1、 硕士学位论文 太阳电池组件封装材料、工艺及其应用研究 摘 要 太阳能的有效利用是解决环境和能源问题的主要途径之一。其中太阳能光伏利用是发展最快最具活力的研究领域。太阳能光伏利用的核心部分是太阳电池与组件。本文前部分对太阳电池发电的基本原理、制造工艺，以及太阳组件的封装与光伏发电系统的组成等作了简要介绍，并概述了国内国际的太阳能光伏发展情况。随后本文从“双面玻璃太阳电池组件封装”、“太阳电池用 EVA 胶膜制造与老化性能测试”、“ 便携式太阳能光伏系统的设计与性能分析”几个方向进一步讨论了太阳电池组件封装材料、工艺及应用等方面的研究工作。 双面玻璃太阳电池组件有着美观、透光的优点，应用非常广泛
2、，如：太阳能智能窗，太阳能凉亭和光伏建筑顶棚，以及光伏玻璃幕墙等等。随着国内外光伏建筑一体化的推广，其商业市场将进一步扩大，但目前由于双面玻璃组件封装工艺的技术瓶颈，市场价格相对较高，因此寻求一种优异的封装方法与工艺迫在眉睫。与普通组件结构相比，双面玻璃组件利用玻璃代替 TPE（或 TPT）作为组件背板材料。 TPE 为柔性材料，玻璃是硬度高的刚性材料， 双面玻璃层压封装过程中由于两层刚性玻璃的挤压，很容易出现气泡、移位、太阳电池裂片、玻璃碎裂等现象。本文第三章论述了实验过程不同封装工艺与封装材料对组件封装效果影响的情况，通过对材料性能的测试、层压设备与工艺原理分析，找出组件产生诸如气泡等问题
3、原因，最后根据实验现象与结果提出了此类问题的解决方案与建议。 太阳电池封装材料易老化、变黄等，是大幅度降低太阳组件效率的重要原因之一。本文第四章以含 33 VA 的 EVA 为聚合物基体，通过熔融共混法添加各种助剂，得到改性 EVA；再通过热压而制得多种 EVA 胶膜。测定和分析了各 个样品在 1000 小时紫外老化（置于紫外老化仪）过程中的透光率、黄度指数的变化，以及用这些 EVA 膜封装的太阳电池组紫外老化后的电性能变化。最后根据实验结果筛选出适合太阳电池封 装用 EVA 胶膜样品。 当前，人们随身携带的电器越来越多，这些产品的电力主要靠化学电池提供。由于价格高，使用不方便，非常有必要寻找
4、一种小能源系统作为电池的代替品。另一方面，新能源中，太阳能光伏发展迅速，应用日益广泛。本文第五部分对便携式集成光伏系统的设计与选材，性能测试以及经济性进行了研究与探讨 .通过多方面的分析比较，我们能够发现集成光伏 小系统应用于便携电器，在一定条件下是一个不错的选择。 关键词 ： 太阳能； 太阳组件； 光伏； EVA；封装材料；层压；双面玻璃 ；便携电源；光伏系统Abstract Abstract It is one of the most significant approaches to settle environment and energy problems to apply sola
5、r energy effectively. And photovoltaic application is developing rapidly. Solar cells and modules are the important device of photovoltaic application. Firstly, this paper summarized the theory of photovoltaic, process of manufacture, encapsulation of solar modules, constitutes of PV system, as well
6、 as trend of solar PV. Subsequently the material, technique and application of solar modules encapsulating, are discussed in this paper from three aspect: technique of glass-glass solar modules encapsulating, preparation and properties of EVA film used in solar cell and study on portable PV system.
7、With advantage of beautiful show and translucence, glass-glass solar modules can be applied widely in many places such as roof, window, and wall of building. The market of glass-glass solar modules will increase rapidly with developing of BIPV(building integrated photovoltaic). At present, glass-gla
8、ss solar modules are expensive because of lacking technique of encapsulation. Obviously, it is necessary now to adopt an appropriate technique for encapsulating this kind of solar modules. Since TPT(or TPE) replaced by glass, problem as that air bubble, solar cell shift and glass smash often occur.
