2.1 太阳能电池组件
2.1.1 太阳能电池组件分类［1］
太阳能电池组件的分类依据有以下几种：按照太阳能电池的材料划分、按照封装类型划分、按照透光度划分、按照和建筑物结合的方式划分，如图2-1。
图2-1 电池组件分类
2.1.2 太阳能电池组件结构
单体电池的电压在一般在0.6V左右，功率大概4.5W，难以满足应用要求，通常的做法是把多片单体电池以串联或并联的方式封装成组件，以特定的电压和功率输出。如上节所说，可以根据应用需求封装成不同类型的组件，晶硅电池用晶体硅片制作，硅片很薄、很脆，因此晶硅电池组件一般采用刚性封装，结构如图2-2所示。薄膜光伏电池根据衬底类型的不同，用柔性衬底时可采用柔性封装，如图2-3，采用玻璃或铁板等刚性衬底时可做刚性封装，其结构与晶硅电池组件类似。对于有透光性要求的组件，则可以采用双玻封装，即上下盖板都选用超白玻璃，如图2-4所示。
图2-2 晶硅电池组件结构
图2-3 柔性电池组件结构
图2-4 双玻组件结构
2.1.3 太阳能电池组件封装材料
组件的寿命主要受封装材料的寿命、封装工艺和使用环境的影响，其中封装材料的寿命是决定光伏组件寿命的重要因素之一。光伏组件结构通常为盖板、黏结剂、电池片、背板、边框和接线盒。
（1）上盖板。上盖板覆盖在光伏电池组件的上表面，是电池组件的防护层，因此上盖板要同时具备坚固耐用、化学性能稳定和透光率高等特点，既能避免风沙刻蚀和外力冲击造成的组件损坏，又能避免化学腐蚀等环境因素造成的性能衰退，还能把因吸收、反射等造成的光能损耗降低到最小。
可以作为上盖板的材料有钢化玻璃、聚丙烯酸类树脂、氟化乙烯丙烯、透明聚酯、聚碳酸酯等。其中，低铁钢化玻璃具有良好的力学性能和化学稳定性，对可见光的透过率可达90%以上，是目前应用最为普遍的上盖板材料。
（2）黏结剂。在进行太阳能电池封装时，为达到隔离大气的目的，通常采用黏结剂把太阳能电池片密封固定在上下盖板中间，然后通过热压黏合为一体。该方法简单易行，适合工业化生产，是太阳能电池公司目前普遍采用的电池封装方法。
（3）背板。晶硅电池组件的背板通常为白色，以利于电池片之间空隙处的光反射到前表面，有部分光会再反射到太阳能电池，增加了太阳能电池对光能的利用，有利于光电转换效率的提高。
对光伏电池组件的背板的性能要求通常包括：
①具有良好的耐气候性能；
②层压温度下不起任何变化；
③与粘接材料结合牢固；
④较低的水汽透过率；
⑤一定的电学耐绝缘性能。
目前，光伏电池组件的背板材料通常为钢化玻璃、铝合金、有机玻璃、TPT等，其中，TPT复合膜是目前应用较多的背板材料。
（4）边框。平板组件必须有边框，以保护组件和方便组件的连接固定。边框的主要材料有不锈钢、铝合金、橡胶、增强塑料等。通常用硅胶作为封边黏结剂增强边框与组件之间的黏结强度，同时对组件的边缘进行密封。对黏结剂的要求包括密封性好和抗紫外线辐照、老化能力强。
（5）接线盒。组件的正负极在接线盒内与设计好的电缆相连接，接线盒对接线起到保护作用。有时也会将旁路二极管接入接线盒的线路内。旁路二极管的作用是在电池发生损坏或故障，而变为电阻时，电流自动从旁路二极管通过，避免电流经过损坏的电池而大量发热。一般每串联的十片电池需要并联一个旁路二极管。接线固定好后，接线盒内应用防水胶填充满，以防止水汽侵入。
2.1.4 太阳能电池组件封装工艺
组件线又叫封装线，封装是太阳能电池生产中的关键步骤，电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强度。
流程图：电池检测（分片）——正面焊接——检验——背面串接——检验——敷设（玻璃清洗、材料切割、玻璃预处理、敷设）——层压——去毛边（去边、清洗）——装边框（涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶）——焊接接线盒——高压测试——组件测试——外观检验——包装入库。
（1）电池检测。由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了有效地将性能一致或相近的电池组合在一起，应根据其性能参数进行分类。电池测试即通过测试电池的输出参数（电流和电压）的大小对其进行分类，减小组件中电池片的失配，以提高电池的利用率。
（2）正面焊接。是将汇流带焊接到电池正面（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为一个红外灯（利用红外线的热效应）。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。
（3）背面串接。背面焊接是将60片电池串接在一起形成一个组件串。将“前面电池”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60片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。
（4）层压敷设。背面串接好且经过检验合格后，将组件串、玻璃和切割好的EVA、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好，准备层压。玻璃事先涂一层试剂（primer）以增加玻璃和EVA的粘接强度。敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，为层压打好基础（敷设层次：由下向上：玻璃、EVA、电池、EVA、玻璃纤维、背板）。
