制备太阳能光伏组件的优化方案

一、硅材料的选取和制备

晶硅和非晶硅是制备太阳能电池的理想材料。硅材料对入射阳光有很强的吸收；硅是地球外壳第二位最丰富的元素。提炼硅的原料是SiO2，是我们所熟悉的沙子的主要成分。用二氧化硅作为原料，将其熔化并除去杂质就可制取粗级硅。

晶体硅太阳能电池需要高纯度的硅原料，一般要求纯度至少是99.99998%，也就是一千万个硅原子中最多允许2个杂质原子存在。

单晶硅的制备需要历经三个阶段。

（1）将沙子还原为冶金级硅。在目前工业提炼工艺中，一般采用SiO2的结晶态，即石英砂在电弧炉中用碳还原的方法冶炼，如图12-1所示。其反应方程为：

SiO2+2C→Si+2CO

将液态硅倒入铸模内进行凝固，用压碎机压成小块。所得到的硅为冶金级硅（MGSi）纯度为98%～99%，其中主要的杂质为铝和铁。可在液化硅中加入氧化气体发生反应，形成炉渣，从而去除杂质。生产的冶金级硅中，很少一部分用于半导体行业，用于太阳能电池的更少。

（2）将冶金级硅提纯为半导体级多晶硅。用于制备太阳能电池的硅，其纯度比冶金级更高。提取超纯硅的标准方法为西门子工艺，如图12-2所示。将冶金级硅转变为挥发性的化合物，采用分馏的方法将其冷凝、提纯，最后提取超纯多晶硅。

（3）将半导体级多晶硅转变为单晶硅片。制备太阳能电池用的单晶硅不仅纯度要高，而且要求晶体结构基本没有缺陷。单晶硅的材料性能较好，因为需要精确的制造过程，制造的周期长，造成成本高，是最为昂贵的硅材料。通常对多晶硅采用无坩埚区熔法（FZ）和有坩埚直拉法（CZ）制成单晶硅棒。区熔法制备的单晶不受坩埚污染，纯度较高，由于含氧量较低，区熔法制备的单晶机械强度较差。直拉法易于获得大直径的单晶，但纯度低于区熔法制备的单晶。由于含氧量高，直拉制备的单晶机械强度较好。本部分只介绍直拉法制备单晶硅。

石英坩埚是最重要的拉晶设备。在石英坩埚中加入半导体级多晶硅，高温后变成熔融态的硅溶液，同时加入微量掺杂剂（通常采用P型半导体，如硼（B）半导体），精确控制温度，利用籽晶能够从熔融态的硅中拉出圆柱形单晶硅锭（硅棒）。石英坩埚溶解反应：

图12-1　生产冶金级多晶硅原料的电弧炉

图12-2　西门子工艺生产多晶硅

SiO2→Si+2O

SiO易挥发，通入惰性气体氩气（Ar2）可以将其带走。石英坩埚的内部工作示意图，如图12-3所示。

制备太阳能电池仅需厚度大约为100μm左右就可以以吸收大部分合适波长的阳光。因此，还需要将单晶锭制造成尽可能薄的单晶硅片。主要通过内圆切割机或多线切割机来切片，传统的内圆切割适合小批量生产，多线切割因为其更高效、更小切割损失以及更高精度，已经称为硅片切割加工的主要方式。在切片过程中，损耗比较大，所以，切片是很重要的一个环节。切片要求：①切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小；②断面完整性好，能够消除拉丝、刀痕和微裂纹；③提高切割速度，实现自动化；④切割提高成品率，缩小刀（钢丝）切缝，降低原材料损耗。

图12-3　石英坩埚工作示意图

随着太阳能电池的应用从空间扩展到地面，电池生产成本成为推广应用的最大障碍。硅片质量直接影响成品电池的性能，它的价格在很大程度上决定了成品电池的成本。所以，质量和价格是必须要重点考虑的因素。

