结

去除表面的磷硅玻璃（PSG）磷硅玻璃是扩散过程中的反应产物，是一层含磷原子的二氧化硅

背面及周边刻蚀的方法：

酸液腐蚀（湿法刻蚀）

等离子体刻蚀（干法刻蚀）

背面及周边刻蚀原理：

硝酸/亚硝酸将硅氧化成二氧化硅（主要是亚硝酸将硅氧化）；二氧化硅和氢氟酸反应（快反应），生成四氟化硅和水（快反应），四氟化硅又和水化合成氟硅酸进入溶液；硫酸不参与反应，仅仅是增加氢离子浓度，加快反应，增加溶液黏度（增大溶液与PSG薄层间的界面张力）和溶液密度

湿法刻蚀设备

3.2.9、PECVD镀氮化硅（SiN）薄膜 

PECVD镀氮化硅的目的：

氮化硅薄膜作为减反射膜可减小入射光的反射

在氮化硅薄膜的沉淀过程中，反应产物氢原子进入到氮化硅薄膜内以及硅片内，起到了钝化缺陷的作用

太阳电池表面的深蓝色SiN薄膜

SiN薄膜的物理性质和化学性质：

结构致密硬度大

能抵御金属离子的侵蚀

介电强度高

耐湿性好

耐一般的酸碱，除HF和热H3PO4

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

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的二次反射，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，从而减小了反射沉淀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

PECVD镀膜设备

3.2.10、丝网印刷与烧结

丝网印刷的目的：

印刷背面电极浆料，银铝浆，并烘干

印刷背面场浆料，铝浆，并烘干

印刷正面电极浆料，银奖，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金属的电极

正面电极背面电极

丝网印刷设备

烧结炉

3.2.11、晶体硅太阳电池的电流——电压特性

将太阳电池接上负载在光照条件下，改变负载的电阻，太阳电池的输出电压V、输出电流I和输出功率P将随之变化记录下V、I、P的变化情况，并将数据绘成曲线，将得到上图的曲线，称为太阳电池的电流——电压特性

3.2.12、太阳电池的性能参数

短路电流Isc：

负载的电阻为零时，太阳电池的输出电流

开路电压Voc：

负载电阻无穷大时，太阳电池的输出电压

最大功率点Pm：

太阳电池的最大输出功率

最大功率点电流Im：

输出功率最大时，太阳电池的输出电流

最大功率点电压Vm：

输出功率最大时，太阳电池的输出电压

转换效率η：

太阳电池的最大输出功率Pm与入射光功率的比值

填充因子FF：

太阳电池的最大输出功率Pm与短路电流Isc、开路电压Voc乘积的比值

串联电阻Rs：

由体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面的接触电阻组成

并联电阻Rsh：

为旁漏电阻，他是由硅片的边缘不清洁或硅片表面缺陷引起

3.3、组件

产品实图

3.3.1、组件线

　　组件线又叫封装线，封装是太阳能电池生产中的关键步骤，没有良好的封装工艺，多好的电池也生产不出好的组件板电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强度产品的高质量和高寿命是赢得客户满意的关键，所以组件版的封装质量非常重要

　　组件作为晶体硅太阳能行业的最终产品，应用于光伏系统发电，即直接面向客户其质量最为关键目前，优良的组件产品拥有25年的质量保证，即十年内功率衰减减小小于等于10%，二十五年内功率减小少于等于20%

3.3.2、组件结构 

3.3.3、材料——晶体硅太阳电池

　　晶体硅太阳电池是组件最重要的部分，直接影响组件的电性能

3.3.4、材料——EVA

　　EVA是一种热熔胶粘剂，常温下无粘性且具有抗粘性，便于操作，经一定条件热压发生熔融粘接与交联固化，并变得完全透明，长期的实践证明：

它在太阳电池封装与户外使用均获得相当满意的效果

固化后的EVA能承受大气变化且具有弹性，他将晶体硅片组“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，它和玻璃粘和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

3.3.5、材料——TPT

　　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，中间层为聚酯薄膜具有良好的绝缘性能，内层PVF需经表面处理的EVA具有良好的粘接性能

　　太阳电池背面覆盖物——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，并因此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应具有的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求

3.3.6、材料——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范围内（320-1100nm）透光率达到91%以上，对于大于1200nm的红外光有较高的反射率此玻璃能同时耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降

