任务2.2 太阳能电池的制造与工艺
【任务目标】
（1）了解太阳能电池、光伏组件的分类。
（2）了解光伏组件的制作工序。
（3）能识别太阳能电池片、光伏组件的基本结构。
（4）能对太阳能电池片、光伏组件进行检测。
【相关知识】
2.2.1 太阳能电池的分类
1.硅太阳能电池
目前，硅太阳能电池是太阳能光伏发电装置中应用最成熟、最广泛的太阳能电池材料，占光伏产业的85%以上。按照硅材料的晶体结构不同，可将硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。
（1）单晶硅太阳能电池。单晶硅是晶格取向基本完全相同的晶体，如图2.14所示。它具有金刚石晶格，晶体硬而脆，有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随着温度的升高而增加，是一种良好的半导体材料。
单晶硅太阳能电池制造过程花费成本高，所以单晶硅价格昂贵。为了节省高质量材料，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。
图2.14 单晶硅太阳能电池
（2）多晶硅太阳能电池。多晶硅太阳能电池产量基本上与单晶硅电池相当，甚至更大，是光伏电池市场主要产品之一。与单晶硅电池相比，多晶硅价格较低，商用多晶硅电池组件转换效率一般为12%～14%，目前已制出转换效率达17%～19.8%的多晶硅。
多晶硅具有灰色金属光泽，如图2.15所示，具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性。
（3）非晶硅太阳能电池。非晶硅电池价格低廉，易形成大规模生产，但光电转换效率低，稳定性不如晶体硅，如图2.16所示。
非晶硅太阳能电池选用四氢化硅（SiH4）为材料，虽然该材料吸光效果和光导效果很好，但其结晶构造比多晶硅差，悬浮键较多，自由电子与空穴复合的速率非常快；结晶构造的不规则阻碍了电子、空穴移动，使得扩散范围变窄，所以电池的效率低且随时间衰减。广泛应用于小功率市场，如太阳能发电系统、太阳能照明灯具、太阳能手机充电器、汽车太阳能换气扇、汽车电池充电器、太阳能草坪灯等。
图2.15 多晶硅太阳能电池
图2.16 非晶硅太阳能电池
2.多元化合物薄膜太阳能电池
多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓Ⅲ-Ⅴ族化合物、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。由于化合物半导体或多或少有毒性，容易造成环境污染，因此产量少，常使用在一些特殊场合。
砷化镓Ⅲ-Ⅴ化合物电池的转换效率可达28%，砷化镓化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是砷化镓材料的价格昂贵，因而在很大程度上限制了砷化镓电池的应用。砷化镓异质面太阳能电池的结构如图2.17所示。
图2.17 砷化镓异质面太阳能电池的结构
铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退效应的问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此这类电池的发展又必然受到限制。
3.有机化合物太阳能电池
有机太阳能电池以有光敏性质的有机物作为半导体材料，以光伏效应而产生电压形成电流。有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构、PN异质结结构和染料敏化纳米晶结构。
根据有关调查数据目前市场上的有机太阳能电池的光电转换效率最高只有10%，这是制约其全面推广的主要问题。
4.敏化纳米晶太阳能电池
敏化纳米晶太阳能电池实际上是一种光电化学电池。纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳能电池的1/10～1/5，寿命能达到20年以上。但此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。
5.聚合物多层修饰电极型太阳能电池