9、In the third chapter of this paper, influence that encapsulant and technics affect encapsulation of solar modules is dissertated. The paper advices how to solve the problem mentioned above by analyzing experimental result of encapsulation. Efficiency of solar modules will drop obviously because enca
10、psulation materials used in solar cell get yellow. In order to solve the problem, EVA containing 33 % VA was mixed with various additives through extrusion, then, the modified EVA samples were molded into several kinds of EVA films. They were aged in UV2000 apparatus for 1000 hours. The changes in t
11、ransmittance, yellow index (YI) and modules performance of each EVA film during its aging, were measured and analyzed. The EVA film sample that meets the basic property requirements of a solar cell is selected according experimental result. Currently, the portable products, which consume electricity
12、 supplied by chemical batteries, are increasing. Because of high costs and inconvenient use, it would be useful to find alternative ways to supply energy to products. The fifth chapter of this paper expounded the research works about how to design portable PV systems and select material for them. Fu
13、rthermore, the paper discussed performance and the value of portable PV system. Considering several facts, we can found that the application of PV in portable products might be a sensible option under certain circumstances. Keywords: solar energy; solar modules; photovoltaic; glass to glass; EVA; la
14、mination; encapsulation materials; portable power supply; PV system目 录 目 录 摘 要 . II Abstract . III 第一章 绪论 . 1 1.1 光伏发电基本原理 . 1 1.1.1 太阳电池原理 . 1 1.1.2 太阳电池生产工艺流程 . 2 1.1.3 光伏发电系统的构成 . 5 1.2 光伏产业发展 形势 . 6 1.2.1 国际市场太阳电池生产现状和需求 . 6 1.2.2 国内太阳能电池生产和市场需求 . 8 1.2.3 太阳电池降价 趋势预测 . 11 1.3 本论文研究的内容 . 13 参考文献
15、. 14 第二章 太阳电池组件封装材料、设备与工艺 . 16 2.1 太阳电池组件类型 . 16 2.2 封装材料 . 18 2.2.1 环氧树脂 . 18 2.2.2 有机硅胶 . 19 2.2.3 EVA 胶膜 . 20 2.2.4 玻璃 . 21 2.2.5 背面材料 . 23 2.2.6 其它材料 . 24 2.3 太阳电池组件制造设备 . 24 2.3.1 激光 划片机 . 24 2.3.2 太阳电池层压机 . 26 2.4 太阳电池组件封装工艺 . 28 2.4.1 激光划片 . 29 2.4.2 焊接 . 30 2.4.3 层压 . 30 2.4.4 固化 . 31 2.4.5