要想降低太阳电池的成本，就要降低硅材料成本。而硅材料成本的关键在于材料的制备工艺。为了突显出太阳能能源的竞争优势，一般要求晶体硅太阳电池的转换效率大于10%，实际上达到这一要求并不需要使用半导体级硅。目前，太阳电池级硅（SOG-Si）的使用是降低晶体硅太阳能电池的主要措施。我们了解到一些金属（例如Ta、Mo、Nb、Zr和W）只要很低的浓度就会降低电池的性能，而另一些杂质即便浓度超过1015/cm2仍不会影响电池的性能，此浓度比半导体级硅的杂质浓度大约高100倍左右，这样就可以选用成本较低的工艺来生产纯度稍低的太阳电池级硅，而仍能制造性能比较好的电池。为了进一步降低电池成本，人们还在研究单晶硅。如图12-4和图12-5所示。

根据不同用途，可以从以下几方面选用硅材料。

（1）导电类型：观察国内外生产的硅太阳电池发现，大部分采用P型硅材料，这是基于N+/P型电池在空间的应用及其传统的生产历史，还有更重要的一点，容易得到该材料。

（2）电阻率：由硅太阳电池的原理得知，在一定范围内，电池的开路电压随着硅基体电阻率的下降而增加，当材料电阻率较低时，开路电压较高，而路电流则略低，总的转换效率较高。所以，地面应用倾向于0.5～3.0Ωcm的材料。电阻率太低，反而使开路电压降低，并且导致填充因子下降。

图12-4　蹼状硅生产设备示意图

图12-5　柱形晶粒的多晶硅太阳电池

（3）晶向、位错、寿命：从单晶的晶向上看，太阳电池较多选用（111）和（100）晶向生长的单晶。在不要求太阳电池有很高转换效率时，对位错密度和电子寿命不作严格要求。

二、太阳能电池片的制备

以单晶硅太阳能电池片为例，介绍具体的制备工艺流程。单晶硅太阳能电池片制造工艺包括表面准备、扩散制结、等离子刻蚀、去磷硅玻璃、制备减反射膜、丝网印刷、烧结和检测分级等工序，如图12-6所示。下面分别叙述。

图12-6　晶体硅太阳能电池片制作工艺流程

1.单晶硅片的表面处理

第一道工序硅片的表面处理包括硅片的表面清洗、表面腐蚀和表面制绒。

（1）表面清洗。通常，单晶棒切割成正方形的硅片后，表面有油污、松香和金属离子等杂质，用超声波初步清洗去污，要进行表面腐蚀。

（2）表面腐蚀。因为机械切片后会在硅表面形成大约20～50μm厚的损伤层，腐蚀液有酸性和碱性两类。碱腐蚀的硅片表面虽然没有酸腐蚀光亮平整，但制成的电池性能完全相同，目前，观察国内外在硅太阳电池生产中的应用发现，碱腐蚀液由于成本较低，对环境污染较小，是较理想的硅表面腐蚀液，另外碱腐蚀还可以用于硅片的减薄技术，制造薄型硅太阳电池。硅可与氢氧化钠、氢氧化钾等碱的溶液起作用，生成硅酸盐并放出氢气，化学反应为：

Si+2NaOH+H2O＝Na2 SiO3+2H2↑

通常使用廉价的浓度约为1%的氢氧化钠稀溶液来腐蚀。图12-7为100℃以下不同浓度NaOH溶液对（100）晶向硅片的腐蚀速度。

（3）表面制绒。应用绒面硅片是太阳能电池重要发展的一个环节，绒面状的硅表面是利用硅在浓度稀的NaOH溶液中的各向异性腐蚀，每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也就是大约3-6微米金字塔结构，这样入射光在表面便会经过多次反射和折射，增加了光的吸收，形成了减反射的结构，降低了表面的反射率，提高了电池的短路电流和转换效率，故绒面电池也称为黑电池或无反射电池。

图12-7　硅片在不同浓度NaOH溶液中的腐蚀速率

硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，通常用氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。产业化的电池生产，通常使用廉价的浓度约1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度为80℃左右。为了获得均匀的绒面，还应在溶液中酌量添加醇类（如乙醇或异丙醇等）作为络合剂，以加快硅的腐蚀。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。

2.单晶硅片的扩散制结

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。石英管炉的剖面图如图12-8所示。

图12-8　石英管炉的剖面图

制结过程是在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散层，是电池制造过程中的最重要工序。制结方法有热扩散，离子注入，外延，激光及高频电注入法等。扩散是物质分子或原子运动引起的一种自然现象，热扩散制PN结法为用加热方法给V族杂质掺入P型或Ⅲ族杂质掺入N型硅。硅太阳电池中最常用的V族杂质元素为磷，Ⅲ族杂质元素为硼。

