硅基太陽能電池組件封裝綜合教學實驗設計

李繼利　付芳

摘要：結合洛陽理工學院高水平應用技術大學建設和應用型人才培養目標，設計開發了新能源相關專業的“硅基太陽能電池組件封裝”綜合性開放實驗，詳細描述了實驗的內容和過程。通過實驗，學生最終制造出了自己設計的太陽能電池組件產品，使學生獲得了專業的認同感和成就感。并且與理論教學相結合，使學生牢固地掌握太陽能電池組件的封裝相關知識和生產技能，同時，能夠最大限度地調動學生學習的主動性和積極性。太陽能電池組件的尺寸與形狀由學生自己進行設計，一定程度上也提高了學生的創新意識和創新能力。

關鍵詞：硅基太陽能電池；組件封裝；性能測試；綜合實驗教學

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A

進入21世紀以來，科學技術迅猛發展，全球經濟爆發式增長，人們對能源的需求日益增加。以煤、石油、天然氣為主的不可再生能源消耗殆盡，引發世界范圍內的能源危機。另外，化石燃料的燃燒，排放出大量溫室氣體和其他污染物，使全球氣候變暖，環境嚴重污染，對人類的生存產生極大威脅。世界各國都在致力于尋求一種可再生的清潔能源來替代不可再生能源，如太陽能、風能和水能等。新能源行業迎來前所未有的發展機遇［1-4］，因此對人才的需求也日益迫切，很多企業都開始進行戰略性的人才儲備。從2010年開始，我國在高等院校中逐漸增設了新能源相關專業，截止2021年共有近百所高校開設了新能源專業［5-6］。與此同時，一些地方高校在應用型高校轉型時，也將新能源方向確定為一些傳統專業的特色方向，進行新能源行業相關應用型人才的培養。例如，洛陽理工學院的材料物理專業［7］，在應用型高校轉型發展過程中，為了適應我國產業結構調整及高新技術產業的發展，為河南省經濟社會發展提供人才和智力支持，以應用型人才培養為目標，經過多年的建設和發展，形成了太陽能電池光伏材料和鋰離子電池材料兩大新能源相關專業特色辦學方向。洛陽理工學院材料物理專業始終堅持“地方性、行業性、應用型”的辦學定位，以硅光伏、鋰離子電池材料為重點專業方向，突出新能源材料特色，將專業發展為與地方產業相關的應用型專業；立足洛陽，面向河南，輻射中原，為生產服務一線培養應用型人才，為地方經濟社會發展培養高層次人才。

由于建設時間不長，整個新能源專業方向的理論教學和實踐教學都需要進行深入的研究與探索［8］。并且目前大量的研究集中在理論教學的改革探索，針對新能源方向的實驗教學改革研究較少。而作為新能源應用型人才培養為目標的材料物理專業要求學生掌握太陽能電池光伏材料及組件和鋰離子電池電極材料的制備、加工、組裝等方面的專業知識及技能。硅基太陽能電池材料的性能檢測和太陽能電池的性能測試等實驗已經較為成熟和完善［9-10］，并且開設的相關實驗課程也較多，但是太陽能電池組件的封裝相關實驗研究較少，大部分學校尚未開設太陽能電池組件封裝實驗。由于單個硅基太陽能電池片的強度較低，容易破碎，電池片上的銀電極長期暴露在空氣中會受到水分和空氣的腐蝕，需要對電池片進行保護［11-12］。另外，單個太陽能電池片的輸出電壓很小，需要進行串并聯后使用，因此必須將太陽能電池片封裝成組件，才能對外供電。為了使材料物理專業的本科生更好地掌握太陽能光伏產業的相關生產工藝過程，特別是太陽能電池組件封裝的生產工藝過程，具備生產一線的相關技能，本綜合實驗設計小型硅基太陽能電池組件的封裝工藝實驗，有目的地鍛煉學生的動手實踐能力和理論與實踐相結合的能力，發現問題、分析問題、解決問題的能力，以及創新意識和創新能力。

1 實驗材料

太陽能電池片：硅基太陽能電池片（上海隨贏光伏科技有限公司），前蓋板：光伏鋼化玻璃（厚度3mm，河南裕鑫隆昌溫室工程有限公司），黏結劑：乙烯聚醋酸乙烯醋（EVA，LG EA28025，東莞市友泰工程塑料有限公司），背板：聚酯透明背板（蘇州中來光伏新材股份有限公司），互聯條和匯流條（鍍錫銅帶，太倉巨仁光伏材料有限公司），光伏組件用接線盒（溫州史陶比智能設備有限公司，KSD-12A），硅膠（邁圖硅膠，TES-392）。

