太陽(yáng)電池組件

太陽(yáng)電池組件組件的伏安特性曲線

組件的伏安特性曲線如圖1所示。太陽(yáng)能電池組件的輸出功率等于輸出電壓乘以工作電流。大部分I-U曲線是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC)下測(cè)得的。這條I-U曲線包括三個(gè)重要的點(diǎn)：最大功率點(diǎn)（U_MP×I_MP)，開(kāi)路電壓點(diǎn)（U_OC）和短路電流點(diǎn)（I_sc）。

太陽(yáng)電池組件輻照度和溫度對(duì)組件性能的影響

從圖2可以看出組件的輸出電流與陽(yáng)光的輻照度成正比，陽(yáng)光越強(qiáng)，組件的輸出功率也就越高。隨著輻照度的降低，伏安特性曲線的形狀基本不變，只是短路電流逐漸變小。開(kāi)路電壓隨著輻照度的變化不大。

當(dāng)組件的溫度高于標(biāo)準(zhǔn)工作溫度25℃時(shí)，組件效率下降，主要表現(xiàn)在開(kāi)路電壓下降。隨著溫度的升高，伏安特性曲線的形狀基本不變，但是整個(gè)向左平移表明開(kāi)路電壓隨著溫度的升高而降低。

太陽(yáng)電池組件遮蔽對(duì)組件性能的影響

圖3表示了組件中一個(gè)電池被遮蔽的情況下對(duì)整個(gè)組件性能的影響，如果組件中有一個(gè)電池被完全遮蔽，將可能會(huì)使整個(gè)組件的功率損失高達(dá)75%。當(dāng)然也有一些組件受遮蔽的影響小于此例。

1954年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Chapin，F(xiàn)uller和Pearson發(fā)明了第一塊晶體硅光伏電池，用了不到一頁(yè)的篇幅宣告了這一劃時(shí)代成果的問(wèn)世。由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有太陽(yáng)電池的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，三位科學(xué)家根據(jù)太陽(yáng)光譜及輸出電流、電壓的大小，估算出其光電轉(zhuǎn)換效率為6%。

1955年，貝爾實(shí)驗(yàn)室為了驗(yàn)證光伏發(fā)電技術(shù)為通信系統(tǒng)供電的潛力，設(shè)計(jì)了第—塊峰值功率為10W的光伏組件，1955年10月投人使用，由于封裝不可靠導(dǎo)致濕氣侵入，引起了電極的腐蝕和脫落，這一塊太陽(yáng)能光伏組件在1956年3月就宣告失效。到了20世紀(jì)70年代，由于石油危機(jī)及通信發(fā)展的需要，美國(guó)政府開(kāi)始大力支持太陽(yáng)能光伏的發(fā)展，1976年，第一塊現(xiàn)代意義上的光伏組件誕生了。

此后，為了改進(jìn)晶體硅太陽(yáng)電池組件的可靠性，美國(guó)政府連續(xù)資助了五次大的關(guān)于晶體硅太陽(yáng)電池組件的研發(fā)活動(dòng)，就晶體硅太陽(yáng)電池組件而言，當(dāng)時(shí)就出現(xiàn)了不同封裝結(jié)構(gòu)和工藝的組件，有用硅橡膠封裝在鋁板上的，有雙層玻璃封裝的，通過(guò)規(guī)?；膽敉庠囼?yàn)，大家最終認(rèn)為：采用玻璃作為支撐，用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)在真空狀態(tài)下熱壓密封，用含氟的絕緣材料做背板，但還不能有效地降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本。一些企業(yè)為了降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本，采用了通過(guò)延長(zhǎng)使用壽命來(lái)降低發(fā)電成本的辦法，1982年，ARC?推出了五年質(zhì)保的組件，1985年，Kyocera開(kāi)始提供十年質(zhì)保的組件，1987年，Kyocera將晶體硅太陽(yáng)能光伏組件的使用壽命增加到12年，90年代中期，BPSolai將晶體硅太陽(yáng)電池組件的使用壽命增加到20年，1997年6月，Siemens開(kāi)始提供25年的質(zhì)保的晶體硅太陽(yáng)電池組件。

