太陽能電池組件生產(chǎn)與監(jiān)測.ppt

1、主講： 黃志昌 副教授 單位：自動化技術(shù)研究所,電池組件生產(chǎn)與檢測,5,太陽電池組件制造、封裝和測試設(shè)備 （1）激光劃片機(jī) （2）層壓機(jī) （3）固化爐 （4）電池片測試臺 （5）組件測試臺 （6）電阻率測試儀等。 國外較大型的太陽電池組件專業(yè)廠家: 設(shè)備非常齊全，如清洗玻璃、平鋪切割EVA、太陽電池焊接等都有專門的設(shè)備。,半導(dǎo)體材料的切割與刻劃是半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)鍵工序之一。太陽電池硅片主要采用金剛石切割設(shè)備和激光劃片機(jī)切割。由于激光劃片機(jī)的切割效率更高，現(xiàn)在許多工廠都采用激光劃片機(jī)來切割太陽電池硅片，以滿足制作小型太陽電池組件的需要。,5.1 激光劃片機(jī),激光晶體、 電源系統(tǒng)、 冷卻系統(tǒng)、 光學(xué)

2、掃描系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、 真空泵、 控制系統(tǒng)、 工作臺、 計算機(jī)。,5.1 激光劃片機(jī),1. 組成,5.1 激光劃片機(jī),控制臺上有電源、真空泵、冷卻水開關(guān)按鈕及電流調(diào)節(jié)按鈕等； 工作臺面上布有氣孔，氣孔與真空泵相連，打開真空泵后太陽電池硅片就被吸附在控制臺上，切割過程中不易移動。,5.1 激光劃片機(jī),切割時將電池放在工作臺上，打開計算機(jī)，設(shè)計切割路線，按下確定鍵后，激光光斑開始移動，在控制臺上調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)墓ぷ麟娏鬟M(jìn)行切割。 激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。,5.1 激光劃片機(jī),激光束通過聚焦后，在焦點(diǎn)處產(chǎn)生數(shù)千度甚至上萬度的高溫，使其能加工幾乎所有的材料。 激光劃片是把激光束聚焦在硅、

3、鍺、砷材料的表面，形成很高的功率密度，使硅片形成溝槽，在溝槽處應(yīng)力集中，很容易沿溝槽整齊斷開。,5.1 激光劃片機(jī),激光劃片為非接觸加工，劃片效應(yīng)是通過表層的物質(zhì)蒸發(fā)出深層物質(zhì)，或是通過光能作用導(dǎo)致物質(zhì)的化學(xué)鍵斷裂而劃出痕跡。 用激光對太陽電池硅片進(jìn)行劃片，能較好地防止損傷和污染硅片，可以提高硅片的利用率，提高產(chǎn)品的成品率。,激光劃片由計算機(jī)控制，速度快，精確度高，大大提高了加工效率； 激光劃片為非接觸式加工，減少了硅片的表面損傷與刀具的磨損，提高了產(chǎn)品成品率； 激光劃片光強(qiáng)弱控制方便，激光聚焦后功率密度高，能很好地控制切割深度，適合對硅片這種薄、脆、硬的材料切割；,5.1 激光劃片機(jī),2.

4、激光劃片主要優(yōu)點(diǎn)：,激光束細(xì)，加工材料消耗很小，加工熱區(qū)影響小； 激光劃片溝槽整齊，無裂紋，深度一致； 激光加工操作方便簡捷，使用安全，人工、材料消耗成本低。,5.1 激光劃片機(jī),2. 激光劃片主要優(yōu)點(diǎn)：,一定要在水循環(huán)正常工作下，再啟動激光電源和調(diào)節(jié)電源，否則溫度過高，容易燒壞電源； 激光電源屬于大功率高頻開關(guān)電源，它對外部環(huán)境有或多或少的電磁污染，因而對電磁兼容性能的儀器設(shè)備，如變型儀、計算機(jī)等產(chǎn)生一定影響，建議采用屏蔽、電源隔離等方法抗干擾；,5.1 激光劃片機(jī),3. 使用激光切割注事項(xiàng),激光器一般采用氪燈泵浦，需要瞬時高壓來觸發(fā)氪燈，因此嚴(yán)禁在氪燈點(diǎn)燃前啟動其他組件，以防高壓串人，氪燈

