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太阳能电池板组装结构。jpg

太阳能电池板技术发展迅速,效率更高,价格更低,需求大幅增加。然而,尽管技术取得了巨大的进步,但太阳能电池板的基本结构多年来并没有太大的变化。大多数太阳能电池板仍然是由一系列的晶体硅电池夹在前玻璃板和后聚合物塑料背板之间,在铝框架内支撑。

一旦安装,太阳能电池板将在其25年以上的使用寿命中经受严酷的条件。温度、湿度、风和紫外线辐射的极端变化会对太阳能电池板造成巨大的压力。幸运的是,大多数电池板都经过精心设计,能够承受极端天气。然而,一些面板仍然会以多种方式失效,包括水进入,细胞micro-fractures潜在诱导退化或PID。这就是为什么太阳能电池板的制造必须使用最高质量的组件。在另一篇文章中,最好的太阳能电池板,我们强调领先的制造商使用最高质量的材料,并测试到最高的行业标准。


太阳能电池是如何制造的?

使用普通直拉斯基工艺制造的单晶硅锭。

使用普通直拉斯基工艺制造的单晶硅锭。

太阳能电池板使用的是光伏电池硅晶片类似于用于制造计算机处理器的晶圆。硅晶圆可以是多晶或单晶,并使用几种不同的制造方法来生产。最有效的类型是单晶硅(mono),这是用众所周知的Czochralski的过程。与多晶(聚)相比,这种工艺更耗能,因此生产成本更高。

另一方面,多晶晶片的效率稍低,需要使用多个晶片净化过程其次是更简单、成本更低的铸造方法。最近,铸造单晶或演员莫诺细胞已经越来越受欢迎。这是因为铸造单晶电池的铸造工艺成本较低,与多晶硅电池的铸造工艺相似。然而,铸造单晶圆不完全有效和纯单晶圆使用直拉斯基工艺。

  • 单晶硅电池-最高效率和最高成本

  • 将单晶硅电池-效率高,成本低

  • 多晶硅电池—效率较低,成本最低

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生产太阳能电池

制造普通的硅基太阳能电池需要许多不同的过程,首先从一种名为石英岩的原材料开始,这是石英砂岩岩石的一种形式。先是石英岩,又称硅砂,转换为冶金级硅在电弧炉中将碳和石英岩结合。这个过程发生在非常高的温度下,结果是99%的纯硅。下一步是将冶金级的硅转化为纯多晶硅,使用化学净化过程称为西门子过程,或升级的冶金级硅(UMG-Si),使用成本更低的冶金过程。

接下来,多晶硅是掺杂与微量的硼或磷成为其中之一p型和n型硅。在这个阶段,多晶硅可以熔化和铸造成大的矩形块和薄切片使用金刚石线切割方法生产多晶multicrystalline晶片。

生产效率更高单晶晶圆或电池,掺杂的硅可以制成纯固体晶锭使用直拉法.这个过程涉及到在高压和温度下熔化多晶硅,慢慢地生长出一个大的单晶硅晶体,称为“锭”。

单晶硅太阳能电池的基本材料和制作步骤

单晶硅太阳能电池的基本材料和制作步骤

单晶PV电池制造步骤

  1. 硅砂在电弧炉中提纯,产生99%的纯硅

  2. 99%的硅进一步细化到接近100%的纯硅

  3. 硅掺杂硼或磷(p型和n型)

  4. 将掺杂的硅熔化并提取成结晶锭

  5. 圆锭是用金刚石丝切成的方形薄晶圆片

  6. 在薄基晶圆上涂覆p型或n型硅的超薄层以形成pn结

  7. 在电池表面加上一层防反射层和金属手指

  8. 增加了扁带式母线(如图)或细线式母线(MBB)

太阳能电池制造母线和手指

太阳能电池板是如何制造的?