对扩散的要求是获得适合于太阳电池PN结需要的结深和扩散层方块电阻（薄层电阻），浅结死层小，太阳能电池短波响应好，而浅结容易引起串联电阻增加，只有提高栅电极的密度，才能有效提高电池的填充因子。这增加了工艺难度，结深太深，死层比较明显，如果扩散浓度太大，则引起重掺杂效应，使电池开路电压和短路电流均下降。在实际的制作过程中，综合考虑因素的结果是，太阳电池的结深一般控制在0.3～0.5μm，方块电阻均20～70Ω/□。

以磷扩散为例，主要采用涂布源、液态源或固态氮化磷片状源三种方法进行扩散，制成PN+结。通常磷扩散选用三氯氧磷液态源作为扩散源，是通过气体携带法将杂质带入扩散炉内实现扩散，其原理如图12-9所示。

以P型硅片实现三氯氧磷扩散为例，把P型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在850～900℃高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英舟，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。经过一段时间，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。用这种方法制备的PN结均匀性好，方块电阻的不均匀性小于10%，少子寿命可大于10ms。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。

图12-9　三氯氧磷扩散装置示意图

3.等离子刻蚀

等离子刻蚀也称为去边环节。在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，在硅片的周边表面也形成了扩散层。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，而造成电池的上下电极短路。因此，必须去除周边短路环。

去边的方法有腐蚀法，就是将硅片两面掩好。在硝酸、氢氟酸组成的腐蚀液中腐蚀半分钟左右。挤压法是用大小与硅片相同，略带弹性的耐酸橡胶或塑料，与硅片相间整齐隔开，施加一定压力后，阻止腐蚀液渗入缝隙取得掩蔽。

目前，商业化生产用等离子低温干法腐蚀，在辉光放电条件下通过氟和氧生产等离子体，交替对硅作用，进而去除含有扩散层的周边。

4.去磷硅玻璃

通常选用化学腐蚀或磨片法去除背面PN+结。化学腐蚀法去除背结应用比较早，该方法可以同时去除被背结和周边的扩散层。通过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合物六氟硅酸，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P2 O5淀积在硅片表面。P2 O5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。腐蚀后背面平整光亮，适于制作真空蒸镀的电极。前结的掩蔽常用涂黑胶的方法，黑胶是用真空封蜡或质量较好的沥青溶于甲苯、二甲苯或其他溶剂制成。硅片腐蚀去背结后用溶剂溶去真空封蜡，再经过浓硫酸或清洗液清洗。

5.制备减反射膜

光在硅表面的反射损失率高达35%左右，为了减少表面对光反射，提高电池的转换效率，需要沉积一层薄的减反射膜，降低载流子复合速度和增加光的吸收，还可以对电池表面起到钝化和保护作用。在商业化的生产中，通常采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）设备制备减反射膜。

PECVD是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，利用低温等离子体作能量源，在一定的温度下，等离子体发生反应，在样品表面形成固态薄膜即氮化硅减反射薄膜。此方法的优点是基本温度低；沉积速率快；成膜质量好，针孔较少，不易龟裂。通常，使用这种等离子体增强化学气相沉积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，可以适当提高电池的转换效率。

6.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，为了使产生的电流能够有效输出，提高电池转换效率，需要在电池表面上制作上下两个电极。习惯上把制作在电池光照面上的电极称为上电极，把制作在电池背面的电极称为下电极或背电极。先制作下电极，然后制作上电极。制造电极的方法很多，通常用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结（丝网印刷）等工艺。用真空蒸镀和化学镀镍方法制作电极比较传统，存在工艺成本较高，耗能大，适合于小批量生产，不适宜于自动化生产。为了降低生产成本和提高产量，厚膜集成电路的丝网印刷是目前制作太阳电池上下电极最普遍的一种生产工艺。

图12-10　涂覆了感光胶的丝网印版

丝网印刷是采用压印的方式将提前设置的图形印刷在基板上，通过烧结后形成欧姆接触，使电流有效输出。其工作原理为：利用丝网印版图文部分网孔透过浆料（即油墨），非图文部分不透过浆料。用刮印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文部分的网孔中挤压到基片上。由于浆料的黏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，从而将图文部分印制到基体上。图12-10为涂覆了感光胶的丝网印版。