1.按太陽(yáng)電池的材料分類

①晶體硅太陽(yáng)電池組件；②薄膜太陽(yáng)電池組件。

2.按封裝類型分類

①剛性太陽(yáng)電池組件；②柔性太陽(yáng)電池組件；③半剛性太陽(yáng)電池組件。

3.按透光度分類

①透光型太陽(yáng)電池組件；②不透光性太陽(yáng)電池組件。

4.按與建筑物結(jié)合的方式分類

①屋頂太陽(yáng)電池組件；②窗檐太陽(yáng)電池組件；③玻璃幕墻太陽(yáng)電池組件；④建筑一 體化材料。

以下主要介紹晶體硅太陽(yáng)電池組件

太陽(yáng)電池組件是由高效晶體硅太陽(yáng)能電池片、超白布紋鋼化玻璃、EVA、透明TPT背板以及鋁合金邊框組成。具有使用壽命長(zhǎng)，機(jī)械抗壓外力強(qiáng)等特點(diǎn)。

太陽(yáng)電池常規(guī)組件的結(jié)構(gòu)形式有下列幾種，玻璃殼體式結(jié)構(gòu)、底盒式組件、平板式組件、無(wú)蓋板的全膠密封組件。

為了保證25年的使用壽命，經(jīng)過(guò)幾十年的總結(jié)，人們對(duì)生產(chǎn)晶體硅太陽(yáng)電池組件所用的主要原材料的性能及要求做出了規(guī)定，下面就晶體硅太陽(yáng)電池組件生產(chǎn)過(guò)程中所使用的主要原材料給予介紹。

太陽(yáng)電池組件晶體硅太陽(yáng)電池片

目前，生產(chǎn)晶體硅太陽(yáng)電池組件所用的晶體硅太陽(yáng)電池片主要有125mmX125mm單晶桂太陽(yáng)電池，156 mm×156mm單晶桂太陽(yáng)電池片及156mm×156mm多晶硅太陽(yáng)電池片，其厚度為200μm。

理想的晶體硅太陽(yáng)電池可以用單二極管等效電路的模型來(lái)表示。圖4中Rs為太陽(yáng)電池的等效串聯(lián)電阻，包括：太陽(yáng)電池的基區(qū)電阻，擴(kuò)散區(qū)的薄層電阻，電極接觸電阻，主柵線電阻，細(xì)柵線電阻，背接觸電阻：R_sh為太陽(yáng)電池等效并聯(lián)電阻，即在太陽(yáng)電池內(nèi)部產(chǎn)生的光生電流，有一部分通過(guò)電池的邊緣漏電而損失，相當(dāng)于一個(gè)電阻并聯(lián)在電池的兩極之間；R_L為負(fù)載電阻I_ph為光生載流子在p-n結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流，稱為光生電流；I_d為流過(guò)太陽(yáng)電池二極管的電流；I_sh為流過(guò)并聯(lián)電阻的電流。

通常，晶體硅太陽(yáng)電池組件是由單體太陽(yáng)電池串聯(lián)組成的，理想條件下，組件的輸出電壓是各電池電壓之和，組件的輸出電流由輸出電流最小的來(lái)決定，因此晶體硅太陽(yáng)電池組件的等效電路也可以用圖4表示。

為了確保每個(gè)太陽(yáng)電池組件所用電池單片的電性能一致性良好，在組件制造時(shí)，要對(duì)電池片性能進(jìn)行分選，不允許將電性能差異大的電池片串聯(lián)在同一塊組件中，為了組件外觀美觀，通常在組件制造時(shí)對(duì)電池片的色差也要進(jìn)行分選。

另外，為了避免太陽(yáng)能光伏組件在戶外使用時(shí)出現(xiàn)熱斑，通常要求在生產(chǎn)組件時(shí)所用的晶體硅太陽(yáng)電池片具有較小的逆電流。晶體硅太陽(yáng)電池的逆電流是指給太陽(yáng)電池加上一定的反向電壓時(shí)流過(guò)太陽(yáng)電池的電流，圖5給出了測(cè)試太陽(yáng)電池逆電流的測(cè)試方法。

在生產(chǎn)晶體硅太陽(yáng)電池組件時(shí)，如果選用的晶體硅太陽(yáng)電池片逆電流過(guò)大，那么當(dāng)發(fā)生局部遮擋時(shí)，旁路二極管并不起保護(hù)作用，易損壞太陽(yáng)電池組件。

太陽(yáng)電池組件低鐵壓花鋼化玻璃

目前，生產(chǎn)晶體硅太陽(yáng)電池組件所使用的玻璃通常用壓延法生產(chǎn)，典型的厚度為3.2mm±0.3mm，在太陽(yáng)電池光譜響應(yīng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)（350~1100nm)折合3mm標(biāo)準(zhǔn)厚度的太陽(yáng)光直接透射比應(yīng)大于91%對(duì)于大于1200nm的紅外光有較高的反射率。