2 實驗設備

控溫型電烙鐵（SS-936H，中國臺灣寶工實業股份有限公司）、小型太陽能電池層壓機（YBCYJ，秦皇島市億貝科技有限公司）。

3 實驗過程

3.1 實驗準備

（1）實驗操作前需要學生分組，并根據太陽能電池片的大小，討論設計小型太陽能電池組件的形狀，列出所需材料的清單，根據清單申領材料。

（2）根據設計的太陽能電池組件的大小將光伏鋼化玻璃、黏結劑EVA和聚酯透明背板剪裁為合適的大小，其中一個太陽能電池組件需要剪裁兩片大小合適的EVA黏結劑。

（3）根據所需太陽能電池片的個數及電池片的大小，剪裁長度合適的互連條和匯流條數根，其中互連條的長度為電池片寬度的2倍，匯流條根據需要進行剪裁。

3.2 電池片的單焊

太陽能電池組件封裝的第一道工序為單焊，也就是正面焊接。每一片太陽能電池片都需要進行單焊，操作過程為：選取與太陽能電池片上的主柵線數量相同的互連條，然后進行太陽能電池片的單焊，由于互連條為鍍錫銅帶，所以采用恒溫電烙鐵將互連條焊接在太陽能電池片正面的主柵線電極（也就是負極）上，其中電烙鐵的溫度設置為260℃。在進行焊接時，需要注意前后使用大小均勻的力度，避免用力過大或過小。用力過大容易將太陽能電池片壓碎或產生微裂紋，用力過小將產生虛焊現象。為了防止電池片上留有指紋和汗漬，在操作的過程中需要戴上硅膠指套。學生根據自己設計的太陽能電池組件的形狀，焊接不同數量的單焊電池片。單焊工序完成后，需用手沿45°左右方向輕提互連條進行檢驗，互連條不脫落即完成一片電池片的單焊。單焊時需要注意把握焊接時間，盡量一次完成，以免形成堆錫。

3.3 電池片的串焊

太陽能電池片的單焊完成后，將進行太陽能電池的串焊工序，也就是背面焊接。用恒溫電烙鐵將每一片電池片上伸出的互連條焊接在另一片電池片的背面電極（正極）上，并依次進行焊接，最終形成一個電池串，并在電池串的正、負極引出引線。在進行背面焊接時，應確保每一片電池片之間的距離相同。同樣，在串焊的過程中，也應避免用力過大或過小，出現破片或堆錫現象，從而造成返工。如果出現上述現象，需要及時進行返修，不可進入下一道工序。

3.4 疊層和層壓

太陽能電池串焊完成后，需要用匯流條將正負極引出的引線采用恒溫電烙鐵焊接在一起，形成太陽能電池組件的正負極。下一道工序是進行疊層，在進行疊層前需要按設計的電池組件的大小裁剪出合適的光伏鋼化玻璃1塊、黏結劑EVA2片和聚酯透明背板1塊。將串焊好的太陽能電池串、光伏鋼化玻璃、黏結劑EVA和聚酯透明背板按下圖的順序依次從上到下鋪設好，進行層壓前的準備工作。在鋪設的過程中為了保證電池串與EVA等材料的位置在層壓過程中保持不變，采用少量的透明膠帶對電池串進行固定。在操作過程中應注意避免用力過大，造成電池片破碎。另外，匯流條的正負極需要引出到太陽能電池組件的外部，因此需要在電池串背面的黏結劑EVA和聚酯透明背板上合適的位置切開一個小口，并將匯流條的正負極引線從小口穿出組件的外面。需要注意的是這個小的切口不能過大或過小，過大將造成組件密封不嚴，過小匯流條的引線將不能穿出。

在疊層工序過程中，需要預先將層壓機打開進行預熱。疊層工序完成后，將層壓準備好的太陽能電池組件放入預熱好的層壓機內，進行層壓工序。層壓是太陽能電池組件封裝中的關鍵步驟，主要是在真空中進行加熱，使黏結劑EVA熔化，將光伏鋼化玻璃與電池串，電池串與聚酯透明背板牢固地黏結在一起。開始層壓時，首先需要將層壓機進行抽真空的操作，然后設置層壓溫度為150℃，層壓時間為25min，進行層壓。層壓完成后需等太陽能電池組件降溫冷卻至室溫后再取出，以免燙傷，層壓完成后需要進行人工檢測。