为了克服扩散层的方块电阻并且保证光线有较高的透过率，上电极通常印成栅线状，设计的核心就是上电极金属栅线的设计。

对于下电极的要求是尽可能布满背面，对于丝网印刷，覆盖面积将影响到填充因子，目的是克服由于电池串联而引起的电阻。

7.烧结

烧结的目的是形成烧结合金、欧姆接触以及去除背结。当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，将有机化合物燃烧掉，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。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。烧结过程是高温扩散过程，是对硅掺杂的过程，需加热到铝硅共熔点以上。经过合金化以后，降低温度，液相中的硅将重新凝固出来，形成含有少量铝的结晶层，补偿了N层中的施主杂质，从而得到以铝为受主杂质的P层，达到了去除背结的目的。

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黏附于基片上。

8.检测分片

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，因此需要按规定参数规范，对硅片进行检测分类。该工序主要用来对硅片的一些技术参数进行在线测试，这些参数主要包括硅片表面不平整度、电阻率、少子寿命、P/N型和微裂纹等。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。

经过上述工艺制备好的太阳能电池必须满足的要求：尽可能高的转换效率；表面状况良好（颜色均匀，图案对称、完整、清晰）；损耗要低（硅片破损率低）；弯曲度小。

三、硅太阳能电池片

硅太阳能电池片包括单晶硅太阳能电池片、多晶硅薄膜太阳能电池片和非晶硅薄膜太阳能电池片。下面分别从结构、特点和发展趋势等方面来展开介绍每一种太阳能电池片。

1.单晶硅太阳能电池片

单晶硅太阳能电池片主要是使用单晶硅来制造，与其他种类的太阳能电池片相比，单晶硅电池片的转换效率最高，技术也最成熟。

（1）单晶硅太阳能电池片的结构。

单晶硅太阳能电池片的结构主要包括：正面梳状电极、减反射膜、N型层、PN结、P型层、背面电极等，如图12-11所示。

图12-11　单晶硅太阳能电池的结构示意图

（2）单晶硅太阳能电池片的特点。

与其他太阳能电池相比，单晶硅电池具有以下突出特点：

①单晶硅太阳能电池片的硅结晶体非常完美，其光学、电性能及力学性能都比较均匀一致，电池的颜色多为黑色或深色，非常适合切割成小片制作成小型的消费产品；

②单晶硅太阳能电池的转换效率高，技术最为成熟，可靠稳定性高；

③制造过程复杂，制造电池的能耗大，成本较高；

④采用直拉法制备的单晶硅棒呈圆柱状，切片制备太阳能电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率较低；

⑤对于大于0.7μm的红外光也有一定的灵敏度。与N型单晶硅为衬底的太阳能电池相比，以P型单晶硅为衬底，扩散n型杂质的太阳能电池，其光谱特性的峰值更偏向左边。它对从蓝到紫色的短波长的光有较高的灵敏度，但引起昂贵的成本，仅限于空间应用。

（3）单晶硅太阳能电池片的发展趋势。

单晶硅太阳能电池片的厚度一般为200μm-350μm厚，现在的生产趋势是向超薄及高效方向发展，德国太阳能电池片厂家已经证实40μm厚的单晶硅可达到20%的转换效率。转换效率可能由太阳能电池的基本物理决定的，也有可能与材料和工艺相关。从工艺上看，应从以下几方面来着手提高太阳能电池效率：

①选择长载流子寿命的高性能衬底硅晶体；

②太阳能电池芯片表面制造绒面或倒金字塔多坑表面结构。电池芯片背面制作背面镜，以降低表面反射和构成良好的隔光机制；

③合理设计发射结结构，以收集尽可能多的光生载流子；

④采用高性能表面钝化膜，以降低表面复合速率；

⑤采用深结结构，并在金属接触处加强钝化；

⑥合理的电极接触设计以达到低串联电阻等。

2.多晶硅薄膜太阳能电池片

在制作多晶硅薄膜太阳能电池片需要的多晶硅，采用定向凝固的方式铸造。作为原料的高纯硅不再提纯成单晶，而是熔化浇铸成正方形的多晶硅锭，然后再像加工单晶硅一样切成薄片再进行类似的加工。