降低玻璃的鐵含量，可以有效地增加玻璃的透過(guò)率，太陽(yáng)電池玻璃鐵含量(Fe₂0₃)應(yīng)不高于0.015%。玻璃生產(chǎn)過(guò)程中將兩面做成大小不同的絨面狀可以增強(qiáng)太陽(yáng)光的入射量，鋼化的目的是為了增加玻璃的強(qiáng)度，起到長(zhǎng)期保護(hù)太陽(yáng)電池的作用。

用作晶體硅太陽(yáng)能光伏組件封裝材料的鋼化玻璃，通常要求抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度要好，彎曲度小，外觀無(wú)劃傷。太陽(yáng)電池玻璃弓形彎曲度不應(yīng)超過(guò)0.2%；波形彎曲度任意300mm范圍不應(yīng)超過(guò)0.3mm。

為了防止鋼化玻璃在封裝前后碎裂，通常要求鋼化玻璃每米邊上有長(zhǎng)度不超過(guò)10mm，自玻璃邊部向玻璃板表面延伸深度不超過(guò)2mm，自板面向玻璃另一面延伸不超過(guò)玻璃厚度三分之一的爆邊。鋼化玻璃內(nèi)部不允許有長(zhǎng)度小于lmm的集中的氣泡。對(duì)于長(zhǎng)度大于1mm,但是不大于6mm的氣泡每平方米不得超過(guò)6個(gè)，不允許有結(jié)石，裂紋，缺角的情況發(fā)生，在50mm×50mm的區(qū)域內(nèi)碎片數(shù)必須超過(guò)40個(gè)，且允許有少量長(zhǎng)條形碎片，其長(zhǎng)度不超過(guò)100mm。不合格的鋼化容易導(dǎo)致組件在使用中碎裂。

為了減小晶體硅太陽(yáng)電池組件的玻璃的光學(xué)反射，提高組件的功率輸出，現(xiàn)在越來(lái)越多地使用鍍膜玻璃。光伏鍍膜玻璃原片采用3.2mm的超白鋼化玻璃，以特種納米涂料為主要原料經(jīng)高溫處理，便得到了光伏鍍膜玻璃。要求鍍膜后的玻璃透光率在原基礎(chǔ)上提高2%以上，鍍膜玻璃的光學(xué)膜與玻璃基材附著力良好、耐候及耐腐蝕性能好、自清潔性能好、使用壽命長(zhǎng)等。

選用鍍膜玻璃時(shí)，應(yīng)開(kāi)展以下實(shí)驗(yàn)：

耐水性實(shí)驗(yàn):在水中浸泡96h，所鍍膜層無(wú)明顯變化，試驗(yàn)前后透光率變化值應(yīng)不大于0.5%。

耐酸性實(shí)驗(yàn):在5%H2S04溶液中浸泡48h，所鍍膜層無(wú)明顯變化，試驗(yàn)前后透光率變化值應(yīng)不大于0.5%。

耐堿性實(shí)驗(yàn):在飽和的Ca(OHV溶液中浸泡48h，所鍍膜層無(wú)明顯變化，試驗(yàn)前后透光率變化值應(yīng)不大于〇. 5%。

此外還要開(kāi)展耐鹽霧性實(shí)驗(yàn)，耐人工氣候老化實(shí)驗(yàn)，涂層耐溫變性實(shí)驗(yàn)，耐玷污性實(shí)驗(yàn)等，確保采用鍍膜玻璃的太陽(yáng)電池組件也能達(dá)到25年以上的使用壽命。

太陽(yáng)電池組件EVA

用于晶體硅太陽(yáng)電池囊封的材料是EVA，它是乙烯與醋酸乙烯脂的共聚物，EVA是一種熱固性的熱熔膠，常溫下無(wú)黏性，以便操作，經(jīng)過(guò)一定條件熱壓便發(fā)生熔融粘接與交聯(lián)固化，變的完全透明。長(zhǎng)期的實(shí)踐證明：和其他材料相比，EVA在太陽(yáng)電池封裝與戶外使用中均獲得了相當(dāng)滿意的效果。

EVA厚度在0.4?0.6mm之間，要求表面平整，厚度均勻，內(nèi)含交聯(lián)劑，能在150°C固化溫度下交聯(lián)，采用擠壓成型工藝形成穩(wěn)定膠層。

EVA主要有兩種：快速固化和常規(guī)固化。

EVA具有優(yōu)良的柔韌性，耐沖擊性，彈性，光學(xué)透明性，黏著性，耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性，耐侯性，耐化學(xué)藥品，熱密封性。

固化后的EVA能承受大氣變化且具有彈性，它將晶體硅太陽(yáng)電池片“上蓋下墊”，并和上層保護(hù)材料玻璃，下層保護(hù)材料TPT利用真空層壓技術(shù)黏合為一體。