5、屬于易損耗件，當(dāng)發(fā)現(xiàn)老化時，需要更換新燈； 激光劃片機(jī)工作環(huán)境要求 室內(nèi)清潔無塵，相對濕度小于80，溫度520；另外，要保持機(jī)內(nèi)循環(huán)水干凈，定期清洗水箱并更換去離子水或純水。,5.1 激光劃片機(jī),3. 使用激光切割注事項(xiàng),太陽電池層壓機(jī)基本技術(shù)： 真空技術(shù)、氣壓傳動技術(shù)、PID溫度控制技術(shù) 適應(yīng)范圍：單晶硅、多晶硅電池組件的層壓生產(chǎn)。 工作原理： （1）從層壓機(jī)控制臺上可以看到上室真空、上室充氣、下室真空、下室充氣等控制按鈕；可通過控制臺設(shè)置層壓溫度、抽氣時間、層壓時間和充氣時間； （2）控制方式有自動與手動兩種。 （3）溫度控制 在層壓用EVA封裝的太陽電池時，一般設(shè)置溫度100120，這個

6、溫度下 EVA剛好處于熔融狀態(tài)而不會被固化。,5.2太陽電池層壓機(jī),1.概述,太陽電池層壓機(jī)基本技術(shù)： 真空技術(shù)、氣壓傳動技術(shù)、PID溫度控制技術(shù) 適應(yīng)范圍：單晶硅、多晶硅電池組件的層壓生產(chǎn)。,5.2太陽電池層壓機(jī),概 述,特點(diǎn)：能按照設(shè)置程序自動完成加熱、抽真空、層壓等過程；具有自動化程度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)1、操作簡單： 1）自動方式：通過控制臺預(yù)先設(shè)定層壓各控制參數(shù)，手 工關(guān)蓋后自動運(yùn)行，層壓完畢自動報警開蓋，等待封裝下批組件； 2）手動方式：通過控制臺上控制按鈕進(jìn)行手動操作；2、結(jié)構(gòu)合理：關(guān)蓋采用后雙臂結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定、安全；平面式層壓平臺使電池板的放置、取出更方便，一個人可輕易完

7、成放置和取出電池板的操作；,5.2太陽電池層壓機(jī),1. 概 述,3、效率更高：新型板式加熱方式，使勻熱板均勻受熱，最大限度地縮短加熱時間;整個層壓過程不超過15分鐘； 4、溫度控制更精確：采用多點(diǎn)檢測PID控制； 5、直觀：在程序運(yùn)行過程中，在控制臺可看到層壓的各項(xiàng)參數(shù)（真空、溫度、加熱狀態(tài) 、執(zhí)行程序狀態(tài)等）； 6、系統(tǒng)控制穩(wěn)定：采用西門子PLC協(xié)調(diào)各執(zhí)行動作； 7、真空系統(tǒng)：采用進(jìn)口真空閥使真空系統(tǒng)更穩(wěn)定；,5.2太陽電池層壓機(jī),概述,1、外型尺寸： 2270mm1950mm1099mm2、層壓范圍： 2000mm1400mm3、操作溫度： 室溫-180可調(diào)4、溫度控制： 采用兩路PID控

8、制 25、真 空： 極限真空高于20帕6、功 率： 380V AC，16KW7、層 壓 力： 從真空至大氣壓8、設(shè)備總重： 約2000Kg9、氣 源： 0.50.7MPa 200L/m10、使用溫度： 0-4011、封裝壓強(qiáng)： 真空與1個大氣壓差,5.2太陽電池層壓機(jī),概述,技術(shù)參數(shù),5.2太陽電池層壓機(jī),2.工作原理,上室與下室：打開層壓機(jī)的上蓋，上蓋內(nèi)側(cè)有個膠皮氣囊，上室指的就是這個氣囊；上蓋與下腔之間有密封圈，上蓋板與下腔之間形成一個密封室為下室。,5.2太陽電池層壓機(jī),2.工作原理,打開上蓋，可以看到下面有兩層耐高溫的玻璃布，玻璃布下面是加熱板。,5.2太陽電池層壓機(jī),2.工作原理,層