多晶硅薄膜太阳能电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层作为太阳能电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性，而且材料的消耗量大量较少，明显地降低了电池成本。制备多晶硅薄膜太阳电池片的方法有多种，常用方法是化学气相沉积法，另外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积也可用来制备。(www.xing528.com)

（1）多晶硅薄膜太阳能电池片的发展现状。

从商品化化发展来看，目前太阳能电池发展的重心已由单晶向多晶方向发展，主要原因为：

①鉴于可供应太阳电池的头尾料越来越少；

②对太阳能电池而言，方形基片更经济，通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料；

③多晶硅的生产工艺不断发展，全自动浇铸炉每生产周期（大约50小时）可生产200公斤以上的硅锭，晶粒的尺寸甚至达到厘米级；

④近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，许多工艺被应用于生产多晶硅太阳能电池。例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极，采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到50μm，高度达到15μm以上。采用快速热退火技术生产多晶硅可大大缩短工艺时间，单片热工序时间可在一分钟之内完成，采用该工艺在100平方厘米的多晶硅片上制备的电池转换效率超过14%。据报道，目前在50～60μm多晶硅衬底上制作的电池效率超过16%。利用机械刻槽、丝网印刷工艺在100平方厘米多晶电池上效率超过17%，无机械刻槽在同样面积上效率达到16%，采用埋栅结构，机械刻槽在130平方厘米的多晶电池是效率达到15.8%。可以看出，随着制作工艺的不断发展，多晶硅电池的效率不断提高，成本也随之下降。

（2）多晶硅薄膜太阳能电池片的特点。

与其他太阳电池相比，多晶硅电池具有以下突出特点：

①制备所使用的硅要比单晶硅少，而且没有效率衰退问题，并且可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池。

②转换效率低于单晶硅电池，高于非晶硅薄膜电池。

③制备工艺复杂，使其供应受到限制。

③由于晶界的存在，多晶硅材料质量比单晶硅差，导致电池转换效率较低，光、电及力学性能也略低于单晶硅太阳能电池。

多晶硅从其表面很容易进行辨认，硅片是由大量不同大小的结晶区域组成（表面有晶体结晶状），在其晶粒界面处光电转换易受到干扰，因而多晶硅的转换效率相对较低。在实验室最高效率达到20%左右，目前商业化的最高达到15%以上，多晶硅太阳能电池是正方形片，在制作太阳能组件时有最高的填充率，产品相对也比较美观。

④多晶硅太阳能电池的使用寿命比单晶硅太阳能电池短。

（3）多晶硅薄膜太阳能电池片的发展趋势。

主要从以下三方面考虑：

①薄硅片。由于硅材料紧缺，薄硅片是太阳能技术发展的趋势，而且从降低电池成本和提高效率来看，薄硅片同样具有明显优势。

②大硅片。由于大尺寸的硅片生产在生产过程中可以减少硅料的损耗，而设备相同产能更高，并且单块硅片产生的电能更多，所以最近几年硅片生产一直在向大硅片生产的方向发展。

③尽可能降低多晶硅薄膜的制备温度，以便选用低价优质的衬底材料；并且思考如何在廉价的衬底上，能够高速、高质量生长多晶硅薄膜。

3.非晶硅薄膜太阳能电池片

非晶硅太阳电池片是20世纪70年代中期发展起来的一种新型薄膜太阳电池。与单晶硅和多晶硅太阳能电池片的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗很低，有明显的优势。制造非晶硅太阳电池片的方法有多种，主要方法是辉光放电法（GD），还有等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、反应溅射法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等。

（1）非晶硅薄膜太阳能电池片的结构。

非晶硅薄膜太阳电池所采用的硅为不定型硅（简称为a-si），结构有所不同。基本结构不是PN结，不是PIN结构。它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅，再沉积一层未掺杂或轻掺杂的I层，然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。此种制作工艺，可以采用一连串沉积室，在生产中构成连续程序，以实现大批量生产。同时，非晶硅太阳电池很薄，可以制成叠层式，或采用制造集成电路的方法，在一个平面上用适当的掩膜工艺，一次制作多个串联电池用以获得较高的电压。因为普通晶体硅太阳电池单个只有0.5伏左右的电压，现在日本生产的非晶硅串联太阳电池可达2.4伏。

