2.1　太陽能電池組件

2.1.1　太陽能電池組件分類［1］

太陽能電池組件的分類依據有以下幾種：按照太陽能電池的材料劃分、按照封裝類型劃分、按照透光度劃分、按照和建筑物結合的方式劃分，如圖2-1。

2.1.2　太陽能電池組件結構

單體電池的電壓在一般在0.6V左右，功率大概4.5W，難以滿足應用要求，通常的做法是把多片單體電池以串聯或并聯的方式封裝成組件，以特定的電壓和功率輸出。如上節所說，可以根據應用需求封裝成不同類型的組件，晶硅電池用晶體硅片制作，硅片很薄、很脆，因此晶硅電池組件一般采用剛性封裝，結構如圖2-2所示。薄膜光伏電池根據襯底類型的不同，用柔性襯底時可采用柔性封裝，如圖2-3，采用玻璃或鐵板等剛性襯底時可做剛性封裝，其結構與晶硅電池組件類似。對于有透光性要求的組件，則可以采用雙玻封裝，即上下蓋板都選用超白玻璃，如圖2-4所示。

2.1.3　太陽能電池組件封裝材料

組件的壽命主要受封裝材料的壽命、封裝工藝和使用環境的影響，其中封裝材料的壽命是決定光伏組件壽命的重要因素之一。光伏組件結構通常為蓋板、黏結劑、電池片、背板、邊框和接線盒。

（1）上蓋板。上蓋板覆蓋在光伏電池組件的上表面，是電池組件的防護層，因此上蓋板要同時具備堅固耐用、化學性能穩定和透光率高等特點，既能避免風沙刻蝕和外力沖擊造成的組件損壞，又能避免化學腐蝕等環境因素造成的性能衰退，還能把因吸收、反射等造成的光能損耗降低到最小。

可以作為上蓋板的材料有鋼化玻璃、聚丙烯酸類樹脂、氟化乙烯丙烯、透明聚酯、聚碳酸酯等。其中，低鐵鋼化玻璃具有良好的力學性能和化學穩定性，對可見光的透過率可達90%以上，是目前應用最為普遍的上蓋板材料。

（2）黏結劑。在進行太陽能電池封裝時，為達到隔離大氣的目的，通常采用黏結劑把太陽能電池片密封固定在上下蓋板中間，然后通過熱壓黏合為一體。該方法簡單易行，適合工業化生產，是太陽能電池公司目前普遍采用的電池封裝方法。

（3）背板。晶硅電池組件的背板通常為白色，以利于電池片之間空隙處的光反射到前表面，有部分光會再反射到太陽能電池，增加了太陽能電池對光能的利用，有利于光電轉換效率的提高。

對光伏電池組件的背板的性能要求通常包括：

①具有良好的耐氣候性能；

②層壓溫度下不起任何變化；

③與粘接材料結合牢固；

④較低的水汽透過率；

⑤一定的電學耐絕緣性能。

目前，光伏電池組件的背板材料通常為鋼化玻璃、鋁合金、有機玻璃、TPT等，其中，TPT復合膜是目前應用較多的背板材料。

（4）邊框。平板組件必須有邊框，以保護組件和方便組件的連接固定。邊框的主要材料有不銹鋼、鋁合金、橡膠、增強塑料等。通常用硅膠作為封邊黏結劑增強邊框與組件之間的黏結強度，同時對組件的邊緣進行密封。對黏結劑的要求包括密封性好和抗紫外線輻照、老化能力強。

（5）接線盒。組件的正負極在接線盒內與設計好的電纜相連接，接線盒對接線起到保護作用。有時也會將旁路二極管接入接線盒的線路內。旁路二極管的作用是在電池發生損壞或故障，而變為電阻時，電流自動從旁路二極管通過，避免電流經過損壞的電池而大量發熱。一般每串聯的十片電池需要并聯一個旁路二極管。接線固定好后，接線盒內應用防水膠填充滿，以防止水汽侵入。

