电池片、组件工艺

太阳能电池片生产工艺一、硅片检测硅片是太阳能电池片的载体，硅片质量的好坏直接决定了太阳能电池片转换效率的高低， 因此需要对来料硅片进行检测。 该工序主要用来对硅片的一些技术参数进行在线测量， 这些参数主要包括硅片表面不平整度、少子寿命（ >10us）、电阻率、 P/N 型和微裂纹等。该组设备分自动上下料、硅片传输、系统整合部分和四个检测模块。其中，光伏硅片检测仪对硅片表面不平整度进行检测 , 同时检测硅片的尺寸和对角线等外观参数； 微裂纹检测模块用来检测硅片的内部微裂纹； 另外还有两个检测模组， 其中一个在线测试模组主要测试硅片体电阻率和硅片类型， 另一个模块用于检测硅片的少子寿命。 在进行少子寿命和电阻率检测之前， 需要先对硅片的对角线、 微裂纹进行检测，并自动剔除破损硅片。 硅片检测设备能够自动装片和卸片，并且能够将不合格品放到固定位置，从而提高检测精度和效率。二、表面制绒单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀， 在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。 由于入射光在表面的多次反射和折射， 增加了光的吸收， 提高了电池的短路电流和转换效率。硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液， 可用的碱有氢氧化钠， 氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。大多使用廉价的浓度约为 1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度为 70-85℃。 为了获得均匀的绒面， 还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂 ， 以加快硅的腐蚀。制备绒面前， 硅片须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去约 20～ 25μ m，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存， 以防沾污， 应尽快扩散制结。三、扩散制结太阳能电池需要一个大面积的 PN结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池 PN结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、 废气室、 炉体部分和气柜部分等四大部分组成。扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。 把 P型硅片放在管式扩散炉的石英容器内， 在 850---900 摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。经过一定时间， 磷原子从四周进入硅片的表面层， 并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散， 形成了 N型半导体和 P型半导体的交界面， 也就是 PN结。这种方法制出的 PN结均匀性好 , 方块电阻的不均匀性小于百分之十 , 少子寿命可大于 10ms。 制造 PN结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。 因为正是 PN结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。四、去磷硅玻璃该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中，通过化学腐蚀法也即 把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡 ， 使其产生化学反应生成可溶性的络和物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃。在扩散过程中， POCL3 与 O2 反应生成 P2O5 淀积在硅片表面。 P2O5 与 Si反应又生成 SiO2和磷原子， 这样就在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2，称之为磷硅玻璃。去磷硅玻璃的设备一般由本体、清洗槽、伺服驱动系统、机械臂、电气控制系统和自动配酸系统等部分组成，主要动力源有氢氟酸、氮气、压缩空气、纯水，热排风和废水。氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸与二氧化硅反应生成易挥发的四氟化硅气体。 若氢氟酸过量， 反应生成的四氟化硅会进一步与氢氟酸反应生成可溶性的络和物六氟硅酸。五、等离子刻蚀由于在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，硅片的所有表面包括边缘都将不可避免地扩散上磷。 PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到 PN结的背面，而造成短路。因此，必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀， 以去除电池边缘的 PN结。通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。等离子刻蚀是在低压状态下，反应气体 CF4 的母体分子在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体。 等离子体是由带电的电子和离子组成， 反应腔体中的气体在电子的撞击下， 除了转变成离子外， 还能吸收能量并形成大量的活性基团。 活性反应基团由于扩散或者在电场作用下到达 SiO2表面， 在那里与被刻蚀材料表面发生化学反应， 并形成挥发性的反应生成物脱离被刻蚀物质表面，被真空系统抽出腔体。六、镀减反射膜抛光硅表面的反射率为 35%,为了减少表面反射 , 提高电池的转换效率 , 需要沉积一层氮化硅减反射膜。 现在工业生产中常采用 PECVD设备制备减反射膜。 PECVD即等离子增强型化学气相沉积。它的技术原理是利用低温等离子体作能量源， 样品置于低气压下辉光放电的阴极上， 利用辉光放电使样品升温到预定的温度， 然后通入适量的反应气体 SiH4 和 NH3，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜即氮化硅薄膜。 一般情况下， 使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法沉积的薄膜厚度在 70nm左右。这样厚度的薄膜具有光学的功能性。利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大为减少，电池的短路电流和输出就有很大增加，效率也有相当的提高。七、丝网印刷太阳电池经过制绒、扩散及 PECVD等工序后，已经制成 PN结，可以在光照下产生电流， 为了将产生的电流导出， 需要在电池表面上制作正、负两个电极。制造电极的方法很多，而丝网印刷是目前制作太阳电池电极最普遍的一种生产工艺。 丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上， 该设备由电池背面银铝浆印刷、 电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部分组成。 其工作原理为： 利用丝网图形部分网孔透过浆料， 用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力， 同时朝丝网另一端移动。 油墨在移动中被刮刀从图形部分的网孔中挤压到基片上。 由于浆料的粘性作用使印迹固着在一定范围内， 印刷中刮板始终与丝网印版和基片呈线性接触， 接触线随刮刀移动而移动， 从而完成印刷行程。八、快速烧结经过丝网印刷后的硅片，不能直接使用，需经烧结炉快速烧结，将有机树脂粘合剂燃烧掉， 剩下几乎纯粹的、 由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极。 当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时， 晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去， 从而形成上下电极的欧姆接触， 提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数， 使其具有电阻特性，以提高电池片的转换效率。烧结炉分为预烧结、烧结、 降温冷却三个阶段。 预烧结阶段目的是使浆料中的高分子粘合剂分解、燃烧掉， 此阶段温度慢慢上升；烧结阶段中烧结体内完成各种物理化学反应，形成电阻膜结构，使其真正具有电阻特性，该阶段温度达到峰值；降温冷却阶段，玻璃冷却硬化并凝固，使电阻膜结构固定地粘附于基片上。