非晶硅太阳电池是以玻璃，锈钢及特种塑料为衬底的薄膜太阳电池，结构如图12-12所示。为减少串联电阻，通常将TCO薄膜（透明导电氧化物薄膜，如简单的ITO薄膜，后来发展的复杂实用的SnO2薄膜），非晶硅（a-Si）膜和铝（Al）电极膜分别用激光切割成条状。标准条宽按国际标准约1cm，称为一个子电池，用内部连接的方式将各子电池串联起来，因此集成型电池的输出电流为每个子电池的电流，总输出电压为各个子电池的串联电压。在实际应用中，可根据电流、电压的需要选择电池的结构和面积，制成非晶硅太阳电池。

图12-12　非晶硅太阳电池的结构

（2）非晶硅薄膜太阳能电池片的特点。

与其他太阳电池相比，非晶硅电池具有以下突出特点：

①制作工艺简单，成本低。在制备非晶硅薄膜的同时就能制作PIN结构；制作工艺为低温工艺（100～300℃），生产的耗电量小，而且相对于能源回收期为5～7年的多晶硅，非晶硅薄膜回收期只需要1.5～2年，更能降低生产成本和减少污染。

②原材料廉价。薄膜材料是用硅烷SiH4等的辉光放电分解得到的；因为不像晶体硅所要求的周期性原子排列，非晶硅几乎可以淀积在任何衬底上。非晶硅太阳电池的衬底材料可以是玻璃、不锈钢等，因而成本小。

③品种多，用途广，薄膜的a-Si太阳能电池易于实现集成化。器件功率、输出电流、输出电压都可自由设计制造，可以较方便地制作出适合不同场合需求的多品种产品。由于非晶硅具有较高的光吸收系数，适合做低功耗电源。由于a-Si薄膜的硅网结构力学性能结实，适合在柔性的衬底上制作轻型的太阳电池，制造方法灵活多样。

④便于大规模批量生产。因为核心工艺适合制作特大面积无结构缺陷的无定型硅（简称为a-Si）合金薄膜；只需改变气相成分或者气体流量便可实现PIN结以及相应的叠层结构；生产可全程自动化。

⑤高温性能好。当晶体硅太阳能电池工作温度高于标准测试温度25℃时，其最佳输出功率会有所下降；非晶硅太阳能电池受温度的影响要比晶体硅太阳能电池小得多。

⑥弱光响应好，充电效率高。非晶硅材料的吸收系数在整个可见光范围内，在实际使用中对低光和弱光有较好的适应。

⑦转换效率低。与晶体硅相比，非晶硅薄膜太阳电池的效率相对较低，实验室的转换效率只有13%，而且不够稳定，常存在转换效率在太阳光的长期照射下有一定的衰减。

（3）非晶硅薄膜太阳能电池片的应用及发展趋势。

鉴于效率低且不稳定，目前还没有大量用于大型太阳能电源，非晶硅太阳电池的应用市场有两个方面：一个是弱光电池市场，如袖珍式电子计算器，电子钟表及复印等等弱光下工作的微功耗电子产品；二是小型电源及功率应用领域。如太阳能收音机，太阳帽，庭园灯，微波中继站，航空航海信号灯，气象监测及光伏水泵，户用电源等。

非晶硅电池稳定性问题和效率的不断提高决定着非晶硅太阳电池更大范围和更大规模的应用，从技术上看，发展方向为：

①加强a-Si基础材料亚稳特性及其克服办法的研究，达到基本上消除非晶硅硅太阳电池性能的光致衰退问题。

②加强晶化薄膜硅材料制备技术探索和研究，使未来的薄膜硅太阳电池产品既具备a-Si薄膜太阳电池低成本的优势，又具备晶体硅太阳电池寿命长、效率高和稳定性高的优势。

③加强带有a-Si合金薄膜成分或者具有a-Si廉价特色的混合叠层电池的研究，把a-Si太阳电池的优点与其他太阳电池的优点结合起来。

④选择最佳的新技术途径，抓住市场时机进行商业化技术开发。

四、太阳能电池组件

单个太阳能电池的厚度非常薄，其本身容易破碎且容易被腐蚀，直接暴露在大气中，其转换效率容易受外界环境的影响而下降，甚至失效；另外，晶体硅太阳能电池单片的工作电压较低，一般为0.5V左右，输出电流通常也不能满足要求；单个太阳能电池也不能直接做电源使用。在实际应用中，需要将单体太阳能电池串、并联，再加以封装，外连电线，就可以制备出太阳能电池组件（Solar Module或PV Module，也称光伏组件），可以单独作为光伏电源使用的最小单元。