9、壓過程中，電池片與EVA、TPT、玻璃層疊后放入兩層膠布之間，玻璃布有減緩EVA升溫速率作用，減少氣泡產(chǎn)生，同時可以防止熔融后的 EVA流出來弄臟加熱板。,5.2太陽電池層壓機(jī),2.工作原理,秦皇島博碩太陽能設(shè)備有限公司層壓機(jī),5.2太陽電池層壓機(jī),2.工作原理,玻璃布,上室,下室,5.2太陽電池層壓機(jī),3. 層壓的基本過程：,設(shè)定溫度：打開層壓機(jī)，按下加熱按鈕，設(shè)定好工作溫度； 2.放入組件：待加熱板溫度達(dá)到指定溫度(可以從控制臺上看到)后，將層疊好的電池片放人層壓機(jī)并合上蓋；,5.2太陽電池層壓機(jī),3. 層壓的基本過程：,3. 下室抽氣：層疊好的太陽電池片放置在兩層玻璃布間(屬于下室部分)

10、時，EVA在層壓機(jī)內(nèi)開始受熱，受熱后的EVA處于熔融狀態(tài)，EVA與電池片、玻璃、TPT之間有空氣存在，下室抽氣(抽真空)可以將這些間隙中的空氣排除。 如果抽氣時間和層壓溫度設(shè)置不當(dāng)，在組件玻璃下面常會出現(xiàn)氣泡，致使組件使用過程中，氣泡受熱膨脹而使EVA脫層，影響組件的外觀、效率與使用壽命。,5.2太陽電池層壓機(jī),3. 層壓的基本過程：,4. 加壓(層壓)： 在加壓過程中，下室繼續(xù)抽真空，上室充氣，膠皮氣囊構(gòu)成的上室，充氣后體積膨脹(由于下室抽真空)充斥整個上下室之間，擠壓放置在下室的電池片、EVA等，熔融后的EVA在擠壓和下室抽空的作用下，流動充滿玻璃、電池片、TPT之間的間隙，同時排出中間的

11、氣泡。這樣，玻璃、電池片、TPT就通過EVA緊緊黏合在一起。,5.2太陽電池層壓機(jī),3. 層壓的基本過程：,5. 開蓋取出： 前兩個過程下室處于抽真空狀態(tài)，大氣壓作用下，上蓋受向下的壓力。開蓋時，先是下室充氣，上室抽空，使放電池組件的下腔氣壓與大氣壓平衡，再利用設(shè)置在上蓋的兩開蓋支臂將上蓋打開。將太陽電池取出后，可以進(jìn)行下一塊太陽電池組件的封裝。,5.2太陽電池層壓機(jī),4. 層壓機(jī)的自動工作模式,自動工作模式：設(shè)定好層壓溫度及抽氣、層壓、充氣的時間，控制鍵撥到自動擋，開蓋放入太陽電池，合蓋后讓其自動工作，層壓好后會自動開蓋，取出層壓好的電池組件后可以進(jìn)行下一工作循環(huán)。 參數(shù)的修正：在設(shè)置工作溫

12、度，抽氣層壓時間時要視層壓機(jī)情況、電池大小而定；進(jìn)口設(shè)備與國產(chǎn)設(shè)備有差異，一般層壓機(jī)廠商會給用戶提供一個經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，用戶在使用過程中，逐步做一些修正，再確定自己的最優(yōu)值。,5.2太陽電池層壓機(jī),5. 層壓機(jī)主要工藝參數(shù),條件：國產(chǎn)層壓機(jī) （1）在封裝功率20W以下的太陽電池時，設(shè)置工作溫度120，抽氣5min，層壓5min，充氣20s； （2）在封裝太陽電池面積(功率50100W)較大時，延長抽氣時間至8min，層壓時間至10min。,5.2 太陽電池層壓機(jī),6. 層壓機(jī)使用注意事項(xiàng),層壓機(jī)合蓋時壓力巨大，切記下腔邊框不得放異物，以防意外傷害或設(shè)備損壞； 開蓋前必須檢查下室充氣是否完成，否則不能