九、外围设备在电池片生产过程中，还需要供电、动力、给水、排水、暖通、真空、 特汽等外围设施。 消防和环保设备对于保证安全和持续发展也显得尤为重要。一条年产 50MW能力的太阳能电池片生产线，仅工艺和动力设备用电功率就在 1800KW左右。工艺纯水的用量在每小时 15吨左右， 水质要求达到中国电子级水 GB/T11446.1-1997 中 EW-1级技术标准。工艺冷却水用量也在每小时 15 吨左右，水质中微粒粒径不宜大于 10 微米， 供水温度宜在 15-20℃。 真空排气量在 300M3/H 左右。同时，还需要大约氮气储罐 20 立方米，氧气储罐 10 立方米。考虑到特殊气体如硅烷的安全因素， 还需要单独设置一个特气间， 以绝对保证生产安全。另外，硅烷燃烧塔、污水处理站等也是电池片生产的必备设施。太阳能电池组件封装工艺太阳能电池组件的制造过程中主要有以下一些步骤： 激光划片 — 光焊（将电池片焊接成串） — 手工焊 （焊接汇流条） — 层叠 （玻璃 — EVA—电池 — EVA— TPT） — 中测 — 层压 — 固化 — 装边框、接线盒 — 终测。1、激光划片：太阳能电池每片工作电压 0.4-0.5V 左右（开路电压约 0.6V） ，将一片切成两片后， 每片电压不变； 太阳 电池的 功率与电池板的面积成正比（同样转化率下） 。根据组件所需电压、功率，可以计算出所需电池片的面积及电池片片数，由于单体电池（未切割前）尺寸一定（有几种标准） ，面积通常不能满足组件需要，因此，在焊接前，一般有激光划片这套工序，切割前，应设计好切割路线，画好草图，要尽量利用切割剩余的电池片，提高电池片的利用率。切片时的具体要求：1.1、 切片时， 切痕深度一般要控制在电池片厚度的 1/2— 2/3， 这主要通过调节激光划片机的工作电流来控制。 如果工作电流太大， 功率输出大， 激光束强， 可以将电池片直接划断， 容易造成电池正负极短路。反之，当工作电流太小，划痕深度不够，在沿着划痕用手将电池折断时，容易将电池片弄碎。1.2、太阳电池片价格较贵，为减少电池片在切割中的损耗，在正式切割前， 应先用与待切电池片型号相同的碎电池片做试验， 测试出该类电池片切割时激光划片机合适的工作电流 I0， 这样正常样品的切割中划片机按照电流 I0 工作，可以减少由于工作电流太大或太小而造成损耗。1.3、激光划片机激光束进行路线是通过计算机设置 XY 坐标来确定的， 设置坐标时， 一个小数点和坐标轴的差错会使激光束路线完会改变，因此，在电池片切割前，先用小工作电流（使激光能被看清光斑即可）让激光束沿庙宇的路线走一遍，确认路线正确后，再调大电流进行切片。1.4、一般来说，激光划片机只能沿 XY 轴方向进行切割，切方形电池片较方便。 当电池片切成三角形等形状时， 切割前一定要计算好角度，摆好电池方位，使需要切割的线路沿 X 或 Y 方向。1.5、在切割不同电池片时，如果两次厚度差别较大，调整工作电流的同时，注意调整焦距。1.6、切割电池片时，应打开真空泵，使电池片紧贴工作面板，否则，将切割不均匀。2、焊接：切割好的电池片需要连接起来，焊接这一工序就是用焊条（连接条）按需要的电池片串联或并联好，最后汇成一条正极和一条负极引出来。焊接时要注意几点：太阳电池串联后，总电流与电小电池片产生的电流一致， 因此每片串联的太阳电池要求尺寸一样大， 颜色一致 （这样一方面为保证电池光电转换资效率一致， 另外使组件外表更美观） ；手工焊接时把握好烙铁与焊点接触时间， 尽量一次焊成， 如一个焊点反复焊接，电池片上电极很容易脱落；焊点要均匀，若某些焊点焊锡太多，表面不平整会影响电池层压，增加碎片率。3、层压：电池片按要求焊好后， 层压前一般先用万用表通过测电池电压方式检查焊接好的太阳电池有没有短路、断路，然后清洗玻璃，按照比玻璃面积略大的尺寸裁制 EVA、 TPT，将玻璃 — EVA— 电池 — EVA— TPT层叠好，放入层压机层压（层压机的具体操作过程前面已经介绍） 。层压过程中有关问题及注意事项：太阳电池层压 工艺 中，消除 EVA中的气泡是封装成败的关键，层叠时进入的空气与 EVA 交联反应产生的氧气是形成气泡的主要原因。 当层压的组件中出现气泡， 说明工作温度过主或抽气时间太短应该重新设置工作温度和抽气、层压时间。4、固化：从层压机取出的太阳能电池， 未固化时 EVA 容易与 TPT、 玻璃脱层，进入烘箱固化。烘箱固化根据 EVA 种类不同分两种方式。4.1、快速固化型 EVA，设置烘箱温度 135 度，待升到设置温度后，将层压好的电池放入固化 15min。