以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料具有柔性好、制作容易、材料来源广泛、成本低等优点，因此对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要的意义。以有机材料制备的太阳能电池，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究和探索。
图2.18 各类太阳能电池转换效率
各类太阳能电池转换效率如图2.18所示。
2.2.2 太阳能电池的生产工艺
常规太阳能电池生产工艺流程框图如图2.19所示。
图2.19 常规太阳能电池生产工艺流程框图
1.硅片的加工
硅片的加工是将硅锭经表面整形、定向、切割、研磨、腐蚀、抛光、清洗等工艺，加工成具有一定直径、厚度、晶向、高度、表面平行度、平整度、粗糙度，表面无缺陷、无崩边、无损伤层，高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。硅片加工的一般工艺流程如图2.20所示。
2.硅太阳能电池的生产工艺
通过上述方法生产出来的硅片，还必须经过以下工艺流程才能制成产生光伏效应的电池片。
图2.20 硅片的加工工艺流程
（1）硅片的选择。硅片的选择就是把性能一致的硅片选择出来，若将性能不同的硅片组合起来形成单体太阳能电池，其输出功率就会降低。硅片的主要性能有硅材料的导电类型、电阻率、晶向、位错、寿命等。
（2）硅片的表面处理。硅锭在切割成硅片的过程中，表面必定受到不同程度的污染，有油污、金属和尘埃等，混杂地附着在硅片表面，同时硅片表面留下切割制成的机械损伤。硅片的表面处理包括表面清洗和表面抛光。表面清洗是为了除去沾污在硅片上的各种杂质，抛光的目的是为了除去硅片表面的切割损伤，获得适合制结要求的硅表面。制结前硅片表面的性能和状态，直接影响结的特性，从而影响成品电池的性能，因此硅片的表面处理是电池生产制造工艺流程的重要工序。
1）表面清洗。表面清洗就是采用化学清洗剂去除各种杂质。常用的化学清洗剂有离子水、有机溶剂（如甲苯、二甲苯、丙酮、三氯乙烯、四氯化碳等）、浓酸、强碱以及高纯中性洗涤剂等。清洗时将硅片盛装在专用片篮中，浸泡在加热至100℃的洗涤液中进行溢流超声清洗。
2）表面抛光。切割后的硅片表面留有晶格高度扭曲层和较深的弹性变形层，通称损伤层，其厚度大约为18～26μm。这些损伤层中具有无穷多个载流子复合中心，必须在硅片表面制作绒面之前彻底清除。常规单晶硅太阳能电池生产工艺，多采用化学腐蚀方法将粗糙的切割表面腐蚀掉30～50μm，得到一个平整光洁的硅片表面。抛光后的硅片，再用王水或酸性双氧水清除残存硅片表面的离子型或原子型杂质。为了制作高效硅太阳能电池，一般不采用单纯的化学腐蚀抛光方法，而是采用化学机械抛光方法，以便将硅表面加工成光亮平整的镜面。
3）绒面制作。纯净硅片表面的阳光反射率很高，为了降低其表面反射率，将硅片表面结构化，以增加表面对太阳辐射的吸收，也就是降低表面对太阳辐射的反射，在太阳能电池电池生产工艺中，将这个结构化的硅片表面称为绒面。
（3）扩散制结。采用扩散的方法制作PN结，称为扩散制结。PN结是晶体硅太阳能电池的核心部分，因此，扩散制结是太阳能电池生产工艺中最关键的一道工序。
扩散制结的方法很多，主要有热扩散法、离子注入法、薄膜生长法、合金法、激光法和高频电注入法等。常规单晶硅太阳能电池的制结都采用热扩散法。
扩散制结的工艺条件要求表面不产生“死层”，整个扩散区都有负的杂质浓度梯度，合适的表面杂质浓度和均匀性，能满足后续工序对欧姆接触电极的制备。
（4）刻蚀去边。硅片在扩散制结过程中，其周边表面也将同时形成扩散层。这个扩散层实际构成了电池上、下电极之间的短路环，必须去除。目前的硅太阳能工业化生产中，都采用周边刻蚀装置，利用等离子体对扩散后的电池片边缘进行干法刻蚀，去除周边表面扩散层。
去除背结的常用方法主要有化学腐蚀法、磨片法和丝网印刷铝浆烧结法等。
（5）制作减反射膜。通过绒面制作的硅片虽然可使入射光的反射率减少到10%以内，但为了能够更多地减少反射损失，一般还要在其表面镀一层减反射膜。减反射膜又称增透膜，主要功能是减少或消除表面的反射光，从而增加透光量。制作太阳能电池生产工艺多采用常压化学气相沉积二氧化钛减反射膜。
（6）制作上、下电极。太阳能电池的电极就是在电池PN结两端形成紧密接触的连接导体，以接通电池的PN结，构成可向外供电的电回路。通常将在电池受光面上的连接导体称为上电极，而将制作在电池背面的连接导体称为下电极或背电极，也称底电极。上电极通常制成窄细的棚线状，这有利于对光生电流的收集，并使电池有较大的受光面积。下电极则布满全部或绝大部分电池的背面，以减小电池的串联电阻。