3.3.7、材料——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

3.3.8、材料——涂锡铜带

　　涂锡带由无氧铜剪切拉拨或轧制而成，所有外表面都有热度涂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

3.3.9、工艺流程

划片——电池检修——正面焊接+检验——背面串接+检验——敷设（玻璃清洗、材料切割、敷设）——中间测试——层压——去毛边（去边、清洗）——装边框（涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶）——焊接接线盒——组件测试+外观检验——包装入库

3.3.10、工艺——划片

　　根据需要进行划片，将太阳电池切成需要的小尺寸

　　所需设备：

激光划片机

　　材料：

太阳电池片、破碎太阳电池片

3.3.11、工艺——电池测试

　　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（电流和电压）的大小对其进行分类以提高电池的利用率，做出质量合格的光伏组件

　所需设备：

太阳能电池单体测试分选仪

材料：

电池片

电池测试

3.3.12、工艺——正面焊接

　　是将焊带焊接到电池正面（负极）的主栅线上焊带为镀锡的铜带，长度约为电池边长的2倍多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连

所需设备：

恒温焊台（手工焊）、自动串焊机（机械焊）

材料：

电池片、焊带（助焊剂浸泡）

辅助工具：

烙铁头、酒精、无尘布

工装：

焊接工作台

3.3.13、工艺——背面串接

　　背面焊接是将12片电池串接在一起形成一个组件串，电池的定位主要靠一个模具板，上面有12个放置电池片的凹槽，槽的大小和电池的大小相对应，槽的位置已经设计好，不同规格的电池片使用不同的模板，操作者实用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上，这样依次将12片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线

所需设备：

恒温焊台（手工焊）、自动串焊机（机械焊）

材料：

电池片、焊带（助焊剂浸泡）

辅助工具：

烙铁头、酒精、无尘布

工装：

焊接工作台

3.3.14、工艺——敷设

　　背面串接好且经过检验合格后，将组件串、玻璃和切割好的EVA、背板按照一定的层次敷设好，准备层压敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，为层压打好基础

所需设备：

恒温焊台

材料：

电池串，焊锡丝，切割好的EVA、TPT，清洗干净的钢化玻璃，汇流条

辅助工具：

烙铁头、手术刀

工装：

敷设台

敷设

3.3.15、工艺——玻璃清洗

　　用自来水清洗玻璃，去除表面污渍、杂质等

所需设备：

玻璃清洗机

材料：

钢化玻璃、自来水

3.3.16、工艺——材料切割

　　切割TPT、EVA成合适尺寸，用于敷设

所需设备：

裁剪机

材料：

TPT、EVA

3.3.17、工艺——中间测试

　　对敷设好的组件进行测试，根据测试曲线、数据进行分析，得出是否合格，若不合格则找出问题进行返修这时未进行层压，产品返修成本低该工艺很大程度上降低产品的不合格率，降低产品成本

所需设备：

太阳能组件测试仪

材料：

敷设完组件

3.3.18、工艺——层压

　　将敷设好的电池放入层压机中，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA融化将电池、玻璃和背板粘接在一起;最后冷却取出组件层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度、层压时间根据EVA的性质决定

所需设备：

层压机

材料：

敷设后产品

工装：

四氟布、观察架

层压

层压机

3.3.19、工艺——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

所需设备：

无

材料：

层压完半成品组件

辅助工具：

美工刀

工装：

工作台

3.3.20、工艺——装框

　　类似于给玻璃装一镜框给组件装铝框，增加组件的强度，进一步的密封电池组件，延长电池的实用寿命边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂（硅胶）填充各边框间用角键连接

所需设备：

装框机，硅胶枪

材料：

修边后的半成品组件、铝合金边框、铝合金销子、硅胶

辅助工具：

木质榔头、无尘布、酒精

工装：

工作台

装框

3.3.21、工艺——焊接接线盒

　　在组件背面引线处焊接一个盒子，以利于电池与其他设备或电池间的连接

所需设备：

硅胶枪

材料：

硅胶、接线盒、装框完组件

工装：

工作台

粘接线盒

3.3.22、工艺——组件测试

　　测试的目的是对电池的输出功率进行标定，测试其输出特性，确定组件的质量等级出售组件是以组件的功率销售

所需设备：

太阳能组件测试仪

材料：

成品组件

组件测试

组件高效和高寿命保证：

1、高转换效率、高质量的电池片

2、高质量的原材料，例如：

高的交联度的EVA、高粘结强度的封装剂（中性硅酮树脂胶）、高透光率高强度的钢化玻璃等

3、合理的封装工艺

4、员工严谨的工作作风

测试报告

最后包装