4.2、常规固化型 EVA 设置烘箱温度 145 度，待升到温度后，将层压的好电池放入固化 30min。另外，也可以在层压机内直接固化。4.3、快速固化型 EVA，层压机设置 100— 120 度，放入电池板，抽气3— 5min， 加压 4— 10min（层压的太阳电池板较小， 时间可以稍短些） ，同时升温到 135 度，恒温固化 15min，层压机下充气上抽空 30s，开盖取出电池冷即即可。4.4、常规固化型 EVA，层压机设置 100— 120 度，放入电池板，抽气3— 5min， 加压 4— 10min（层压的太阳电池板较小， 时间可以稍短些） ，同时升温到 145— 150 度， 恒温固化 30min， 层压机下充气上抽空 30s，开盖取出电池冷即即可。4.5、层压机设置 135— 140 度，放入电池板，抽气 3-5min，加压4— 10min，恒温到 135— 140度，固化 15min，再取出即可。目前，采用烘箱中快速固化 EVA，这种方法好，速度快，节约层压机的使用时间。 EVA 凝胶含量达到 65%以上，可以认为固化 基本 完成，达到了组件的要求。5、检测：太阳电池组件投入使用前需先进行各项性能测试，具体方法参考GB/T9535— 1998《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定与定型》 、 《海上用太阳能电池组件总规范》 ，其具体方法：5.1、性能测试，在规定光源的光谱、标准光强以及一定的电池温度（ 25 度）条件下对太阳能 电池的 开路电压、短路电流、最大输出功率、伏安特性曲线等进行测量。5.2、电绝缘性能测试，以 1KV 的直流电通过组件底板与引出线，测量绝缘电阻，绝缘电阻要求大于 2000MΩ ，以确保在应用过程中组件边框无漏电现象发生。5.3、热循环实验，将组件置于有自动温度控制、内部空气循环的气候室内， 使组件在 40~85 度之间循环规定次数， 并在极端温度下保持规定时间，监测实验过程中可能产生的短路和断路、外观缺陷、电性能衰减率、 绝缘电阻等， 以确定组件由于温度重复变化引起的热应变能力。5.4、湿热 — 湿冷实验，将组件置于有自动温度控制、内部空气循环的气候室内， 使组件在一定温度和湿度下往复循环， 保持一定恢复时间，监测实验过程中可能产生的短路和断路、外观缺陷、电性能衰减率、绝缘电阻等，以确定组件承受高温高湿和低温低湿的能力。5.5、机械载荷实验，在组件的表面逐渐加载，监测实验过程中可能产生的短路和断路、外观缺陷、电性能衰减率、绝缘电阻等，以确定组件承受风半雪等静态载荷的能力。5.6、冰雹实验，以钢球代替冰雹从不同角度以一定的动量撞击组件，检测组件产生的外观缺陷、 电性能衰减率， 以确定组件承受冰雹撞击的能力。5.7、老化实验，用于检测太阳电池组件暴露在高湿和高紫外辐射场地时具有有效抗衰减能力。将组件样品放在 65 度，约 6.5 紫外太阳下辐照，最后测电光性，看其下降损失，值得一提的是，在曝晒老化实验中， 电性能下降是不规则的， 且与 EVA/TPT 光的损失不成比例。6、技术要求：合格的太阳能电池组件必须达到如下要求：6.1、光伏组件在规定工作环境下，使用奉命应大于 20 年（使用 20年，效率大于原来效率的 80%） 。6.2、组件的电池上表面颜色应均匀一致，无机械损伤，焊点无氧化斑。6.3、组件的每片电池与互连条应排列整齐，组件的框架应整洁无腐蚀斑点。6.4、组件的封装层中不允许气泡或脱层在某一片电池与组件边缘形成一个通路， 气泡或脱层的几何尺寸和个数应符合相应的产品详细规范规定。6.5、组件的面积比功率大于 65W/m2，质量比功率大于 4.5W/kg，填充因子 FF 大于 0.65。6.6、组件在正常条件下绝缘电阻不能低于 200MΩ 。6.7、 采用 EVA、 玻璃等层压封装的组件， EVA 的交联度应大于 65%，EVA 与玻璃的剥离强度大于 30N/cm， EVA 与组件背板材料的剥离强度大于 15N/cm。6.8、每个组件应有如下标志：6.8.1、产品名称与型号。6.8.2、主要参数，包括短路电流 ISC，开路电压 VOC，最佳工作电流 Im，最佳工作电压 Vm，最大输出功率 Pm 以及 T— V 曲线图。6.8.3、制造厂名、日期及商标。7、层压的 基本 过程：打开层压机，按下加热按钮，设定好工作温度；待加热板温度达到指定温度（可以从控制上看到）后，将层叠好的电池片放入层压机并合上盖，合盖后第一步：下室抽气。