3.5 固化修邊

層壓時由于壓力的作用使黏結劑EVA熔化后向組件外部延伸，最終在降溫后固化形成毛邊，因此層壓工序完畢后，需要進行修邊工序。這一工序為采用美工刀將逸出的毛邊切除，得到具有光滑邊緣的組件。在修邊的過程中應注意避免切傷。

3.6 安裝接線盒

固化修邊后，組件生產的下一道工序是安裝接線盒，接線盒的作用是便于太陽能電池組件之間的串并聯連接，只需插頭插入相鄰組件的接線口就可以。這一工序的具體操作是將密封用硅膠涂在接線盒的周圍，然后將接線盒粘在太陽能電池組件引出的電極線的周圍，使它牢固后，采用恒溫電烙鐵將引出的匯流條（正負極）焊接在接線盒相應的電極上，再采用密封膠對接線盒進一步密封，最后蓋上接線盒的蓋子。

由于太陽能電池組件的形狀和尺寸是學生自己設計的，所以無法采購合適的邊框，因此綜合實驗的硅基太陽能電池組件封裝就進行到安裝接線盒這一工序。

3.7 太陽能電池組件封裝質量的檢測

在工廠生產太陽能電池組件的過程中，太陽能電池組件的檢測采用人工和EL（電致發光）測試相結合。目前在實驗室中，以現有的條件，主要進行人工檢測，根據硅基太陽能電池組件封裝綜合教學實驗，學生最終得到了一個小型的太陽能電池組件。人工檢測主要包括：首先檢查每個電池片之間的距離是否相同，且電池片之間的上下距離是否相同。然后檢查互連條和電池片之間的焊接是否存在脫落現象，堆錫現象，電池片中是否存在裂紋等缺陷，這些因素都會影響太陽能電池組件的性能。

經過人工檢測發現，由于學生是初次動手制造太陽能電池組件，其焊接和層壓的質量參差不齊。容易出現以下問題：（1）單焊時出現堆錫現象，主要是由于焊接時沒有一次性完成，而在某些地方出現了長時間的停頓；（2）虛焊現象，互連條和電池片上面的主柵線之間出現氣鼓，這可能是由于焊接時前后力度不均勻所導致；（3）太陽能電池片之間的距離有大有小，在生產車間是通過設計同距離的模板來保證電池片之間的距離，在實驗室主要依靠學生自己采用尺子測量或者肉眼判斷，因此，出現了距離不一的情況；（4）層壓后出現電池片碎裂，這可能是由于在焊接過程中電池片已經部分碎裂或者存在微裂紋，致使在層壓過程中加載壓力時，出現嚴重的碎裂。因此，針對以上問題，在太陽能電池封裝過程中應注意以下幾點：（1）無論是單焊還是串焊，在焊接時都需要注意使用的力度大小，并一次性完成焊接過程；（2）可以自己設計相應的模板來保證太陽能電池片之間的距離相同；（3）在層壓前進行檢測電池片是否存在裂紋，如果有裂紋的話，及時進行更換和檢修。

結語

通過硅基太陽能電池組件封裝綜合教學實驗，學生最終制造出了自己設計的太陽能電池組件，并進行了人工檢測，找出封裝組件中存在的問題，利用所學知識分析了產生這些問題的原因，并提出解決方案。一方面能夠提高學生的專業認同感和成就感，另一方面也提高了學生的動手實踐能力，提出問題、分析問題、解決問題的能力和理論與實踐相結合的能力，達到應用型人才培養目標的要求。

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基金項目：2019年河南省高等學校青年骨干教師培養計劃（2019GGJS244）；2021年洛陽理工學院教學研究項目（2021JYYB-055）；洛陽理工學院課程思政樣板課程一般項目“太陽能光伏學”

通訊作者：李繼利（1985—），女，漢族，河南孟津縣人，工學博士，副教授，研究方向：新能源材料與器件；

付芳（1982—），女，漢族，河南洛陽人，工學博士，副教授，研究方向：新能源材料與器件。