太阳能电池板使用以下详细描述的六个主要组件,并在先进的制造设施中以极高的精度组装。在本文中,我们将重点介绍使用的面板晶体硅太阳能电池因为这是目前最常见、性能最好的太阳能技术。还有其他的太阳能光伏技术,如薄膜和丝网印刷电池,但我们不会讨论这些,因为它们的用途有限或仍在发展中。

太阳能电池板的六个主要组件

  1. 太阳能光伏电池

  2. 钢化玻璃- 3至3.5毫米厚

  3. 挤压铝框

  4. 封装- EVA膜层

  5. 聚合物后后板

  6. 接线盒-二极管和连接器

许多著名的太阳能电池板制造商垂直整合这意味着这家公司供应和制造包括用于制造太阳能光伏电池的硅锭和晶圆在内的所有主要组件。然而,许多电池板制造商使用外部采购的部件组装太阳能电池板,包括电池、聚合物背板和封装EVA材料。这些制造商可以更有选择性地选择部件,但他们不能总是控制产品的质量,所以他们应该确保使用最好的供应商。

用于建造太阳能电池板的6个主要部件

用于建造太阳能电池板的6个主要部件


1.太阳能光伏电池

一个典型的单晶太阳能电池,有5条母线

一个典型的单晶太阳能电池,有5条母线

太阳能光伏电池或光伏电池将阳光直接转化为直流电能。太阳能电池板的性能由所用硅的电池类型和特性决定,主要有两种类型单晶而且多晶硅。PV电池的底部是一个非常薄的晶圆,通常是0.1毫米厚,由正极制成p型硅或消极n型硅。有许多不同的电池尺寸和配置可以提供不同水平的效率和性能,包括半切或分裂电池,多母线(MBB)电池,以及最近使用薄重叠晶圆片的带状电池。有关不同类型的电池和太阳能电池板的详细信息,请参阅完整的太阳能光伏电池技术综述

普通(p型)硅太阳能电池基本结构图-点击查看更多信息。

一种常见的(p型)硅太阳能电池的基本结构示意图-单击查看更多信息。

大多数住宅太阳能电池板包含60个单晶或多晶电池,通过串联母线连接在一起,根据使用的电池类型产生30-40伏特之间的电压。用于商业系统和公用事业规模的太阳能发电厂的更大的太阳能电池板包含72个或更多的电池,反过来运行在更高的电压。连接细胞的电接触点被称为汇流让电流流过电路中所有的单元。

6种主要类型的太阳能电池板,使用不同类型和大小的太阳能电池-点击放大


2.玻璃

前面的玻璃片保护PV电池免受天气和冰雹或空中碎片的影响。玻璃的强度通常很高回火玻璃厚度为3.0 - 4.0mm,可抵抗机械载荷和极端温度变化。IEC最低标准冲击测试要求太阳能电池板能够承受1英寸(25毫米)直径的冰雹石的冲击,速度可达60英里(27米/秒)。在发生事故或严重撞击时,钢化玻璃也比标准玻璃安全得多,因为它会碎成微小的碎片,而不是锋利的锯齿状部分。

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提高效率和性能高递送的玻璃被大多数制造商使用,这是一个非常低铁内容和防反射涂层背面,以减少损失和改善光传输。


3.铝框

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铝框架起着至关重要的作用,它既保护了容纳电池的层压板部分的边缘,又提供了一个坚实的结构来安装太阳能电池板。挤压铝型材的设计是非常轻,刚性和能够承受极端的压力和负荷从高风和外力。

铝框架可以是银色或阳极氧化黑色,根据面板制造商的不同,角落部分可以用螺丝拧,压或夹在一起,提供不同水平的强度和刚度。

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4.伊娃的电影

EVA是乙烯醋酸乙烯的缩写,它是一种特殊设计的高透明聚合物(塑料)层,用于封装电池并在生产过程中固定它们。EVA材料必须非常耐用,并能承受极端的温度和湿度,它通过防止水分和污垢进入对长期性能起着重要的作用。

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光伏电池两侧的层压可以起到一定的减震作用,并有助于保护电池和互连的电线免受振动和冰雹、石头和其他物体的突然冲击。高质量的EVA胶片具有高的度,这就是所谓的高质量“交联”可能是使用寿命长,也可能是由于进水导致面板失效。在制造过程中,电池首先用EVA封装,然后在玻璃和背板内组装。


5.相对

背板是普通太阳能电池板最后面的一层,作为防潮层和最后的外部皮肤,提供机械保护和电气绝缘。背板材料由各种聚合物或塑料制成,包括PP, PET和PVF,提供不同级别的保护,热稳定性和长期抗紫外线。背板层通常是白色的,但也可以是透明或黑色,这取决于制造商和模块。

