本科毕业论文---太阳能电池组件生产工艺及其缺陷分析.doc
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1、2太阳能电池组件生产工艺及其缺陷分析摘要:本文主要阐述太阳能组件生产的工艺及其生产流程,着重论述EL检测技术在组件检测中的应用。并结合到银星能源光伏发电设备制造公司实习的工作情况,用手机将其中的失效形式记录了下来并重点讨论了工序中可能出现的缺陷。为了便于缺陷分析,特地将电池局部损坏处照了下来,并就分析结果提出改进措施。以期改进太阳电池组件的生产材料、设计以及工艺程序,进而提高太阳能光伏发电系统的发电效率,同时也对太阳能电池组件的生产有着重要的指导作用。 关键词 太阳能电池;组件生产工艺;EL测试;缺陷分析; Abstract: This article focuses on solar pan
2、el production technology and production processes, focuses on EL detection technique and its application in component testing. Combined with the working state of Yinxing energy photovoltaic Equipment Manufacturing Company practice, with the mobile phone will form of failure which was recorded and di
3、scussed the possible defects in the process of. In order to facilitate the analysis of defects, especially the local damage battery shines down, and the results of the analysis put forward the improvement measures. In order to improve the solar battery components production materials, design and pro
4、cess, and the power generation efficiency of solar photovoltaic power generation system, but also on the solar battery components production plays an important role.Keywords: solar cells ;components production; EL testing; defect analysis;目录引言1第1章 综述21.1 光伏发电产业的发展现状21.2 太阳能电池31.3 太阳能电池组件41.31 组件概念及要
5、求41.32 组件的工作原理5第2章 组件的生产工艺62.1 裁剪工艺62.2 电池片的分选72.3 电池片单焊82.4 电池片串焊92.5 叠层铺设92.6 中检测试102.7 层压102.8 修边、装框及粘接接线盒112.9 组件终测及包装13第3章 EL测试143.1 EL测试原理143.2 EL在组件生产过程的应用1423第4章 组件中的主要缺陷分析及改进意见164.1 断栅164.2 气泡174.3 短路184.4 裂片18结论20致谢21参考文献22附录A:文献综述123附录B:文献综述223附录C:发表的相关论文23附录D:外文文献1及其翻译23附录E:外文文献2及其翻译23引言
6、我国正处在经济转型和蓬勃发展时期,但能源稀缺更加严峻,由于城市中大量使用化石燃料,加剧了环境恶化。开发和利用可再生能源来实现又好又快的发展是我国未来必要的选择。由于太阳能光伏发电的诸多优点,其研究开发已经成为现在世界各国争相竞争的热点,我国虽然将目光转向光伏比较晚,但对于光伏发电产业发展很重视。太阳能电池组件是光伏发电系统的核心,组件的工作寿命是决定一个光伏发电系统成功与否的一个极重要因素。只有通过对太阳能电池组件生产工序中出现的缺陷进行分析,才能够改进太阳能电池组件的生产材料、设计以及工艺程序,进而提高太阳能光伏发电系统的效率。本文主要介绍了光伏组件的生产过程及各环节需注意的事项,从而让大家
