太陽電池組件

由於單片太陽電池輸出電壓較低，加之未封裝的電池由於環境的影響電極容易脫落，因此必須將一定數量的單片電池採用串、並聯的方式密封成太陽電池組件，以避免電池電極和互連線受到腐蝕，另外封裝也避免了電池碎裂，方便了戶外安裝，封裝質量的好壞決定了太陽電池組件的使用壽命及可靠性。

基本介紹

• 中文名：太陽電池組件
• 外文名：solar module

組成

太陽電池組件是由高效晶體矽太陽能電池片、超白布紋鋼化玻璃、EVA、透明TPT背板以及鋁合金框線組成。具有使用壽命長，機械抗壓外力強等特點。

太陽電池常規組件的結構形式有下列幾種，玻璃殼體式結構、底盒式組件、平板式組件、無蓋板的全膠密封組件。

基本特性

組件的伏安特性曲線

組件的伏安特性曲線如右圖示。太陽能電池組件的輸出功率等於輸出電壓乘以工作電流。大部分I-U曲線是在標準測試條件（STC)下測得的。這條I-U曲線包括三個重要的點：最大功率點（U_MP×I_MP)，開路電壓點（U_OC）和短路電流點（I_sc）。

輻照度和溫度對組件性能的影響

從右圖可以看出組件的輸出電流與陽光的輻照度成正比，陽光越強，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。開路電壓隨著輻照度的變化不大。

當組件的溫度高於標準工作溫度25℃時，組件效率下降，主要表現在開路電壓下降。隨著溫度的升高，伏安特性曲線的形狀基本不變，但是整個向左平移表明開路電壓隨著溫度的升高而降低。

遮蔽對組件性能的影響

右圖表示了組件中一個電池被遮蔽的情況下對整個組件性能的影響，如果組件中有一個電池被完全遮蔽，將可能會使整個組件的功率損失高達75%。當然也有一些組件受遮蔽的影響小於此例。

分類

1.按太陽電池的材料分類

①晶體矽太陽電池組件；②薄膜太陽電池組件。

2.按封裝類型分類

①剛性太陽電池組件；②柔性太陽電池組件；③半剛性太陽電池組件。

3.按透光度分類

①透光型太陽電池組件；②不透光性太陽電池組件。

4.按與建築物結合的方式分類

①屋頂太陽電池組件；②窗檐太陽電池組件；③玻璃幕牆太陽電池組件；④建築一 體化材料。

以下主要介紹晶體矽太陽電池組件

發展歷史

1954年，美國貝爾實驗室的Chapin，Fuller和Pearson發明了第一塊晶體矽光伏電池，用了不到一頁的篇幅宣告了這一划時代成果的問世。由於當時沒有太陽電池的測試標準，三位科學家根據太陽光譜及輸出電流、電壓的大小，估算出其光電轉換效率為6%。

1955年，貝爾實驗室為了驗證光伏發電技術為通信系統供電的潛力，設計了第—塊峰值功率為10W的光伏組件，1955年10月投人使用，由於封裝不可靠導致濕氣侵入，引起了電極的腐蝕和脫落，這一塊太陽能光伏組件在1956年3月就宣告失效。到了20世紀70年代，由於石油危機及通信發展的需要，美國政府開始大力支持太陽能光伏的發展，1976年，第一塊現代意義上的光伏組件誕生了。

此後，為了改進晶體矽太陽電池組件的可靠性，美國政府連續資助了五次大的關於晶體矽太陽電池組件的研發活動，就晶體矽太陽電池組件而言，當時就出現了不同封裝結構和工藝的組件，有用矽橡膠封裝在鋁板上的，有雙層玻璃封裝的，通過規模化的戶外試驗，大家最終認為：採用玻璃作為支撐，用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)在真空狀態下熱壓密封，用含氟的絕緣材料做背板，但還不能有效地降低太陽能光伏發電成本。一些企業為了降低太陽能光伏發電成本，採用了通過延長使用壽命來降低發電成本的辦法，1982年，ARC◦推出了五年質保的組件，1985年，Kyocera開始提供十年質保的組件，1987年，Kyocera將晶體矽太陽能光伏組件的使用壽命增加到12年，90年代中期，BPSolai將晶體矽太陽電池組件的使用壽命增加到20年，1997年6月，Siemens開始提供25年的質保的晶體矽太陽電池組件。

原材料及生產要求

為了保證25年的使用壽命，經過幾十年的總結，人們對生產晶體矽太陽電池組件所用的主要原材料的性能及要求做出了規定，下面就晶體矽太陽電池組件生產過程中所使用的主要原材料給予介紹。

晶體矽太陽電池片

目前，生產晶體矽太陽電池組件所用的晶體矽太陽電池片主要有125mmX125mm單晶桂太陽電池，156 mm×156mm單晶桂太陽電池片及156mm×156mm多晶矽太陽電池片，其厚度為200μm。

