太阳能电池方阵

太阳能光伏发电系统的最核心的器件是太阳能电池，太阳能电池方阵由若干太阳能电池组件组成，太阳能电池组件由若干太阳能电池单体构成，太阳能电池单体是光电转换的最小单元。太阳能电池单体的工作电压为0.4～0.5 V，工作电流为20～25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几百瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率，如图1－3所示。

图1－3　太阳能电池单体、组件和方阵

1.太阳能电池单体

太阳能电池单体的材料一般为硅材料，在硅晶体中掺入其他的杂质(如硼等)时，硅晶体中就会存在着一个空穴，此时的半导体称为P型半导体。若在硅中掺入比其多一个价电子的元素(如磷)，最外层中的5个电子只能有4个和相邻的硅原子形成共价键，剩下一个电子不能形成共价键，但仍受杂质中心的约束，只是比共价键的约束弱得多，只要很小的能量便会摆脱束缚，所以就会有一个电子变得非常活跃，此时的半导体称为N型半导体。

当硅掺杂形成的P型半导体和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成一个由N区指向P区的“内电场”，从而阻止扩散进行。当扩散达到平衡后，就形成一个特殊的薄层，这就是PN结。

常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池，晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是P型硅，表面扩散层是N区，在这两个区的连接处就是所谓的PN结，PN结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。

太阳光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定，光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对正负电荷，由于在PN结区域的正负电荷被分离，因而就产生了电压，由于电压的单位是伏特，人们就称之为“光生伏打效应”，这就是太阳能电池的工作原理。太阳电池的光谱响应是指一定量的单色光照到太阳电池上，产生的光生载流子被收集后形成的光生电流的大小。因此，它不仅取决于光量子的产额，而且取决于收集效率。

将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流;太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随能量损失的影响将使太阳能电池的效率下降。

2.硅太阳能电池种类

目前世界上有3种已经商品化的太阳能电池:单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池，如图1－4所示。对于单晶和多晶太阳能电池，外形尺寸一般为125 cm×125 cm和156 cm×156 cm两种，也就是业内简称的125太阳能电池和156太阳能电池。

图1－4　太阳能电池外观图

对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被PN结电场分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器等。非晶硅太阳能电池可具有一定的柔性，可生产柔性太阳能电池，如图1－4所示。

太阳电池直流模型的等效电路如图1－5所示，其中IL为光生电流，ID为二极管电流，Rs为串联电阻，Rsh为并联电阻，I为输出电流，V为输出电压。

图1－5　太阳电池直流模型的等效电路图

太阳电池最大输出功率与太阳光入射功率的比值称为转换效率，η

其中，pin为太阳光入射功率;pm为最大输出电功率;Im与Vm分别为最大输出功率时的电流与电压。目前单晶硅太阳电池的实验室最高效率为24.7%，由澳大利亚新南威尔士大学创造并保持。

目前，产品化单晶硅太阳电池的光电转换效率为17%～19%;产品化多晶硅太阳电池的光电转换效率为12%～14%;产品化非晶硅太阳电池的光电转换效率为5%～8%。

太阳能电池的测试必须在标准条件下进行，地面用太阳电池标准测试条件如下:温度为25℃以下，大气质量为AM1.5的阳光光谱，辐射能量密度为1 000 W/m2。

3.太阳能电池生产工艺

生产电池片的工艺比较复杂，一般要经过硅片切割检测、表面制绒、扩散制结、去磷硅玻璃、等离子刻蚀、镀减反射膜、丝网印刷、快速烧结和检测分装等主要步骤，如图1－6所示。