“Tedlar”PVF材料来自杜邦公司被誉为光伏组件制造的领先高性能背板之一。

双玻璃面板-一些面板,如双面和无框面板使用后玻璃面板,而不是聚合物背板。背面玻璃比大多数背板材料更耐用,寿命更长,所以一些制造商提供了30年的性能保修双玻璃面板。


6.接线盒和连接器

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接线盒是位于面板背面的一个小型防风雨外壳。安装面板互连线缆时,需要紧固线缆。接线盒很重要,因为它是所有电池连接的中心点,必须防止潮湿和污垢。

旁路二极管

接线盒也容纳旁路二极管当电池被遮蔽或脏时,需要防止产生反电流。二极管只允许电流在一个方向流动,一个典型的60个电池的面板被分成3组,每组20个PV电池,每组有一个旁路二极管来防止反向电流。不幸的是,旁路二极管会随着时间的推移而失效,可能需要更换,因此接线盒的盖子通常能够被拆除进行维修,尽管许多现代太阳能电池板现在使用更先进的持久二极管和不可用的接线盒。了解更多关于旁路二极管是如何工作的在这里。

在一个典型的60电池太阳能电池板的接线盒内显示3个旁路二极管

采用更先进的二极管,减少热量,增加寿命的现代面板

太阳能MC4连接器

几乎所有的太阳能电池板都使用特殊的耐候性插头和插座连接在一起,称为MC4连接器。术语MC4代表多触点4mm直径连接器。由于极端的天气条件,连接器必须非常坚固,安全,抗紫外线,并保持良好的连接,在低电压和高电压高达1000V的最小电阻。

连接器设计用于标准4mm或6mm双绝缘太阳能直流电缆,镀锡铜多股芯,最小电阻和增加耐久性。为了正确地组装连接器,使用一种特殊的压接工具将多股电缆压接到内部端子,然后插入并折断到MC4外壳。

太阳能MC4连接器。带内部压接端子的公母端子

太阳能MC4连接器。带内部压接端子的公母端子

注意:有几种不同类型的MC4连接器,它们可能看起来相似,但并不总是安全地连接在一起。相同类型和制作的连接器必须一直使用减少可能导致电弧甚至火灾的水进入或堵塞。上面所示的MC4连接器和下一代MC4- evo -2连接器(未显示),都是由Staubli制造的,也是唯一允许一起使用的外观不同的连接器。


太阳能电池板组装与制造

太阳能电池板在先进的制造设施中组装,使用自动化机器人设备和传感器,以极高的精度精确定位组件。制造工厂必须非常清洁和控制,以防止在组装过程中发生任何污染。

Winaico太阳能电池组装和测试

在整个制造过程中,面板和电池都使用先进的光学/成像传感器进行检查和检查,以确保所有组件的位置正确,电池晶圆非常脆弱,在组装过程中不会损坏或开裂。根据制造商的不同,最终的面板组装要通过一系列测试进行彻底检查,包括电致发光(EL)或闪光测试,以确定电池中的任何缺陷,这些缺陷一旦暴露在阳光和高温下多年就可能导致故障。

下面是澳大利亚太阳能电池板制造商Tindo Solar的一段视频。

Video showing a modern solar panel assembly plant with automated assembly and testing processes and controls. - Video Credit Tindo Solar

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视频展示了一个现代化的太阳能电池板组装工厂,具有自动化组装和测试过程和控制。-视频信贷公司Tindo Solar


太阳能电池板退化和故障

太阳能电池板通常非常可靠,因为它们没有移动部件,需要最少的维护。然而,由于许多不同的原因,它们可能会在预期的25年寿命中失败或表现不佳。这是正常的,因为电池会慢慢失去电力,由于所谓的光诱导降解或LID每年平均损失0.5%。这种缓慢的退化通常是不明显的,大多数太阳能电池板在20年后仍将表现为原来额定容量的80%或更高,这取决于使用的电池类型。降解量在制造商的性能保证中指定-了解更多信息太阳能电池板的保证