当需要更高电压和电流时，单个太阳能电池组件不能够满足要求，可以把多个组件串并联并装在支架上，组成太阳能电池方阵，用以获得所需的电压和电流。

太阳能电池组件是太阳能光伏发电系统中的最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或者送往蓄电池中存储起来，或者推动负载工作。太阳能电池组件的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。

对太阳电池组件要求为：有一定的标称工作电流和输出功率；有足够的机械强度，能经受在运输、安装和使用过程中发生的振动及其他应力等外力影响；但单个电池片组合后引起的电性能损失尽可能的小；工作寿命长，要求组件能正常工作20年以上，因此要求组件所使用的材料、零部件及结构的使用寿命上相同，避免因个别损坏而使整个组件失效；成本低。

1.太阳能电池组件的组成

太阳能电池组件主要由高效晶体硅太阳能电池片、钢化玻璃、EVA、透明TPT背板以及铝合金边框等组成。太阳能电池组件的结构示意图如图12-13所示。具有使用寿命长，机械抗压外力强、安装方便等特点。

图12-13　太阳电池组件结构示意图

太阳能电池片是光电转换的最小单元，尺寸一般为125cm*125cm或156cm*156cm不等。太阳能电池片也被称为太阳能电池单体（光伏单元），工作电压约为0.45-0.5V，工作电流约为20-25mA/cm2，通常不能单独作为电源使用。

钢化玻璃主要作用是保护太阳能电池片，通常厚度在3.2毫米左右，要求透光率必须高，一般90%以上，而且作超白钢化处理。

EVA作用是用来黏结固定钢化玻璃和太阳能电池片，通常厚度在0.4-0.6毫米之间。EVA材质的优劣直接影响到太阳能组件的寿命，要求表面平整，厚度均匀，内含交联透明剂。

背板就是电池板背面的保护材料，一般有TPT、TPE等。这些保护材料具有良好的抗环境侵蚀能力，绝缘能力并且可以和EVA良好粘接。太阳能电池组件的背面覆盖物-氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对电池板的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可以降低电池板的工作温度，也有利于提高电池板的效率。

铝合金边框采用硬制铝合金制成，起保护组件作用，要求表面氧化层厚度大于10微米，可以保证在室外环境长达25年以上的使用，不会被腐蚀，牢固耐用。

2.太阳能电池组件的分类

太阳能电池组件的种类很多，根据太阳能电池片的类型不同可分为晶体硅太阳能电池组件、非晶硅薄膜太阳能电池组件（如图12-14所示）及砷化镓太阳能电池组件（如图12-15所示）等。

晶体硅太阳能电池组件包括单晶硅太阳能电池组件和多晶硅薄膜太阳能电池组件。如图12-16所示为54片的单晶硅太阳能电池组件，如图12-17所示为54片的多晶硅太阳能电池组件。

由于用晶体硅太阳能电池片制作的电池组件应用占到市场份额的85%以上，在此就主要介绍用晶体硅太阳能电池片制作的电池组件。

图12-14　非晶硅太阳能电池组件

图12-15　砷化镓太阳能电池组件

图12-16　单晶硅太阳能电池组件

图12-17　多晶硅太阳能电池组件

3.太阳能电池组件的封装工艺流程

封装是太阳能电池组件生产中的关键步骤，组件的封装不仅可以保证电池的高效和寿命，而且可以增强电池的抗击强度。产品的高质量和高寿命是赢得客户满意度的关键。

太阳能电池组件的封装工艺流程：电池片测试；单片焊接；串焊；叠层（包括玻璃清洗、材料切割、玻璃预处理、敷设）；层压；修边；装框（包括涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶）；焊接接线盒；组件测试；高压测试；成品检验；包装入库。太阳能组件的封装结构图如图12-18所示。

图12-18　太阳能组件的封装结构图

（1）电池片检测：鉴于太阳能电池片都是随机制作出来的，其性能不可能完全相同，将功率相同或相近的电池片组合在一起，低功率的电池片筛选出来，并将电池片根据功率进行详细的分类，保证组件的功率得到最优化的实现，做出质量合格的电池组件。