另一方面，它和玻璃黏合后能提髙玻璃的透光率，起著增透的作用，并對(duì)太陽(yáng)電池組件的輸出有增益作用。

不同的溫度對(duì)EVA的交聯(lián)度有比較大的影響，EVA的交聯(lián)度直接影響到組件的性能以及使用壽命。在熔融狀態(tài)下，EVA與晶體硅太陽(yáng)電池片，玻璃，TPT產(chǎn)生黏合，在這過(guò)程中既有物理也有化學(xué)的鍵合。當(dāng)EVA加熱到一定溫度時(shí)，交聯(lián)劑分解產(chǎn)生自由基，引發(fā)EVA分子之間的結(jié)合，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致EVA膠層交聯(lián)固化，當(dāng)交聯(lián)度達(dá)到60%以上時(shí)能承受環(huán)境的變化，因而用EVA囊封太陽(yáng)電池組件，可以達(dá)到很長(zhǎng)的使用壽命。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，EVA的交聯(lián)度一般控制在85%~95%之間。

太陽(yáng)電池組件背板

用作晶體硅太陽(yáng)電池背板的材料主要有TPT，TPE和PET等，TPT的結(jié)構(gòu)為Tedlar/Polyster/Tedlar三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，TPE為帶有EVA的兩層結(jié)構(gòu)，PET為單層聚酯結(jié)構(gòu)，它用在組件背面，作為背面保護(hù)和電絕緣材料。

用于晶體硅太陽(yáng)電池的背板要求縱向收縮率不大于1.5%。實(shí)踐證明：背板的外層保護(hù)層最好含氟，這樣抗環(huán)境侵蝕能力強(qiáng)。另白色的背板對(duì)陽(yáng)光起反射作用，和黑色背板相比，組件的封裝損失小，并因其具有較高的紅外發(fā)射率，還可降低組件的工作溫度。

太陽(yáng)電池組件鋁合金邊框

鋁合金邊框的主要作用是保護(hù)玻璃，便于安裝和運(yùn)輸，增加了晶體硅太陽(yáng)電池組件的密封性和整體的機(jī)械強(qiáng)度。

組件用金屬邊框?yàn)殇X合金材料，為達(dá)到光伏組件要求的機(jī)械強(qiáng)度及其他要求，參照GB/T3190—1996《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》，要求采用6063 T5以上的鋁合金材料。

太陽(yáng)電池組件要保證長(zhǎng)達(dá)25年的使用壽命，鋁合金表面必須經(jīng)過(guò)處理，也即陽(yáng)極氧化，表面氧化層厚度須大于20μm，用于太陽(yáng)電池組件的邊框應(yīng)無(wú)變型，表面無(wú)劃傷。

太陽(yáng)電池組件接線盒

晶體桂太陽(yáng)電池組件的正，負(fù)極從背板引出后需要一個(gè)專門的電氣連接盒來(lái)實(shí)現(xiàn)與外電路的連接。

為了保證25年的使用壽命，接線盒應(yīng)由工程塑料注塑制成，并加有防老化和抗紫外線輻射劑，能確保組件在室外長(zhǎng)期使用不出現(xiàn)老化破裂現(xiàn)象。接線柱應(yīng)由外鍍鎳層的電解銅制成，能確保電氣導(dǎo)通及電氣連接的可靠。接線盒應(yīng)用硅橡膠粘接在TPT表面。對(duì)用于太陽(yáng)電池組件接線盒的要求是：外殼具有很好的抗老化、耐紫外線能力，滿足室外惡劣環(huán)境條件下的使用要求，晶體硅太陽(yáng)電池組件用接線盒IP等。

由于單體太陽(yáng)電池本身易破碎，易被腐蝕，若直接暴露在大氣中，光電轉(zhuǎn)化效率會(huì)由于潮濕、灰塵、酸雨等的影響而下降，以致?lián)p壞失效。因此,太陽(yáng)電池一般都必須通過(guò)膠封、層壓等方式封裝成平板式構(gòu)造再投人使用。太陽(yáng)電池組件要求：

①有一定的標(biāo)稱工作電流輸出功率。

②工作壽命長(zhǎng)，要求組件能正常工作20~30年，因此要求組件所使用的材料，零部件及結(jié)構(gòu)，在使用壽命上互相一致，避免因一處損壞而使整個(gè)組件失效。

③有足夠的機(jī)械強(qiáng)度,能經(jīng)受在運(yùn)輸、安裝和使用過(guò)程中發(fā)生的沖突，振動(dòng)及其他應(yīng)力。