制作太阳能电池电极的方法主要有真空蒸镀法、化学镀镍法、丝网印刷烧结法等，所用金属材料主要有铝、钛、银、镍等。真空蒸镀法和化学镀镍法是制作太阳能电池电极的传统工艺方法，具有生产工艺成本高、能耗大和不适应工业化生产等缺点，目前工业化生产中已不采用。
3.太阳能电池片的检测
（1）电池片的电性能测试和分选。太阳能电池分选仪是专门用于电池片分选的设备，可记录并显示测试（U-I曲线、P曲线）曲线和测试参数（Uoc、Isc、Pmax、Uopt、Iopt、FF和EFF）。
测试仪误差不超过±0.01W，测量过程如下：①打开电源后，预热2min，按下“量程”按钮；②用标准电池片将各参数调到标准值；③把待测电池片有栅线的一面向上，放在测试台上，调节铜电极位置使之恰好压在电池片的主栅极上，踩下脚阀，开始测试。合格电池片按每0.05W为一个挡次放置。
（2）电池片表面特征。可使用电子显微镜观察单晶硅和多晶硅电池片的表面特征，检查电池片是否存在隐裂等缺陷。步骤如下：开启显微镜→对光→放置→调距→调节物像→观察等。
2.2.3 太阳能电池组件的结构
1.晶体硅太阳能电池组件的结构
晶体硅太阳能电池组件的典型封装结构如图2.21所示。
图2.21 太阳能电池的典型封装结构示意图
1—铝边框；2—密封带；3—玻璃；4—EVA；5—电池；6—背板
常规的太阳能电池组件结构形式有下列几种：玻璃壳体式结构、底盒式组件、平板式组件、无盖板的全胶密封组件，其结构示意图如图2.22～图2.25所示。目前还出现较新的双面钢化玻璃封装组件。
图2.22 玻璃壳体式太阳能电池组件示意图
1—玻璃壳体；2—硅太阳能电池；3—互连条；4—黏结剂；5—衬底；6—下底板；7—边框线；8—电极接线柱
图2.23 底盒式太阳能电池组件示意图
1—玻璃盖板；2—硅太阳能电池；3—盒式下底板；4—黏结剂；5—衬底；6—固定绝缘胶；7—电极引线；8—互连条
图2.24 平板式太阳能电池组件示意图
1—边框；2—边框封装胶；3—玻璃盖板；4—黏结剂；5—下底板；6—硅太阳能电池；7—互连条；8—引线护套；9—电极引线
2.薄膜太阳能电池组件的结构
薄膜光伏电池同晶体硅电池的封装有些不同，衬底的类型不同，封装的方式不同，半导体材料与衬底的相对位置不同将影响组件的结构。对于使用非钢化玻璃衬底的前壁型CdTe电池和大部分非晶硅电池，玻璃衬底可以作为上盖板保护电池，背面可以使用任何类型的玻璃，如果有要求可以使用钢化安全玻璃，如图2.26所示。
图2.25 全胶密封太阳能电池组件示意图
1—硅太阳能电池；2—黏结剂；3—电极引线；4—下底板；5—互连条
图2.26 非钢化玻璃衬底的前壁型太阳能电池封装结构
1—非晶硅/CdTe电池；2—EVA；3—玻璃
对于使用非钢化衬底的后壁型CIS电池和一部分非晶硅电池，需要在上加上盖板，保护电池，如图2.27所示。
图2.27 非钢化玻璃衬底的后壁型太阳能有电池封装结构
1—白玻璃；2—EVA；3—C1S电池
除了上面两种结构之外，如果使用其他类型的衬底，使用另外一种封装方式，这种封装方式有三层，对于前壁型和后壁型的薄膜光伏电池都适用，如图2.28所示。
图2.28 其他类型衬底的太阳能电池封装结构
1—白玻璃；2—非晶硅/CdTe/CIS；3—玻璃
3.光伏方阵的结构
太阳能是一种低密度的平面能源，需要用大面积的太阳能电池方阵来采集。而太阳能电池组件的输出电压不高，需要用一定数量的太阳能电池组件经过串并联构成方阵。一个光伏阵列包含两个或两个以上的光伏组件，具体需要多少个组件及如何连接组件与所需电压（电流）及各个组件的参数有关，由系统设计确定。
平板式光伏方阵的结构依用户的需要而定。按电压等级来分，独立光伏系统电压往往被设计成与蓄电池的标称电压相对应或是它们的整数倍，而且与用电设备的电压等级一致，如220V、110V、48V、36V、24V、12V等。交流光伏供电系统和并网发电系统方阵的电压等级往往为110V或220V。对电压等级更高的光伏电站系统，则常用多个方阵进行串并联，组合成与电网等级相同的电压等级，如组合成600V、10kV等，再与电网连接。
图2.29 太阳能电池方阵电气连接图