7、对组件的制造有所了解,指导生产减少一些不必要的问题。详细地分析工序中出现的缺陷,希望能改进组件生产的工艺、提高效率和稳定生产,进而提高光伏发电系统的发电效率。第1章 综述1.1 光伏发电产业的发展现状在当今油、碳等能源短缺的现状下,各国都加紧了发展光伏的步伐。美国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本,使其2015年达到商业化竞争的水平;日本也提出了在2020年达到28GW的光伏发电总量;欧洲光伏协会提出了“setfor2020”规划,规划在2020年让光伏发电做到商业化竞争。在发展低碳经济的大背景下,各国政府对光伏发电的认可度逐渐提高。太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的
8、重要席位,不但要替代部分常规能源,而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年,可再生能源在总能源结构中将占到30%以上,而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年,可再生能源将占总能耗的50%以上,太阳能光伏发电将占总电力的20%以上【1】。据统计,2013年全球光伏发电系统新增装机容量超过37GW(3700万千瓦),远远超过了2012年的29.9GW。截至2013年底的累计装机容量为136.7GW。各国家和地区方面,新增装机容量最多的是中国,为11.3GW,其次是日本,为6.9GW,排在第三位的是美国,为4.8GW。而在最近十年左右一直推动光伏发电市场发展的
9、欧洲,2013年新增装机容量则大幅减少。德国为3.3GW,较2012年的7.6GW减少约57,意大利为1.1G1.4GW,较2012年减少约70。EPIA表示,“市场的主战场已由原来的欧洲转向亚洲”【2】。我国太阳能资源非常丰富,大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上,理论储量达每年1.7万亿吨标准煤,太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。从全国太阳年辐射总量的分布来看,青藏高原和西北地区、华北地区、东北大部以及云南、广东、海南等部分低纬度地带均为太阳能资源丰富或较丰富的地区。我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔。第一,我国有荒漠面积100余万平方公里,主要分布在光照资源丰富的西北地区,
10、如果利用荒漠安装并网太阳能发电系统则可以提供非常可观的电量。第二,太阳电池组件不仅可以作为能源设备,还可作为屋面和墙面材料,既供电节能,又节省了建材,具有良好的经济效益。第三,迄今我国边远地区仍有较多居民尚未用电,如果单纯依靠架设电网供电,则成本高,建设周期长,不经济。太阳能发电无需架设输电线路,且建设周期短,可以有效解决边远地区用电的难题【1】。近几年中国光伏产业快速崛起,根据国家能源局统计,截至2013年末,全国发电设备装机容量为12.47亿千瓦,同比增长9.3%;其中,火电8.62亿千瓦,水电2.80亿千瓦,核 电1461万千瓦,并网风电7548万千瓦,并网太阳能1479万千瓦,上述电源
11、装机分别同比增长5.7%、12.3%、16.2%、24.5%和 335.1%。太阳能光伏发电方面,近年来随着国家对太阳能发电扶持力度增强,以及多晶硅价格下跌、组件成本下降,我国太阳能光伏发电试点工程逐渐增多、装机规模迅速增长。截至2013年末的我国光伏发电装机总容量为1479万千瓦,2010-2013年的年均复合增长率达到316.30%。2012年以来,光伏电站建设成本下降,以及标杆电价和补贴政策密集推出,特别是分布式发电多项扶持政策得到落实,使得我国光伏装机容量规模快速增长【3】。太阳能发电发展“十二五”规划明确太阳能发电的发展目标、开发利用布局和建设重点。到2015年底,太阳能发电装机容量
12、达到2100万千瓦以上,年发电量250亿千瓦时。其中,光伏电站装机容量约1000万千瓦,太阳能光热发电装机容量100万千瓦,分布式光伏发电系统约1000万千瓦。在太阳能规划布局上,西部地区与中东部各有侧重。在青海、新疆、甘肃、内蒙古等太阳能资源和未利用土地资源丰富地区,以增加当地电力供应为目的,建成并网光伏电站总装机容量1000万千瓦。以经济性与光伏发电基本相当为前提,建成光热发电总装机容量100万千瓦。随着国内光伏产业规模逐步扩大、技术逐步提升,光伏发电成本会逐步下降,未来国内光伏容量将大幅增加。中国已将新能源产业上升为国家战略产业,未来10年拟加大对包括太阳能在内的新能源产业投资,以减少经