2.1.4　太陽能電池組件封裝工藝

組件線又叫封裝線，封裝是太陽能電池生產中的關鍵步驟，電池的封裝不僅可以使電池的壽命得到保證，而且還增強了電池的抗擊強度。

流程圖：電池檢測（分片）——正面焊接——檢驗——背面串接——檢驗——敷設（玻璃清洗、材料切割、玻璃預處理、敷設）——層壓——去毛邊（去邊、清洗）——裝邊框（涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠）——焊接接線盒——高壓測試——組件測試——外觀檢驗——包裝入庫。

（1）電池檢測。由于電池片制作條件的隨機性，生產出來的電池性能不盡相同，所以為了有效地將性能一致或相近的電池組合在一起，應根據其性能參數進行分類。電池測試即通過測試電池的輸出參數（電流和電壓）的大小對其進行分類，減小組件中電池片的失配，以提高電池的利用率。

（2）正面焊接。是將匯流帶焊接到電池正面（負極）的主柵線上，匯流帶為鍍錫的銅帶，我們使用的焊接機可以將焊帶以多點的形式點焊在主柵線上。焊接用的熱源為一個紅外燈（利用紅外線的熱效應）。焊帶的長度約為電池邊長的2倍。多出的焊帶在背面焊接時與后面的電池片的背面電極相連。

（3）背面串接。背面焊接是將60片電池串接在一起形成一個組件串。將“前面電池”的正面電極（負極）焊接到“后面電池”的背面電極（正極）上，這樣依次將60片串接在一起并在組件串的正負極焊接出引線。

（4）層壓敷設。背面串接好且經過檢驗合格后，將組件串、玻璃和切割好的EVA、玻璃纖維、背板按照一定的層次敷設好，準備層壓。玻璃事先涂一層試劑（primer）以增加玻璃和EVA的粘接強度。敷設時保證電池串與玻璃等材料的相對位置，調整好電池間的距離，為層壓打好基礎（敷設層次：由下向上：玻璃、EVA、電池、EVA、玻璃纖維、背板）。　

（5）組件層壓。將敷設好的電池放入層壓機內，通過抽真空將組件內的空氣抽出，然后加熱使EVA熔化，將電池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷卻取出組件。層壓工藝是組件生產的關鍵一步，層壓溫度、層壓時間根據EVA的性質決定。