13、開蓋，以免損壞設(shè)備； 控制臺上有緊急按鈕，緊急情況下，整機(jī)斷電；故障排除后，將緊急按鈕復(fù)位； 層壓機(jī)若長時間未使用，開機(jī)后應(yīng)空機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)幾個循環(huán)，以便將吸附在腔體內(nèi)的殘余氣體及水蒸氣抽盡，以保證層壓質(zhì)量。,5.3 組件加工工藝,工作電壓和輸出功率按不同的要求設(shè)計，可以提供多種接線方式，滿足不同的電壓輸出要求； 有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能經(jīng)受運(yùn)輸、安裝和使用過程中發(fā)生的沖擊、震動等產(chǎn)生的應(yīng)力，具有防腐、防潮、防水、防風(fēng)、防雹能力； 經(jīng)與玻璃、EVA、 TPT結(jié)合后，有明顯的電性能增益。,1. 太陽電池組件特點(diǎn),5.3 組件加工工藝,太陽電池組件是將單體太陽電池串、并聯(lián)后嚴(yán)密封裝制成的。未封裝前的單體太陽電

14、池機(jī)械強(qiáng)度弱，不能承受較大力的撞擊，薄而易碎；而且，大氣中的水分和腐蝕性氣體會慢慢銹蝕和氧化電極，逐漸使電極脫落，同時也腐蝕太陽電池表面，降低電池的效率，因此，要使用玻璃等將太陽電池封裝，使其與大氣隔絕。另一方面，單體太陽電池工作電壓只有0.40.5V，由于受硅片材料尺寸限制，單體電池功率也都很小，遠(yuǎn)不能滿足一般用電設(shè)備的電壓、功率要求。這一切正是單體太陽電池要制造成組件的原因。,2. 太陽電池組件制造的步驟：,5.3 組件加工工藝,激光劃片光焊(將電池片焊接成串) 手工焊(焊接匯流條) 層疊(玻璃一EVA一電池一EVATPT) 中測層壓固化裝邊框、接線盒終測。,2. 太陽電池組件制造的步驟：

15、,5.3 組件加工工藝,目的太陽電池每片工作電壓0.40.45V左右(開路電壓約0.6V)，將一片切成兩片后，每片電壓不變；太陽電池的功率與電池板的面積成正比(同樣轉(zhuǎn)化效率下)。根據(jù)組件所需電壓、功率，可以計算出所需電池片的面積及電池片片數(shù)。由于單體電池(未切割前)尺寸一定(有幾種標(biāo)準(zhǔn))，面積通常不能滿足組件需要，因此，在焊接前，一般有激光切片這套工序。切割前，應(yīng)設(shè)計好切割路線，畫好草圖，要盡量利用切割剩余的電池片，提高電池片利用率。,3. 激光劃片工藝,5.3 組件加工工藝,激光切割主要步驟 先打開激光切割機(jī)及與之相配的計算機(jī)，將要切的太陽電池片放在切割臺上，并擺好位置， 打開計算機(jī)中的切割

16、程序，根據(jù)設(shè)計路線輸入XY軸方向的行進(jìn)距離(坐標(biāo)改變的數(shù)值，如第一步是沿x軸正方向前進(jìn)150mm，就在這一步中選擇x軸，輸入150)， 預(yù)覽確定路線后，調(diào)節(jié)電流進(jìn)行切割。,3. 激光劃片工藝,5.3 組件加工工藝,注意事項(xiàng) 切片時，切痕深度一般要控制在電池片厚度的1223，這主要通過調(diào)節(jié)激光劃片機(jī)的工作電流來控制。如果工作電流太大，功率輸出大，激光束強(qiáng)，可以將電池片直接劃斷，容易造成電池正負(fù)極短路。反之，當(dāng)工作電流太小，劃痕深度不夠，在沿著劃痕用手將電池片掰斷時，容易將電池片弄碎。,3. 激光劃片工藝,5.3 組件加工工藝,注意事項(xiàng) 太陽電池片價格較貴，為減少電池片在切割中的損耗，在正式切割前