（5）组件层压。将敷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，将电池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步，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，所以层压完毕后应将其切除。
（7）装框。给玻璃组件装铝框，增加组件的强度，进一步的密封电池组件，延长电池的使用寿命。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。在组件背面引线处焊接一个盒子，以利于电池与其他设备或电池间的连接。
（9）高压测试。高压测试是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强度，以保证组件在恶劣的自然条件（雷击等）下不被损坏。
（10）组件测试。测试的目的是对电池的输出功率进行标定，测试其输出特性，确定组件的质量等级。
（11）组件检测
①外表面清洁干净。
②无破碎、裂纹、针孔的单体电池。
③电池片崩边。崩边沿电池片厚度方向，深度不大于电池片厚度的1/2，面积不大于2mm2的崩边，每片电池片不多于两处。
④电池片缺角。每片电池片，深度小于1.5mm，长度小于5mm的缺角不得超过一处；深度小于1mm，长度小于3mm的缺角不得超过两处。
⑤每块组件③+④两项缺陷的总和不超过两片。
⑥组件电池片主栅与细栅线连处允许≤1mm的断点，细栅线允许≤2mm的脱落。断点与栅线脱落的总数不大于栅线总条数的1/5。
⑦汇流条与焊带连接处，焊带超出汇流条、汇流条超出焊带1mm以下。
⑧电池片或焊带的间距离、电池片之间、电池片与汇流条之间、汇流条之间的距离要在0.3mm以上。
⑨电池片横排错位≤2mm；纵列间隙两端相差≤2mm；组件整体位移时两边电池片与玻璃边缘距离之差≤3mm。
⑩焊带与栅线之间不能有脱焊。
2.1.5 太阳能电池组件的输出特性［2］
太阳能电池组件把接收的光能转换成电能，其输出电流-电压的特性如图2-5所示。这个特性也称为I-V曲线。在图中标注的各点在标准状态下具有以下含义。
图2-5 太阳能电池组件的输出电流-电压特性
最大输出功率（Pm）：最大输出工作电压（VPm）×最大输出工作电流（IPm）；
开路电压（VOC）：正负极间为开路状态时的电压；
短路电流（ISC）：正负极间为短路状态时流过的电流；
最大输出工作电压（VPm）：输出功率最大时的工作电压；
最大输出工作电流（IPm）：输出最大功率时的工作电流。
图中的最佳工作点是得到最大输出功率时的工作点，此时的最大输出功率Pm是Im和Vm乘积。在实际的太阳能电池工作中，工作点与负载条件和辐射条件有关，所以工作点偏离最佳工作点。
由于光伏电池、组件的输出功率取决于太阳光照强度、太阳能光谱的分布和光伏电池的温度、阴影、晶体结构。因此光伏电池、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：光谱辐照度为1000W/m2；光谱AM1.5；电池温度25℃。
这里AM是Air Mass（气团）的缩写。它表示太阳光线射入地面所通过的大气量，也是假设正上方（太阳光线垂直）的日照射为AM=1时，用其倍率表示的参数。如AM 1.5是光的通过距离为1.5倍，相当于太阳光线与地面夹角为42°。如果AM变大，像早晨和傍晚那样短波长的光被大气吸收，则红光变多；如果AM变小，则蓝光增多。太阳能电池因其种类、构成的材料和制造方法不同，对光的波长灵敏度不同，所以必须测光谱分量（光谱分布）。
在该条件下，太阳能光伏、电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，其单位表示为瓦（W）。在很多情况下，太阳能电池的光照、温度都是不断变化的，所以组件的峰值功率通常用模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的光伏电池进行比较。
（1）辐照度对光伏组件输出特性的影响。光伏组件的光电流与光照强度成正比，在光强由100～1000W/m2范围内，光电流始终随光强的增长而线性增长；而光照强度对电压的影响很小，在温度固定的条件下，当光照强度在400～1000W/m2范围内变化，光伏电池、组件的开路电压基本保持不变如图2-6。所以，光伏电池的功率与光强也基本保持成正比。
图2-6 辐射照度依赖特性和辐射照度-最大输出功率特性
（2）温度对光伏组件输出特性的影响。光伏组件温度较高时，工作效率下降。随着光伏电池温度的升高，开路电压减小，在20～100℃范围，大约每升高1℃，光伏电池的电压减小2mV；而光电流随温度的升高略有上升，大约每升高1℃电池的光电流增加千分之一。总的来说，温度每升高1℃，功率减少0.35%。这就是温度系数的基本概念，不同的光伏电池，温度系数也不一样，所以温度系数是光伏电池性能的评判标准之一。
另外，由于季节和温度的变化，输出功率也在变化。如果辐射照度相同，冬季比夏季输出功率大。辐射特性和温度特性如图2-6和图2-7所示。由图可见，组件温度不变、辐射照度变化的场合，短路电流（Lsc-）与辐射照度成正比，与之伴随的最大输出功率（Pm）与辐射照度大致成正比。当辐射照度不变、组件温度上升时，开路电压（Voc）和最大输出功率（Pm）也下降。
图2-7 温度依赖特性和温度-最大输出功率特性
（3）阴影对光伏组件输出特性的影响。阴影对光伏组件性能的影响不可低估，甚至光伏组件上的局部阴影也会引起输出功率的明显减少。所以要注意避免阴影的产生，及时清理组件表面，防止热斑效应的产生。一个单电池被完全遮挡时，太阳电池组件输出减少75%左右。虽然组件安装了二极管来减少阴影的影响，但如果低估局部阴影的影响，建成的光伏系统性能和投资收效都将大大降低。