④組合引起的電性能損失小，組合成本低。

太陽(yáng)電池組件上蓋板

覆蓋在太陽(yáng)能電池正面，構(gòu)成組件的最外層，既要透光、堅(jiān)固、耐風(fēng)霜雨雪，并且要經(jīng)受沙礫、冰雹的沖擊。上蓋板的材料有鋼化玻璃、聚丙烯樹(shù)脂、氟化乙丙烯、聚碳脂等。目前，低鐵白鋼化玻璃是最為普通的1：蓋板材料，將這種玻璃表面加工成微金字塔結(jié)構(gòu)（直觀上略呈絨面），可在一定程度上增加散射光的吸收。

太陽(yáng)電池組件黏結(jié)劑

黏結(jié)劑是固定太陽(yáng)能電池和保證上下蓋板密合的關(guān)鍵材料，對(duì)其的要求為：

①具有高透光性，抗紫外線老化。

②具有一定的彈性，緩沖不同材料之間的熱脹冷縮。

③具有良好的電絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，本身不產(chǎn)生有害氣體或液體。

④有優(yōu)良的氣密性，能阻止外界潮氣或有害氣體的侵入。目前較多應(yīng)用的是EVA膠合劑。

太陽(yáng)電池組件底板

底板同樣要對(duì)電池有保護(hù)和支撐作用。一般要求為：

①具有良好的耐氣候性能，能隔絕從背面進(jìn)來(lái)的潮氣。

②層壓溫度下不起任何變化。

③與粘接材料結(jié)合牢固。

底板所用材料一般有玻璃、鋁合金、有機(jī)玻璃。目前較多應(yīng)用的是TPF、TPT高分子聚氟膜。

太陽(yáng)電池組件邊框

平板組件的邊框保護(hù)組件，便于組件與方陣支架的連接固定。邊框與黏結(jié)劑構(gòu)成對(duì)組件邊緣的密封，主要材料有不銹鋼、鋁合金、橡膠及增強(qiáng)塑料等。

用太陽(yáng)電池及組件時(shí)，要注意檢查下列事項(xiàng)：

(1)太陽(yáng)電池外表面有無(wú)破碎、開(kāi)裂、裂紋、彎曲、不規(guī)整或損傷；

(2)連接線、接頭、插件是否完好，引線及帶電部件是否外露；

(3)太陽(yáng)電池組件密封度是否完好，密封材料有無(wú)失效；

(4)在太陽(yáng)電池組件的邊框和電池之間是否形成連續(xù)通道的氣泡或脫層；

(5)接線盒安裝固定是否牢固。

太陽(yáng)電池組件是指：具有封裝及內(nèi)部連接的，能單獨(dú)提供直流電輸出的，不可分割的最小太陽(yáng)電池組合裝置。

太陽(yáng)電池組件的種類較多。根據(jù)太陽(yáng)電池片的類型不同可分為晶體硅(單．多晶硅)太陽(yáng)電池組件．非晶硅薄膜太陽(yáng)電池組件及砷化鎵電池組件等：按照封裝材料和工藝的不同可分為環(huán)氧樹(shù)脂封裝電池板和層壓封裝電池組件：按照用途的不同可分為普通型太陽(yáng)電池組件和建材型太陽(yáng)電池組件。

常見(jiàn)的普通型太陽(yáng)光伏組件有環(huán)氧樹(shù)脂膠封板組件、透明PET層壓板組件和鋼化玻璃層壓組件。環(huán)氧樹(shù)脂膠封板組件主要由電池片，印制電路板及環(huán)氧樹(shù)脂膠等組成．具體尺寸和形狀根據(jù)產(chǎn)品的需要確定。

為了將多晶硅太陽(yáng)電池片串聯(lián)或并聯(lián)獲得所需的輸出功率，同時(shí)也為了保護(hù)太陽(yáng)電池不受機(jī)械損傷和環(huán)境損害，太陽(yáng)電池須通過(guò)膠封、層壓等方式封裝成組件。大面積太陽(yáng)電池組件通常采用真空層壓封裝工藝：用兩層熱熔性EVA膠膜將太陽(yáng)電池片夾在中間，通過(guò)真空加熱層壓使EVA膠膜將電池片、低鐵鋼化玻璃正面蓋板和聚氟乙烯復(fù)合膜背板黏合為一體，周邊用鋁合金邊框固定。小功率太陽(yáng)電池組件常采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝。還有采用雙面玻璃封裝的太陽(yáng)電池組件，這類組件外形美觀，可部分透光，已廣泛應(yīng)用于光伏建筑