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不幸的是,太阳能电池板也会遭受更严重的问题,如微裂缝更严重的退化是由于许多原因造成的。任何由于撞击造成的高应力,不良的安装操作或人在屋顶板上行走都可能导致电池的小裂缝。这些问题通常很难发现,如果置之不理数年,可能会发展成热点并导致灾难性的故障,如电弧或火灾。幸运的是,有一些方法可以降低故障的可能性,大多数制造商正在改进面板的设计和制造,以尽量减少短期和长期的问题。了解更多关于太阳能电池板的问题,如微裂纹和热点


可持续性

阳光或太阳能是免费的能源可再生永远不会耗尽的能量。另一方面,化石燃料是会产生排放的有限资源温室气体以及萃取、加工和燃烧过程中的其他微粒。相比之下,太阳能电池板在使用过程中不会产生任何排放,但它们由几种不同的材料制成,需要不同程度的资源和能源。用于提取原材料和生产产品的能源被称为“能源”。具体能源”。一种产品需要几年的时间来回报其隐含能量。这就是所谓的总能源回报时间(EPBT)。

一个典型的硅晶体太阳能电池板将产生足够的能量来偿还安装后2年内的隐含能量。然而,随着太阳能电池板效率的提高,在许多平均太阳辐射高的地区,回收时间已减少到不到1.5年。

下面的图表强调了过去250年来化石燃料燃烧排放的增加。图像信用ourworldindata.org

现代高效的晶体硅太阳能电池板产生的能量足以在2年内偿还蕴含的能量。这得到了多项详细研究的支持生命周期分析。然而,许多研究现在已经过时,因为太阳能光伏电池的效率在过去几年里从15%提高到20%(增加了35%),而回报时间估计低至一年。考虑到一块典型的太阳能电池板将使用20-30年,它将很容易地偿还其隐含能量的数倍,并抵消数千吨的排放。

太阳能电池板有毒吗?

尽管有大量关于太阳能电池板有毒的信息流传,但现代的晶体硅太阳能电池板实际上含有有毒信息没有有毒物质.声称有毒的太阳能电池板来自于大多数过时的薄膜(碲化镉- CdTe)太阳能电池板,它们确实含有微量的镉和碲。然而,除非这些(相对罕见的)面板被分解成碎片,否则微量的镉就包含在EVA层中,无法滤出。

现代晶体硅太阳能电池板的电池连接焊料中只含有微量的铅。然而,焊料的使用也逐渐被新的母线压缩连接技术所淘汰导电胶材料.值得注意的是,焊料被用于数以亿计的电子设备和电器中。在消费电子设备、手机、电脑和电视中使用的有毒元素要多得多,这就是为什么电子垃圾或电子垃圾是一个如此大的全球问题。

目前,世界各地安装的太阳能电池板中,大约99%是硅晶体,不含镉或碲。太阳能电池板是非常良性的,即使受损,它们也不会造成任何污染,因为电池封装在非常耐用的聚合物层中,不含易溶解的材料。然而,像所有的电器一样,太阳能电池板需要在寿命结束时被收集和回收,这一点我们将在下面的部分讨论。

参考文献

详细的太阳能光伏板和系统的生命周期分析


回收利用太阳能电池板

由于过去20年安装的大部分太阳能电池板仍在使用,所以没有大量的太阳能废物。然而,在未来的10-20年里,许多太阳能系统将达到寿命的尽头(EOF),预计需要回收的太阳能相关废物的数量将会大幅增加。太阳能电池板回收是一个新兴行业,大部分材料相对容易回收,如铝框架和安装系统。大多数太阳能电池板制造商都在推动更可持续的发展,现在都是非营利组织的一部分PV周期组织-“PV CYCLE为会员和废物持有者提供更好的回收渠道,并确保回收率高于行业标准。”

  • 在澳大利亚,有几家公司将回收旧的或损坏的太阳能电池板,包括总部位于阿德莱德的公司ReclaimPV.http://reclaimpv.com/

  • 在欧洲,法国废物管理公司威立雅在法国南部开设了第一家专门的太阳能电池板回收厂,能够回收和回收95%的材料。

  • 为了进一步阅读,这里有一篇很棒的文章更新关于太阳能电池板回收。

Veolia opens the first European plant entirely dedicated to recycling photovoltaic panels in Rousset www.veolia.com

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威立雅在罗塞特开设了第一家完全致力于回收光伏电池板的欧洲工厂www.veolia.com