17、，應(yīng)先用與待切電池片型號相同的碎電池片做試驗(yàn)，測試出該類電池片切割時激光劃片機(jī)合適的工作電流，這樣正常樣品的切割中劃片機(jī)按照電流工作，可以減少由于工作電流太大或太小而造成損耗。,3. 激光劃片工藝,5.3 組件加工工藝,注意事項(xiàng) 激光劃片機(jī)激光束行進(jìn)路線是通過計算機(jī)設(shè)置XY坐標(biāo)來確定的，設(shè)置坐標(biāo)時，一個小數(shù)點(diǎn)和坐標(biāo)軸的差錯會使激光束路線完全改變。因此，在電池片切割前，先用小工作電流(使激光能被看清光斑即可)讓激光束沿設(shè)定的路線走一遍，確認(rèn)路線正確后，再調(diào)大電流進(jìn)行切片。,3. 激光劃片工藝,5.3 組件加工工藝,注意事項(xiàng) 一般來說，激光劃片機(jī)只能沿XY軸方向進(jìn)行切割，切方形電池片比較方便。當(dāng)電

18、池片在要求切成三角形等形狀時，切割前一定要計算好角度，擺好電池片方位，使需要切割的線路沿x或Y方向。,3. 激光劃片工藝,5.3 組件加工工藝,注意事項(xiàng) 在切割不同電池片時，如果兩次厚度差別較大，調(diào)整工作電流的同時，注意調(diào)整焦距。 切割電池片時，應(yīng)打開真空泵，使電池片緊貼工作面板，否則，將切割不均勻。,3. 激光劃片工藝,5.3 組件加工工藝,切割好的太陽電池片需要將其連接起來，焊接這一工序就是用焊條(連接條)按需要將電池片串聯(lián)或并聯(lián)好，最后匯成一條正極和一條負(fù)極引出來。 焊接注意事項(xiàng)： （1）太陽電池串聯(lián)后，總電流與最小電池片產(chǎn)生的電流一致，因此每片串聯(lián)的太陽電池要求尺寸一樣大，顏色一致(這

19、樣一方面為保證電池光電轉(zhuǎn)換效率一致，另外使組件外表更美觀)； （2）手工焊接時把握好烙鐵與焊點(diǎn)接觸時間，盡量一次焊成，如一個焊點(diǎn)反復(fù)焊接，電池片上電極很容易脫落；焊點(diǎn)要均勻，若某些焊點(diǎn)焊錫太多，表面不平整會影響電池層壓，增加碎片率。,4.焊接工藝,5.3 組件加工工藝,電池片按要求焊接好后，層壓前一般先用萬用表通過測電池電壓方式檢查焊接好的太陽電池有沒有短路、斷路； 清洗玻璃 按照比玻璃面積略大的尺寸裁制EVA、TPT； 將玻璃-EVA-電池-EVA-TPT層疊好，放入層壓機(jī)層壓。,5.層壓工藝,5.3 組件加工工藝,層壓注意事項(xiàng)： 太陽電池層壓工藝中，消除EVA中的氣泡是封裝成敗的關(guān)鍵，層疊

20、時進(jìn)入的空氣與EVA交聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣是形成氣泡的主要原因。當(dāng)層壓的組件中出現(xiàn)氣泡，說明工作溫度過高或抽氣時間太短，應(yīng)該重新設(shè)置工作溫度和抽氣、層壓時間。,5.層壓工藝,5.3 組件加工工藝,從層壓機(jī)取出的太陽電池，未固化時EVA容易與TPT、玻璃脫層，進(jìn)入烘箱固化。烘箱固化根據(jù)EVA種類不同分兩種方式。 快速固化型EVA 設(shè)置烘箱溫度135，待升到設(shè)置溫度后，將層壓好的電池放入固化15min。 常規(guī)固化型EVA 設(shè)置烘箱溫度145，待升到設(shè)置溫度后，將層壓好的電池放入固化30min。 在層壓機(jī)內(nèi)直接固化。,6.固化工藝進(jìn)入烘箱固化,5.3 組件加工工藝,快速固化型EVA : 層壓機(jī)設(shè)置100