本节介绍的是晶硅太阳能电池片生产的一般工艺。

图1－6　太阳能电池生产工艺流程图

(1)硅片切割。硅片的切割加工是将硅锭经表面整形、切割、研磨、腐蚀、抛光、清洗等工艺，加工成具有一定宽度、长度、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光洁度，表面无缺陷、无崩边、无损伤层，高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。将硅锭按照技术要求切割成硅片，才能作为生产制造太阳能电池的基体材料。因此，硅片的切割，即通常所说的切片，是整个硅片加工的重要工序。所谓切片，就是硅锭通过镶铸金刚砂磨料的刀片(或钢丝)的高速旋转、接触、磨削作用，定向切割成为要求规格的硅片。切片工艺技术直接关系到硅片的质量和成品率。切片的方法主要有外圆切割、内圆切割、多线切割以及激光切割等。

切片工艺技术的原则要求是:

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，消除拉丝、刀痕和微裂纹。

③提高成品率，缩小刀(钢丝)切缝，降低原材料损耗。

④提高切割速度，实现自动化切割。

(2)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、电阻率、P/N型和微裂纹等。

(3)表面制绒。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。绒化后的硅表面如图1－7所示。

图1－7　绒化后的硅表面图

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，硅片需先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去20～25μm，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面制绒的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结。

(4)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℃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10 ms。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。

(5)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。

在太阳能电池制造过程中，单晶硅与多晶硅的刻蚀通常包括湿法刻蚀和干法刻蚀，两种方法各有优劣，各有特点。干法刻蚀是利用等离子体将不要的材料去除(亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法)，湿法刻蚀是利用腐蚀性液体将不要的材料去除。

湿法刻蚀即利用特定的溶液与薄膜间所进行的化学反应来去除薄膜未被光刻胶掩膜覆盖的部分，而达到刻蚀的目的。因为湿法刻蚀是利用化学反应来进行薄膜的去除，而化学反应本身不具方向性，因此湿法刻蚀过程为等向性。相对于干法刻蚀，除了无法定义较细的线宽外，湿法刻蚀仍有以下的缺点:①需花费较高成本的反应溶液及去离子水;②化学药品处理时人员所遭遇的安全问题;③光刻胶掩膜附着性问题;④气泡形成及化学腐蚀液无法完全与晶片表面接触所造成的不完全及不均匀的刻蚀。

通常采用等离子刻蚀技术完成这一干法刻蚀工艺。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。

(6)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70 nm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。

(7)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，从而完成印刷过程。

(8)高温烧结。经过丝网印刷后的硅片，不能直接使用，需经烧结炉高温烧结，将有机树脂黏合剂燃烧掉，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黏合剂分解、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。

(9)测试分选。对于制作太阳能电池而言，印刷烧结后的电池片已经算是完成了电池片的制作过程，但是怎么去分辨太阳能电池的好坏，还需要对电池片测试分选。测试工序是按照电参数及外观尺寸的标准对太阳能电池片进行选择，只有符合要求的电池片才能够用于组件的制作。

测试系统的原理一般是通过模拟标准太阳光脉冲照射PV电池表面产生光电流，光电流流过可编程式模拟负载，在负载两端产生电压，负载装置将采样到的电流、电压、标准片检测到的光强以及感温装置检测到的环境温度值，通过RS232接口传送给监控软件进行计算和修正，得到PV电池的各种指标和曲线、然后根据结果进行分类和结果输出。测试的原理图如图1－8所示，其中PV为待测电池片，V为电压测量装置，I为电流测量装置，RL为可编程式模拟负载。

图1－8　测试系统测试原理图

4.太阳能电池组件

一个太阳能电池单体只能产生大约0.6 V电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池通过串并联的方式连接起来，形成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池片，这些太阳能电池片通过导线连接。太阳能电池组件的生产过程一般如图1－9所示。

图1－9　太阳能电池组件生产流程图

一个组件上，太阳能电池的数量如果是36片，这意味着一个太阳能电池组件大约能产生18 V的电压，正好能为一个额定电压为12 V的蓄电池进行有效充电。对于大功率需求的太阳能电池组件，太阳能电池的数量一般为72片，一个太阳能电池组件大约能产生36 V的电压。