13、济对石化能源依赖和降低碳排放。未来五到十年中国光伏发电有望规模化发展【1】。 1.2 太阳能电池太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件,这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”,因此太阳能电池又称为“光伏电池”。用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质,和任何物质的原子一样,半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成,半导体硅原子的外层有4个电子,按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时,这些电子就会脱离轨道而成为自由电子,并在原来的位置上留下一个“空穴”,在纯净的硅晶体中,自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中
14、掺入硼、镓等元素,由于这些元素能够俘获电子,它就成了空穴型半导体,通常用符号P表示;如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素,它就成了电子型半导体,以符号N代表。若把这两种半导体结合,交界面便形成一个PN结。太阳能电池的奥妙就在这个“结”上,PN结就像一堵墙,阻碍着电子和空穴的移动。当太阳能电池受到阳光照射时,其中一部分光线被反射,一部分光线被吸收,还有一部分光线透过电池片。被吸收的光能激发被束缚的高能级状态下的电子,产生电子空穴对,在PN结的内建电场作用下,使太阳能电池的受光面有大量负电荷积累,而在电池的背光面有大量的正电荷积累(如图11),就是上面所说的“光生伏打效应”。如果这时分别在P型层和N
15、型层焊上金属导线,接通负载,则外电路便有电流通过。为了获得较高的输出电压和较大的功率容量,往往把把多片太阳能电池连接在一起构成电池组件应用。制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种,因此太阳电池的种类也很多。目前,技术最成熟,并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池【4】。图11 太阳能电池发电原理1.3 太阳能电池组件1.31 组件概念及要求太阳能电池组件通常简称光伏组件或电池板。太阳能电池组件是把多个单体的太阳能电池片根据需要串联、并联起来,并通过专门材料和专门生产工艺进行封装后的产品。合格的组件通常满足这些要求:能够提供足够的机械强度,使太阳能电池组件能经受运输、安装和使用过程中发生的冲击、
16、振动等产生的应力,能经受住冰雹的冲击力;具有良好的密封性,能够防风、防水、隔绝大气条件下对太阳能电池片的腐蚀;因太阳能电池串联、并联组合而引起的效率损失要小;具有良好的电绝缘性能;抗紫外线辐射能力强;太阳能电池片之间连接可靠;工作电压和输出功率按不同的要求设计,可以提供多种接线方式,满足不同的电压、功率电流输出要求;工作寿命长,要求太阳能电池组件在自然条件下能够使用20年以上【5】。1.32 组件的工作原理太阳能电池组件由硅太阳能电池片串并联,用钢化玻璃、两层EVA胶膜及TPT背板膜热压密封而成,周边加装铝合金边框。太阳光照射在组件的上表面,经由太阳能电池片组的光伏效应转化成为电能,所产生的电
17、能通过由电池片、互联条、汇流带和负载所组成的回路,对负载进行电能供应,也可进入蓄电池中保存。(结构图12)图12 层压组件结构图第2章 组件的生产工艺2.1 裁剪工艺将EVA、太阳能背板、焊带、汇流带根据生产量的要求进行裁剪,以保证优质、高效的组件生产线的工作。EVA胶膜是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物,是一种热固性的膜状热熔胶,在常温下无粘性,经过一定条件下热压便发生熔融黏结与交联固化,变得完全透明,是目前太阳能电池组件封装中普遍使用的黏结材料,EVA胶膜的外形如图21所示。EVA和玻璃黏合后能提高玻璃的透光率,起到增透的作用,并对太阳能组件功率输出有增益作用。在熔融状态下,EVA胶膜与太阳能电池