层叠好的太阳电池片放置在两层玻璃布间（属于下室部分）时， EVA 在层压机内开始受热， 受热后的 EVA 处于熔融状态， EVA 与电池片、 玻璃、 TPT之间有空气存在， 下室抽气 （抽真空） 可以将这些间隙中的空气排除。如果抽气时间和层压温度设置不当，在组件玻璃下面常会出现气泡，至使组件使用过程中，气泡受热膨胀而使 EVA 脱层，影响组件的外观、效率与使用奉命。抽气的下一步是加压（层压） 。在加压过程中，下室继续抽真空，上室充气，胶皮气囊构成的上室，充气后体积膨胀（由于下室抽真空）充斥整个上下室之间，挤压放置下室的电池片、EVA 等， 熔融后的 EVA 在挤压和下室抽空的作用下， 流动充满玻璃、电池片、 TPT 之间的间隙，同时排出中间的气泡。这样，玻璃、电池片、 TPT 就通过 EVA 紧紧的黏合在一起。层压好后需要开盖将电池取出，前两个过程下室处于真空状态，大气压作用下，上盖受向下的压力。开盖时，先是下室充气，上室抽空，使放电池组件的下腔气压与大气压平衡， 再利用设置在上盖的两开盖支臂将上盖打开。 将太阳电池取出后，可以进行下一块电池组件的封装。层压机使用过程中注意事项：7.1、层压机合盖时压力巨大，切记下腔边框不得放异物，以防意外伤害或设备损坏。7.2、开盖前必须检查下室充气是否完成，否则不能开盖，以免损坏设备。7.3、 控制台上有紧急按钮，紧急情况下，整机断电；故障排除后，将紧急按钮复位。7.4、层压机若长时间未使用，开机后应空机运转几个循环，以便将吸附在腔体内的残余气体及水蒸气抽尽，以保证层压质量。组件工艺简介：一、电池测试：由于电池片制作条件的随机性，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。二、 正面焊接：是将汇流带焊接到电池正面（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带， 我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。 焊接用的热源为一个红外灯 （利用红外线的热效应） 。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。三、 背面串接： 背面焊接是将 36 片电池串接在一起形成一个组件串，我们目前采用的工艺是手动的， 电池的定位主要靠一个膜具板， 上面有 36 个放置电池片的凹槽，槽的大小和电池的大小相对应，槽的位置已经设计好， 不同规格的组件使用不同的模板， 操作者使用电烙铁和焊锡丝将 “ 前面电池 ” 的正面电极（负极）焊接到 “ 后面电池 ” 的背面电极（正极）上，这样依次将 36 片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。四、层压敷设：背面串接好且经过检验合格后，将组件串、玻璃和切割好的 EVA 、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好，准备层压。玻璃事先涂一层试剂 （ primer） 以增加玻璃和 EVA 的粘接强度。 敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置， 调整好电池间的距离， 为层压打好基础。 （敷设层次：由下向上：玻璃、 EVA、电池、 EVA、玻璃纤维、背板） 。五、组件层压：将敷设好的电池放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出， 然后加热使 EVA 熔化将电池、 玻璃和背板粘接在一起；最后冷却取出组件。 层压工艺是组件生产的关键一步， 层压温度层压时间根据 EVA 的性质决定。我们使用快速固化 EVA 时，层压循环时间约为 25 分钟。固化温度为 150℃。六、修边：层压时 EVA 熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应将其切除。七、 装框：类似与给玻璃装一个镜框；给玻璃组件装铝框，增加组件的强度，进一步的密封电池组件，延长电池的使用寿命。边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂填充。各边框间用角键连接。八、焊接接线盒：在组件背面引线处焊接一个盒子，以利于电池与其他设备或电池间的连接。九、 高压测试： 高压测试是指在组件边框和电极引线间施加一定的电压， 测试组件的耐压性和绝缘强度， 以保证组件在恶劣的自然条件 （雷击等）下不被损坏。十、组件测试：测试的目的是对电池的输出功率进行标定，测试其输出特性，确定组件的质量等级。