通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。组件实物图如图1－10所示。

太阳能电池组件的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。

组件的电气特性主要是指电流－电压输出特性，也称为V－I特性曲线，如图1－11所示。V－I特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路，即V=0，此时的电流称为短路电流Isc，当日照条件达到一定程度时，由于日照的变化而引起较明显变化的是短路电流;如果电路开路，即I=0，此时的电压称为开路电压Voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P=VI。

图1－10　组件实物图

当太阳能电池组件的电压上升时，例如，通过增加负载的电阻值或组件的电压从零(短路条件下)开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加;当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至零，即电压达到开路电压Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点;该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm(又称为最大工作电压或峰值电压);该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im(又称为最大工作电流或峰值电流);该点的功率，称为最大功率Pm。

图1－11　太阳能电池的电流－电压特性曲线

I:电流Isc:短路电流Im:最大工作电流
V:电压Voc:开路电压Vm:最大工作电压

随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高1℃，每个单体电池每片电池的电压减少5 mV，相当于在最大功率点的典型温度系数为－0.4%/℃。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1℃，则最大功率减少0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。

由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下(STC)进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是:

光谱辐照度1 000W/m2

大气质量系数AM1.5

太阳电池温度25℃

在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为Wp(peak watt)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。

在衡量太阳电池输出特性参数中，表征最大输出功率与太阳电池短路电流和开路电压乘积比值的是填充因子，填充因子表示最大输出功率Im Vm与极限输出功率Isc Voc之比，通常以FF表示，即:

FF=Im Vm/Isc Voc

填充因子越大，太阳电池性能就越好，优质太阳电池的FF可高达0.8以上。

通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置;此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到10%或更大。太阳电池方阵安装时要进行太阳电池方阵测试，其测试条件是太阳总辐照度不低于700 mW/cm2。

如果太阳电池组件被其他物体(如鸟粪、树荫等)长时间遮挡时，被遮挡的太阳能电池组件此时将会严重发热，会影响整个太阳电池方阵所发出的电力，这就是“热斑效应”。这种效应对太阳能电池会造成严重的破坏。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热班效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。在组件背面有一个连接盒，它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含一个接线盒和1只或2只旁通二极管。

在太阳能电池方阵中，二极管是很重要的器件，常用的二极管基本都是硅整流二极管，在选用时要规格参数留有余量，防止击穿损坏。一般反向峰值击穿电压和最大工作电流都要取最大运行工作电压和工作电流的2倍以上。二极管在太阳能光伏发电系统中主要分为两类:

(1)防反充(防逆流)二极管。防反充二极管的作用之一是防止太阳能电池组件或方阵在不发电时，蓄电池的电流反过来向组件或方阵倒送，不但消耗能量，而且会使组件或方阵发热甚至损坏;作用之二是在电池方阵中，防止方阵各支路之间的电流倒送。这是因为串联各支路的输出电压不可能绝对相等，各支路电压总有高低之差，或者某一支路故障、阴影遮蔽等使该支路的输出电压降低，高电压支路的电流就会流向低电压支路，甚至会使方阵总体输出电压降低。在各支路中串联接入防反充二极管就避免了这一现象的发生。

(2)旁路二极管。当有较多的太阳能电池组件串联组成电池方阵或电池方阵的一个支路时，需要在每块电池板的正负极输出端反向并联1个(或2～3个)二极管，这个并联在组件两端的二极管就叫旁路二极管。

旁路二极管的作用是防止方阵中的某个组件或组件中的某一部分被阴影遮挡或出现故障停止发电时，在该组件旁路二极管两端会形成正向偏压使二极管导通，电池方阵组件串工作电流绕过故障组件，经二极管流过，不影响其他正常组件的发电，同时也保护被旁路组件，避免受到较高的正向偏压或由于“热斑效应”发热而损坏。

旁路二极管一般都直接安装在接线盒内，根据组件功率大小和电池片串的多少，安装1～3个二极管。旁路二极管也不是任何场合都需要的，当组件单独使用或并联使用时，是不需要接二极管的。对于组件串联数量不多且工作环境较好的场合，也可以考虑不用旁路二极管。