理想的晶體矽太陽電池可以用單二極體等效電路的模型來表示。圖中Rs為太陽電池的等效串聯電阻，包括：太陽電池的基區電阻，擴散區的薄層電阻，電極接觸電阻，主柵線電阻，細柵線電阻，背接觸電阻：R_sh為太陽電池等效並聯電阻，即在太陽電池內部產生的光生電流，有一部分通過電池的邊緣漏電而損失，相當於一個電阻並聯在電池的兩極之間；R_L為負載電阻I_ph為光生載流子在p-n結內電場作用下漂移運動產生的電流，稱為光生電流；I_d為流過太陽電池二極體的電流；I_sh為流過並聯電阻的電流。

通常，晶體娃太陽電池組件是由單體太陽電池串聯組成的，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決定，因此晶體矽太陽電池組件的等效電路也可以用此圖表示。

為了確保每個太陽電池組件所用電池單片的電性能一致性良好，在組件製造時，要對電池片性能進行分選，不允許將電性能差異大的電池片串聯在同一塊組件中，為了組件外觀美觀，通常在組件製造時對電池片的色差也要進行分選。

另外，為了避免太陽能光伏組件在戶外使用時出現熱斑，通常要求在生產組件時所用的晶體矽太陽電池片具有較小的逆電流。晶體矽太陽電池的逆電流是指給太陽電池加上一定的反向電壓時流過太陽電池的電流，右圖給出了測試太陽電池逆電流的測試方法。

在生產晶體矽太陽電池組件時，如果選用的晶體矽太陽電池片逆電流過大，那么當發生局部遮擋時，旁路二極體並不起保護作用，易損壞太陽電池組件。

低鐵壓花鋼化玻璃

目前，生產晶體矽太陽電池組件所使用的玻璃通常用壓延法生產，典型的厚度為3.2mm±0.3mm，在太陽電池光譜回響的波長範圍內（350~1100nm)折合3mm標準厚度的太陽光直接透射比應大於91%對於大於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率，太陽電池玻璃鐵含量(Fe₂0₃)應不高於0.015%。玻璃生產過程中將兩面做成大小不同的絨面狀可以增強太陽光的入射量，鋼化的目的是為了增加玻璃的強度，起到長期保護太陽電池的作用。

用作晶體矽太陽能光伏組件封裝材料的鋼化玻璃，通常要求抗機械衝擊強度要好，彎曲度小，外觀無劃傷。太陽電池玻璃弓形彎曲度不應超過0.2%；波形彎曲度任意300mm範圍不應超過0.3mm。

為了防止鋼化玻璃在封裝前後碎裂，通常要求鋼化玻璃每米邊上有長度不超過10mm，自玻璃邊部向玻璃板表面延伸深度不超過2mm，自板面向玻璃另一面延伸不超過玻璃厚度三分之一的爆邊。鋼化玻璃內部不允許有長度小於lmm的集中的氣泡。對於長度大於1mm,但是不大於6mm的氣泡每平方米不得超過6個，不允許有結石，裂紋，缺角的情況發生，在50mm×50mm的區域內碎片數必須超過40個，且允許有少量長條形碎片，其長度不超過100mm。不合格的鋼化容易導致組件在使用中碎裂。

為了減小晶體矽太陽電池組件的玻璃的光學反射，提高組件的功率輸出，現在越來越多地使用鍍膜玻璃。光伏鍍膜玻璃原片採用3.2mm的超白鋼化玻璃，以特種納米塗料為主要原料經高溫處理，便得到了光伏鍍膜玻璃。要求鍍膜後的玻璃透光率在原基礎上提高2%以上，鍍膜玻璃的光學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、使用壽命長等。

選用鍍膜玻璃時，應開展以下實驗：

耐水性實驗:在水中浸泡96h，所鍍膜層無明顯變化，試驗前後透光率變化值應不大於0.5%。

耐酸性實驗:在5%H2S04溶液中浸泡48h，所鍍膜層無明顯變化，試驗前後透光率變化值應不大於0.5%。

耐鹼性實驗:在飽和的Ca(OHV溶液中浸泡48h，所鍍膜層無明顯變化，試驗前後透光率變化值應不大於〇. 5%。

此外還要開展耐鹽霧性實驗，耐人工氣候老化實驗，塗層耐溫變性實驗，耐玷污性實驗等，確保採用鍍膜玻璃的太陽電池組件也能達到25年以上的使用壽命。

EVA

用於晶體矽太陽電池囊封的材料是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，常溫下無黏性，以便操作，經過一定條件熱壓便發生熔融粘接與交聯固化，變的完全透明。長期的實踐證明：和其他材料相比，EVA在太陽電池封裝與戶外使用中均獲得了相當滿意的效果。