（2）单片焊接：采用无铅焊锡，将镀锡带焊接到电池片的正面的主栅线上，汇流条和互连条即镀锡铜的合金带，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。如图12-19所示。

图12-19　单面焊接示意图

（3）串焊：用焊带结合辅助材料，将合格的若干电池片串接在一起形成一个组件串，电池的定位主要靠一个膜具板，操作者使用电烙铁和焊锡丝将单片焊接好的电池的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上，这样依次将若干个电池片串接在一起组成一个带有正负极引出线的电池串。

（4）叠层：背面串接好且经过检验合格后，将电池串、玻璃和切割好的EVA、玻璃纤维和背板按照一定的层次铺设好，准备层压。玻璃事先涂一层试剂，以增加玻璃和EVA的粘接强度。铺设时要确定电池串与玻璃等材料的相对位置符合要求，调整好电池间的距离。叠层后为保证层压组件的质量，使用中测台对层间组件进行电性能参数的检测。（注意：铺设层次是从下往上的，分别是玻璃、EVA、电池、EVA、玻璃纤维、背板）。

（5）层压：将铺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熔化从而将电池、玻璃和背板粘接在一起，组成密封组件，最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键步骤，层压温度层压时间根据EVA的性质决定。

（6）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。

（7）装框：像给玻璃装一个镜框；给玻璃组件装入注硅胶的铝边框，从而增加组件的强度，进一步密封电池组件，保证电池的使用寿命。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。

（8）焊接接线盒：在组件背面黏结并在引线处焊接一个盒子，以利于电池组件与其他设备或电池组件间的连接。要求，在焊接引出线时要求焊接牢固可靠。

（9）组件测试：对电池组件的输出功率进行检测，测试其输出特性，确定组件的质量等级。

（10）高压测试：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性，进而确保组件经受住恶劣的自然条件的考验。

（11）成品检验：为确保组件产品质量达标，使组件的最终检验操作过程规范化，对组件成品进行全面检验：型号、类别、外观、各种电性能的参数的确认，以及判定和区分和组件优劣等级。

（12）包装入库：对产品信息的记录和归纳，便于调用数据。

4.太阳能电池组件的封装方式

太阳能电池组件的封装通常有三种方式：环氧树脂胶封太阳能电池组件、有机硅胶封太阳能电池组件、钢化玻璃层压封装太阳能电池组件。

（1）环氧树脂胶封太阳能电池组件。

环氧树脂封装太阳能电池组件工艺简单、材料成本低，在小型组件的封装上使用较多，例如一些消费类产品以及小型灯具上面使用。但环氧树脂耐高温性、抗紫外线老化的性能相对较差。而且树脂容易发黄，使用时间一般为一年半至两年左右。通常3W以下功率的太阳能板才会使用这种封装。

（2）有机硅胶封太阳能电池组件。

有机硅胶封太阳能电池组件使用的封装材料——有机硅胶，由于其独特结构，具有耐高低温、电气绝缘、耐紫外线、耐氧化稳定性等优异特性。有机硅胶是弹性机，在外力作用下具有变形能力，硅片在经受热胀冷缩时不易损坏，但是耐冲击能力差。在封装时，表层需用钢化玻璃覆盖来进行保护。其封装流程与环氧树脂类似，使用此封装的太阳能板使用时间可达到8年左右。

（3）钢化玻璃层压封装太阳能电池组件。

此封装使用的材料主要有：钢化玻璃（经过超白处理）、抗紫外线EVA、耐腐蚀的TPT。此封装制作太阳能板一般使用寿命可达15年以后，有的甚至达到25年。层压太阳能板使用了铝合金边框，可以方便地进行组合、增容等，大功率的太阳能电池组件一般都使用此方式进行封装，例如一般在大型的户用电源及发电站使用。

5.如何保证太阳能电池组件的高效和寿命

（1）采用高转换效率、高质量的电池片，电池片连接可靠。

（2）使用高质量的原材料和辅料原料，例如：高的交联度的EVA、高黏结强度的封装剂、高透光率高强度的钢化玻璃等。

（3）采用优良的制备工艺和封装工艺。

能够提供足够的机械强度，使太阳能电池组件能经受住在运输、安装和使用过程中发生的冲击、震动等产生的机械应力，能够经受住恶劣气候环境的考验。

（4）使用者安全操作，避免人为损坏。