太阳能方阵除了需要支架将许多太阳能电池组件集合在一起以外，还需要电缆、阻塞二极管和旁路二极管对太阳能电池组件实行电气连接，并需要配备专用的、内装避雷器的分接线箱和总接线箱。有时为了防止鸟粪沾污太阳能电池方阵表面而引起的热斑效应，还需在方阵顶上特别安装驱鸟器。太阳能电池方阵的电气连接图如图2.29所示。
在将太阳能电池组件进行串并联组装成方阵时，应参考太阳能电池串并联所需要注意的原则，并应特别注意如下各点：①串联时需要工作电流相同的组件，并为每个组件并接旁路二极管；②并联时需要工作电压相同的组件，并在每一条并联线路串接阻塞二极管（防反充二极管）；③尽量考虑组件互连接线最短的原则；④要严格防止个别性能变坏的太阳能电池组件混入太阳能电池方阵。
图2.30为同样64块太阳能电池组件分别用4并8串方式组成的方阵，但有纵联横并和横联纵并两种不同的电气连接。在图2.30中可以看到，当遇到局部阴影时，图2.30（a）中连接的总线电压下降，输出电池也大幅下降，系统有可能不能正常工作；而图2.30（b）中连接的总线电压可保持不变，虽然少了一组电流，但系统仍能正常工作。
2.2.4 太阳能电池组件的封装材料及工艺流程
1.太阳能电池组件的封装材料
组件工作寿命的长短和封装材料、封装工艺有很大的关系，在组件中封装材料易被忽视，但在实用中是决不能被轻视的部件。
（1）上盖板。上盖板覆盖在太阳能电池组件的正面，构成组件的最外层，它既要透光率高，又要坚固，起到长期保护电池的作用。作上盖板的材料：钢化玻璃、聚丙烯酸类树脂、氟化乙烯丙烯、透明聚酯、聚碳酸酯等。目前，低铁钢化玻璃是最为普遍的上盖板材料。
（2）黏结剂。主要有室温固化硅橡胶、氟化乙烯丙烯、聚乙烯醇缩丁醛、透明双氧树脂、聚醋酸乙烯等。一般要求：①在可见光范围内具有高透光性；②具有弹性；③具有良好的电绝缘性能；④能适用自动化的组件封装。
图2.30 太阳能电池组件方阵
（a）纵联横并；（b）横联纵并
（3）底板。一般为钢化玻璃、铝合金、有机玻璃、聚氟乙烯复合膜（TPT）等。目前较多应用的是TPT复合膜，一般要求：①具有良好的耐气候性能；②层压温度下不起任何变化；③与黏结材料结合牢固。
（4）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。边框为黏结剂构成对组件边缘的密封，主要材料：不锈钢、铝合金、橡胶、增强塑料等。
2.晶体硅太阳能电池组件的封装工艺流程
晶体硅太阳能电池组件制造主要是将晶体硅太阳能电池进行单片互连、封装，以保护电极接触，防止互连线受到腐蚀，避免电池碎裂。封装质量直接影响晶体硅太阳能电池组件的使用寿命。其工艺流程如图2.31所示。
图2.31 晶体硅太阳能电池组件制造工艺流程图
晶体硅太阳能电池组件制造工艺流程的各道工序表述如下：
（1）电池片分选。将性能相近的单体电池组合成组件，最大限度地降低串并联损失，通常一片低功率的电池将会使整个组件的输出功率降低。外观分选是看颜色、栅线尺寸是否正常。
（2）单片焊接。将互连带焊接在电池的负极上，要求焊接平直、牢固，用手沿45°左右方向轻提焊带条不脱落，过高的焊接温度和过长的时间会导致低的撕拉强度或电池碎裂。
（3）片间互连。将已焊接好的单片电池串接起来，并进行电气检查，要求串接的电池片间距均匀、颜色一致。
（4）排版。在布纹水白玻璃上铺一层EVA，然后将已焊接好的电池串用汇流带连接起来，再铺一层EVA及TPT塑料，再引进电器检查以后，待用。
（5）层压封装。将叠层好的电池组件放入真空热压密封机，要求层压好的组件内单片电池无碎裂、无裂纹、无明显移位，在组件的边缘和任何一部分电路之间的EVA均无气泡或脱层通道，EVA胶联度良好。
（6）装框。将层压好的电池组件进行装框，以便工程安装。
（7）高压测试。将组件引出线短路后接到高压测试仪的正极，将组件暴露的金属部分接到高压测试仪的负极，以不大于500V/s的速率加压，直到1000V，维持1min，如果开路电压小于50V，则所加电压为500V。
（8）性能检测。按工艺标准检测分选太阳能电池组件。
国际IEC标准测试条件为AM1.5、100MW/m2、25℃。要求检测并列出以下参数：开路电压、短路电流、工作电压、工作电流、最大输出功率、填充因子、光电转换效率、串联电阻、并联电阻及Ⅰ-Ⅴ曲线等。
（9）装接线盒。给已测好的电池组件安装接线盒，以便电气连接。
（10）贴标牌。按测试分档结果分贴标牌后，光伏组件即可包装入库出售。
【任务实施】
（1）观看太阳能电池片的生产工艺过程的相关视频。
（2）现场参观太阳能电池、光伏组件的生产工艺流程。