18、片、面板玻璃、TPT背板材料产生黏合,此过程既有物理的黏结也有化学的键合作用。 为提高EVA的性能,一般都要通过化学交联的方式对EVA进行改性处理,EVA 在固化过程中会发生交联反应, 形成一种三维网状结构, 对太阳电池起到很好的密封作用【6】。因此EVA胶膜能有效的保护电池片,防止外界对电池片的电性能造成影响,增强光伏电池组件的透光性。图21 EVA的裁剪太阳能背板材料主要是TPT类复合膜,TPT类复合膜外形如图21所示,TPT由多层高分子薄膜经碾压黏合起来的复合膜,主要由三层组成:含氟膜(或其替代物)+PET层(或其替代物)+EVA粘结层(有含氟膜、改性EVA、PE、PET等)。TPT复合
19、膜集合了俗称“塑料王”的氟塑料具有的耐老化、耐腐蚀、防潮抗湿性好的优点,和聚酯薄膜优异的机械性能、阻隔性能和低吸湿性,因此复合而成的TPT胶膜具有不透气、强度好、耐候性好、使用寿命长、层压温度下不起任何变化、与粘接才了解和牢固等特点。这些特点正适合进行封装太阳能光伏组件,作为光伏组件的背板材料有效的防止了各种介质尤其是水、氧、腐蚀性气体等对EVA和太阳能电池片的侵蚀与影响【7】。图21 TPT裁剪涂锡焊带也叫涂锡带、互联条、互连带,宽一些的涂锡焊带也叫汇流条或汇流带,其外形如图23所示。涂锡带由无氧铜剪切拉拔或轧制而成,所有外表面都有热度途层。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
20、流焊接,要求涂锡带具有较高的焊接操作性及牢固性。涂锡焊带是光伏组件生产中的专用焊接引线,其中互联条是用于电池片与电池片之间连接的焊带,汇流条是用于电池串与电池串之间汇总连接并引出正负极引线的焊带。互联条与汇流条相比,其宽度相对较窄,厚度相对较薄,允许通过的电流值较小。为了下一道工序的良好进行,焊带要在助焊剂中浸泡。图23 焊带的裁剪裁剪工艺需要注意事项有裁剪EVA胶膜、太阳能背板、焊带、汇流带裁剪尺寸偏差太大,会造成原材料不能用或浪费原材料,增加生产成本;焊带泡晒不符合要求,容易造成单串焊等工序虚焊或焊接不上造成原材料浪费,生产效率降低,影响组件的质量【8】。2.2 电池片的分选由于电池片制作
21、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,做出质量合格的电池组件。分选电池片时,除了对电池片性能参数进行分选外,还要对电池片的外观进行分选,重点是色差和栅线尺寸等【9】。一般从电池片生产厂家采购回来的电池片已经进行过分选,但在生产组件时还是应该再次进行分选测试。电池片的分选需要注意事项有分选作业者不得裸手触及电池片;若将不同功率挡位的电池片混淆,就会产生木桶效应,使组件功率下降,甚至导致组件的报废。2.3 电池片单焊单焊(正面焊接)
22、是将焊带焊接到电池正面(负极)的主栅线上(见图24),焊带为镀锡的铜带,要求焊接平直、牢固,用手轻提焊带沿45方向不脱落。过高的焊接温度和过长的时间会导致低的撕拉强度或碎裂电池。手工焊接时一般用恒温电烙铁,大规模生产时使用自动焊接机【10】。焊带的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【11】。焊接时,左手捏住焊带一端约1/3-2/3的长度,平放在单片的主栅线上,焊带的一端应放在离电池片的上边缘空一个栅格大约2mm的地方。右手拿烙铁,从上至下均匀地沿焊带轻轻压焊。焊接时烙铁头的起始点应在超出焊带边缘0.5mm。焊接中烙铁头的平面应始终紧贴焊带【12】。电池片
23、单焊需要注意的事项有焊接前应检查电烙铁头上是否有残留的焊锡和其他的脏污,如有,将电烙铁头在干净的清洁棉上擦拭去除残余物;焊接时要用力均匀,不能用力过大,应与电烙铁自重力相当;浸泡过助焊剂的焊带不能在空气中暴露太长时间,当表面产生白色粉末状时,要重新浸泡;注意焊接温度,温度过低可能导致电池片的虚焊、过焊。 图24电池片单焊操作台2.4 电池片串焊串焊(背面焊接)是将电池片焊接在一起形成一个规定片数的电池串,然后用汇流带再将若干个电池串进行串联或并联焊接,最后汇合成电池组件并引出正负极引线。手工焊接时电池片的定位主要靠模具板,上面有912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
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