EVA厚度在0.4〜0.6mm之間，要求表面平整，厚度均勻，內含交聯劑，能在150°C固化溫度下交聯，採用擠壓成型工藝形成穩定膠層。

EVA主要有兩種：快速固化和常規固化。
EVA具有優良的柔韌性，耐衝擊性，彈性，光學透明性，黏著性，耐環境應力開裂性，耐侯性，耐化學藥品，熱密封性。

固化後的EVA能承受大氣變化且具有彈性，它將晶體矽太陽電池片“上蓋下墊”，並和上層保護材料玻璃，下層保護材料TPT利用真空層壓技術黏合為一體。

另一方面，它和玻璃黏合後能提髙玻璃的透光率，起著增透的作用，並對太陽電池組件的輸出有增益作用。

不同的溫度對EVA的交聯度有比較大的影響，EVA的交聯度直接影響到組件的性能以及使用壽命。在熔融狀態下，EVA與晶體矽太陽電池片，玻璃，TPT產生黏合，在這過程中既有物理也有化學的鍵合。當EVA加熱到一定溫度時，交聯劑分解產生自由基，引發EVA分子之間的結合，形成三維網狀結構，導致EVA膠層交聯固化，當交聯度達到60%以上時能承受環境的變化，因而用EVA囊封太陽電池組件，可以達到很長的使用壽命。在實際生產過程中，EVA的交聯度一般控制在85%~95%之間。

背板

用作晶體矽太陽電池背板的材料主要有TPT，TPE和PET等，TPT的結構為Tedlar/Polyster/Tedlar三層複合結構，TPE為帶有EVA的兩層結構，PET為單層聚酯結構，它用在組件背面，作為背面保護和電絕緣材料。

用於晶體矽太陽電池的背板要求縱向收縮率不大於1.5%。實踐證明：背板的外層保護層最好含氟，這樣抗環境侵蝕能力強。另白色的背板對陽光起反射作用，和黑色背板相比，組件的封裝損失小，並因其具有較高的紅外發射率，還可降低組件的工作溫度。

鋁合金框線

鋁合金框線的主要作用是保護玻璃，便於安裝和運輸，增加了晶體矽太陽電池組件的密封性和整體的機械強度。

組件用金屬框線為鋁合金材料，為達到光伏組件要求的機械強度及其他要求，參照GB/T3190—1996《變形鋁及鋁合金化學成分》，要求採用6063 T5以上的鋁合金材料。

太陽電池組件要保證長達25年的使用壽命，鋁合金表面必須經過處理，也即陽極氧化，表面氧化層厚度須大於20μm，用於太陽電池組件的框線應無變型，表面無劃傷。

接線盒

晶體桂太陽電池組件的正，負極從背板引出後需要一個專門的電氣連線盒來實現與外電路的連線。

為了保證25年的使用壽命，接線盒應由工程塑膠注塑製成，並加有防老化和抗紫外線輻射劑，能確保組件在室外長期使用不出現老化破裂現象。接線柱應由外鍍鎳層的電解銅製成，能確保電氣導通及電氣連線的可靠。接線盒套用矽橡膠粘接在TPT表面。對用於太陽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，滿足室外惡劣環境條件下的使用要求，晶體矽太陽電池組件用接線盒IP等。

組件的封裝材料

上蓋板

覆蓋在太陽能電池正面，構成組件的最外層，既要透光、堅固、耐風霜雨雪，並且要經受沙礫、冰雹的衝擊。上蓋板的材料有鋼化玻璃、聚丙烯樹脂、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構（直觀上略呈絨面），可在一定程度上增加散射光的吸收。

黏結劑

黏結劑是固定太陽能電池和保證上下蓋板密合的關鍵材料，對其的要求為：

①具有高透光性，抗紫外線老化。

②具有一定的彈性，緩衝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穩定性，本身不產生有害氣體或液體。

④有優良的氣密性，能阻止外界潮氣或有害氣體的侵入。目前較多套用的是EVA膠合劑。

底板

底板同樣要對電池有保護和支撐作用。一般要求為：

①具有良好的耐氣候性能，能隔絕從背面進來的潮氣。

②層壓溫度下不起任何變化。

③與粘接材料結合牢固。

底板所用材料一般有玻璃、鋁合金、有機玻璃。目前較多套用的是TPF、TPT高分子聚氟膜。

框線

平板組件的框線保護組件，便於組件與方陣支架的連線固定。框線與黏結劑構成對組件邊緣的密封，主要材料有不鏽鋼、鋁合金、橡膠及增強塑膠等。

太陽電池組件要求

由於單體太陽電池本身易破碎，易被腐蝕，若直接暴露在大氣中，光電轉化效率會由於潮濕、灰塵、酸雨等的影響而下降，以致損壞失效。因此,太陽電池一般都必須通過膠封、層壓等方式封裝成平板式構造再投人使用。太陽電池組件要求：

①有一定的標稱工作電流輸出功率。

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

③有足夠的機械強度,能經受在運輸、安裝和使用過程中發生的衝突，振動及其他應力。

④組合引起的電性能損失小，組合成本低。

注意事項

用太陽電池及組件時，要注意檢查下列事項：

(1)太陽電池外表面有無破碎、開裂、裂紋、彎曲、不規整或損傷；

(2)連線線、接頭、外掛程式是否完好，引線及帶電部件是否外露；

(3)太陽電池組件密封度是否完好，密封材料有無失效；

(4)在太陽電池組件的框線和電池之間是否形成連續通道的氣泡或脫層；

(5)接線盒安裝固定是否牢固。