21、120，放入電池板，抽氣35min，加壓410min(層壓的太陽電池板較小時，時間可以稍短些)，同時升溫到135，恒溫固化15min，層壓機(jī)下充氣上抽空30s，開蓋取出電池冷卻即可。 常規(guī)固化1型EVA ： 層壓機(jī)設(shè)置100120，放入電池板，抽氣35min，加壓410min(層壓的太陽電池板較小時，時間可以稍短些)，同時升溫到145150，恒溫固化30min，層壓機(jī)下充氣上抽空30s，開蓋取出電池冷卻。,6.固化工藝層壓機(jī)內(nèi)直接固化,5.3 組件加工工藝,常規(guī)固化2型EVA ：層壓機(jī)設(shè)置135140，放入電池板，抽氣35分鐘，加壓410分鐘，恒溫135140，固化15分鐘，再取出冷卻即可。

22、目前，工廠大部分采用在烘箱中快速固化EVA。這種固化方法效果好，速度快，可以節(jié)約層壓機(jī)的使用時間。在太陽電池組件制造過程中，廠家經(jīng)常需要測定EVA的凝膠含量來分析EVA的固化程度，以達(dá)到控制封裝質(zhì)量的目的。 EVA凝膠含量達(dá)到65以上，可以認(rèn)為固化基本完成，達(dá)到了組件的要求.,6.固化工藝層壓機(jī)內(nèi)直接固化,5.4 組件檢測,1.基本物理（光學(xué)）常識,5.4 組件檢測,2.檢測標(biāo)準(zhǔn),GBT95351998地面用晶體硅光伏組件設(shè)計鑒定與定型 GBT140081992海上用太陽電池組件總規(guī)范。,5.4 組件檢測,2.檢測標(biāo)準(zhǔn),性能指標(biāo)與檢測方法：,性能測試 在規(guī)定光源的光譜、標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)以及一定的電池溫

23、度(25)條件下對太陽能電池的開路電壓、短路電流、最大輸出功率、伏安特性曲線等進(jìn)行測量。 電絕緣性能測試 以1kV的直流電通過組件底板與引出線，測量絕緣電阻，絕緣電阻要求大于200M，以確保在應(yīng)用過程中組件邊框無漏電現(xiàn)象發(fā)生。,5.4 組件檢測,2.檢測標(biāo)準(zhǔn),熱循環(huán)實(shí)驗(yàn) 將組件置于有自動溫度控制、內(nèi)部空氣循環(huán)的氣候室內(nèi)，使組件在4085之間循環(huán)規(guī)定次數(shù)，并在極端溫度下保持規(guī)定時間，監(jiān)測實(shí)驗(yàn)過程中可能產(chǎn)生的短路和斷路、外觀缺陷、電性能衰減率、絕緣電阻等，以確定組件由于溫度重復(fù)變化引起的熱應(yīng)變能力。,性能指標(biāo)與檢測方法：,5.4 組件檢測,2.檢測標(biāo)準(zhǔn),濕熱濕冷實(shí)驗(yàn) 將組件置于帶有自動溫度控制、內(nèi)部空氣循環(huán)的氣候室內(nèi)，使組件在一定溫度和濕度條件下往復(fù)循環(huán)，保持一定恢復(fù)時間，監(jiān)測實(shí)驗(yàn)過程中可能產(chǎn)生的短路和斷路、外觀缺陷、電性能衰減率、絕緣電阻等，以確定組件承受高溫高濕和低溫低濕的能力。,性能指標(biāo)與檢測方法：,5.4 組件檢測,2.檢測標(biāo)準(zhǔn),機(jī)械載荷實(shí)驗(yàn) 在組件表面逐漸加載，監(jiān)測實(shí)驗(yàn)過程中可能產(chǎn)生的短路和斷路、外觀缺陷、電性能衰減率、絕緣電阻等，以確定組件承受風(fēng)雪、冰雪等靜態(tài)載荷的能力。,性能指標(biāo)與檢測方法：,5.4 組件檢測,2.檢測標(biāo)準(zhǔn),性能指標(biāo)與檢測方法：,冰雹實(shí)驗(yàn) 以鋼球代替冰雹從不同角度以一定動量撞擊組件，檢測組件產(chǎn)生的外觀缺陷、電