16、检测 1 . 31 2.5 组件 技术要求与 失效因素分析 【 11】 . 32 2.6 组件封装方面可研究的课题方向 . 35 2.6.1 封装设备 . 35 2.6.2 新型太阳电池组件结构 . 35 参考文献 . 37 第三章 双面玻璃太阳电池组件的封装工艺与应用 . 39 3.1 双面玻璃组件的结构 . 39 3.2 双面玻璃组件层压封装实验 . 40 3.2.1 实验中出现的问题 . 40 3.2.2 不同实验方法下的组件效果比较 . 43 3.2.3 实验分析与结论 . 44 3.3 其他类型双面玻璃组件简介 . 46 3.4 双面玻璃组件应用实例 . 48 3.5 太阳电池组件在
17、建筑上的应用 . 49 3.5.1 太阳 电池组件作为建筑材料的技术要求 . 49 3.5.2 建筑一体化案例 . 50 3.6 小结 . 50 参考文献 . 50 第四章 EVA 胶膜在紫外光老化中性能变化 . 52 引 言 . 52 4. 1 实验部分 . 52 4. 1. 1 实验的主要设备仪器简介 . 52 4. 1. 2 试样的制备 . 54 4. 1. 3 老化实验 . 54 4. 1. 4 测试与表征 . 54 4. 2 分析与讨论 . 55 4. 2. 1 紫外老化前后胶膜力学性能的变化 . 55 4. 2. 2 紫外老化对胶膜透光率影响及黄度指数变化 . 57 4. 2. 3
18、 紫外老化对太阳电池组件性能的影响 . 62 目 录 4.3 小结 . 66 参考文献 . 66 第五章 便携式集成光伏系统的设计与性能分析 . 67 5.1 系统的设计 . 67 5.1.1 系统结构 . 67 5.1.2 系统方案 . 68 5.2 材料与配件的选择 . 70 5.2.1 电池的选择 . 70 5.2.2 封装材料的选择 . 71 5.2.3 二次电池的选择 . 72 5.3 案例分析与性能测试 . 75 5.4 经济性分析与前景展望 . 78 5.5 小结 . 79 参考文献 . 80 第六章 全文总结 . 81 攻读学位期间发表的论文与专利 . 85 致 谢 . 86
19、附 录 1 太阳电池组件结构图 . 87 附录 2 太阳电池组件封装材料、设备厂商 . 88 附录 3 全球著名 BIPV 系统 . 89 附录 4 EVA 胶膜的制备流程图 . 93 附录 5 偶联剂对剥离强度的影响 . 94 第一章 绪论 第一章 绪论 20 世纪 随着全球人口的增长，以化石燃料为主的能源消耗不断上升，大气中 CO2浓度日益增大，全球温室效应愈加明显，气候反常，灾害频繁，对人类生存，工农业生产及生态平衡产生巨大影响。据统计，每使用 1 吨标准煤造成的影响和损失达 300美元，因此国际社 会对利用清洁能源要求十分迫切。 另一方面，化石燃料的储量也十分有限，石油只能维持 50-
20、80 年，煤只能维持200-300 年，在不远的将来就有枯竭的危险。因此，从能源替代考虑也要求加快开发新能源的步伐。 太阳能是已知的最原始的能源，具备清洁、可再生的特点，丰富而且遍布全世界，几乎所有已知的其它能源都直接或间接地来自太阳能。地球每天吸收的太阳能能量约为 41015KWh,大约相当于地球石油总储藏量的四分之一 1。在科技发达的今天，随着材料科学的不断进步，太阳能材料性价比不断提高，太阳能的利用将使人类在环境保护和 能源利用两方面达到更加和谐的境界 2， 3。 1.1 光伏发电基本原理 1.1.1 太阳电池原理 太阳电池在太空和地球上应用都非常广泛，它提供了人造卫星长时期的动力供应，
21、并且是地球能量来源的一个重要选择，因为他能以高转化效率将日光直接转化为电能，能提供低成本而近乎永恒的动力，且几乎没有污染 【 4】 。 太阳电池的基本原理是光生伏特效应 【 5】 ，如图 1 1 所示，在光照下 PN 结附近产生大量的电子、空穴对，它们如果在 PN 结附近的一个扩散长度范围内，就有可能在复合前扩散运动到 PN 结的内建电场区域。在内建电场的作用下 P 区的 光生电子漂移到 N 型区， N 区的空穴漂移到 P 型区，使 N 区带负电， P 区带正电，如同一化学电池。光生伏特效应简称为光伏效应 【 6】 ，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡层的存在。 图 1 1 太阳电池的基本原理图 1.1.2 太阳电池生产工艺流程 图 1 2 硅 P N 结太阳电池结构示意图 太阳电池的基本结构如图 1 2 所示，包括电极、 P 层、 N 层、减反膜部分 【 4】 。从硅片到太阳电池的制造过程主要包括去损伤层、扩散制结、等离子边缘腐蚀、 去磷硅玻璃、沉积减反射膜、制作电极等工序 【 7】 。其中，结的特性是影响光电转化效率的主要因素。 （ 1）去除损伤层 电池制造的第一道常规工序是硅片的化学腐蚀，硅片化学腐蚀的主要目的是消除切