（6）修邊。層壓時EVA熔化后，由于壓力而向外延伸固化形成毛邊，所以層壓完畢后應將其切除。

（7）裝框。給玻璃組件裝鋁框，增加組件的強度，進一步的密封電池組件，延長電池的使用壽命。邊框和玻璃組件的縫隙用硅酮樹脂填充。各邊框間用角鍵連接。

（8）焊接接線盒。在組件背面引線處焊接一個盒子，以利于電池與其他設備或電池間的連接。

（9）高壓測試。高壓測試是指在組件邊框和電極引線間施加一定的電壓，測試組件的耐壓性和絕緣強度，以保證組件在惡劣的自然條件（雷擊等）下不被損壞。

（10）組件測試。測試的目的是對電池的輸出功率進行標定，測試其輸出特性，確定組件的質量等級。

（11）組件檢測

①外表面清潔干凈。

②無破碎、裂紋、針孔的單體電池。

③電池片崩邊。崩邊沿電池片厚度方向，深度不大于電池片厚度的1/2，面積不大于2mm2的崩邊，每片電池片不多于兩處。

④電池片缺角。每片電池片，深度小于1.5mm，長度小于5mm的缺角不得超過一處；深度小于1mm，長度小于3mm的缺角不得超過兩處。

⑤每塊組件③+④兩項缺陷的總和不超過兩片。

⑥組件電池片主柵與細柵線連處允許≤1mm的斷點，細柵線允許≤2mm的脫落。斷點與柵線脫落的總數不大于柵線總條數的1/5。

⑦匯流條與焊帶連接處，焊帶超出匯流條、匯流條超出焊帶1mm以下。

⑧電池片或焊帶的間距離、電池片之間、電池片與匯流條之間、匯流條之間的距離要在0.3mm以上。

⑨電池片橫排錯位≤2mm；縱列間隙兩端相差≤2mm；組件整體位移時兩邊電池片與玻璃邊緣距離之差≤3mm。

⑩焊帶與柵線之間不能有脫焊。

2.1.5　太陽能電池組件的輸出特性［2］

太陽能電池組件把接收的光能轉換成電能，其輸出電流-電壓的特性如圖2-5所示。這個特性也稱為I-V曲線。在圖中標注的各點在標準狀態下具有以下含義。

最大輸出功率（Pm）：最大輸出工作電壓（VPm）×最大輸出工作電流（IPm）；

開路電壓（VOC）：正負極間為開路狀態時的電壓；

短路電流（ISC）：正負極間為短路狀態時流過的電流；

最大輸出工作電壓（VPm）：輸出功率最大時的工作電壓；

最大輸出工作電流（IPm）：輸出最大功率時的工作電流。

圖中的最佳工作點是得到最大輸出功率時的工作點，此時的最大輸出功率Pm是Im和Vm乘積。在實際的太陽能電池工作中，工作點與負載條件和輻射條件有關，所以工作點偏離最佳工作點。

由于光伏電池、組件的輸出功率取決于太陽光照強度、太陽能光譜的分布和光伏電池的溫度、陰影、晶體結構。因此光伏電池、組件的測量在標準條件下（STC）進行，測量條件被歐洲委員會定義為101號標準，其條件是：光譜輻照度為1000W/m2；光譜AM1.5；電池溫度25℃。

這里AM是Air Mass（氣團）的縮寫。它表示太陽光線射入地面所通過的大氣量，也是假設正上方（太陽光線垂直）的日照射為AM=1時，用其倍率表示的參數。如AM 1.5是光的通過距離為1.5倍，相當于太陽光線與地面夾角為42°。如果AM變大，像早晨和傍晚那樣短波長的光被大氣吸收，則紅光變多；如果AM變小，則藍光增多。太陽能電池因其種類、構成的材料和制造方法不同，對光的波長靈敏度不同，所以必須測光譜分量（光譜分布）。

在該條件下，太陽能光伏、電池組件所輸出的最大功率被稱為峰值功率，其單位表示為瓦（W）。在很多情況下，太陽能電池的光照、溫度都是不斷變化的，所以組件的峰值功率通常用模擬儀測定并和國際認證機構的標準化的光伏電池進行比較。

（1）輻照度對光伏組件輸出特性的影響。光伏組件的光電流與光照強度成正比，在光強由100～1000W/m2范圍內，光電流始終隨光強的增長而線性增長；而光照強度對電壓的影響很小，在溫度固定的條件下，當光照強度在400～1000W/m2范圍內變化，光伏電池、組件的開路電壓基本保持不變如圖2-6。所以，光伏電池的功率與光強也基本保持成正比。

（2）溫度對光伏組件輸出特性的影響。光伏組件溫度較高時，工作效率下降。隨著光伏電池溫度的升高，開路電壓減小，在20～100℃范圍，大約每升高1℃，光伏電池的電壓減小2mV；而光電流隨溫度的升高略有上升，大約每升高1℃電池的光電流增加千分之一。總的來說，溫度每升高1℃，功率減少0.35%。這就是溫度系數的基本概念，不同的光伏電池，溫度系數也不一樣，所以溫度系數是光伏電池性能的評判標準之一。

另外，由于季節和溫度的變化，輸出功率也在變化。如果輻射照度相同，冬季比夏季輸出功率大。輻射特性和溫度特性如圖2-6和圖2-7所示。由圖可見，組件溫度不變、輻射照度變化的場合，短路電流（Lsc-）與輻射照度成正比，與之伴隨的最大輸出功率（Pm）與輻射照度大致成正比。當輻射照度不變、組件溫度上升時，開路電壓（Voc）和最大輸出功率（Pm）也下降。

（3）陰影對光伏組件輸出特性的影響。陰影對光伏組件性能的影響不可低估，甚至光伏組件上的局部陰影也會引起輸出功率的明顯減少。所以要注意避免陰影的產生，及時清理組件表面，防止熱斑效應的產生。一個單電池被完全遮擋時，太陽電池組件輸出減少75%左右。雖然組件安裝了二極管來減少陰影的影響，但如果低估局部陰影的影響，建成的光伏系統性能和投資收效都將大大降低。