硅基太阳能电池组件封装综合教学实验设计

李继利　付芳

摘要：结合洛阳理工学院高水平应用技术大学建设和应用型人才培养目标，设计开发了新能源相关专业的“硅基太阳能电池组件封装”综合性开放实验，详细描述了实验的内容和过程。通过实验，学生最终制造出了自己设计的太阳能电池组件产品，使学生获得了专业的认同感和成就感。并且与理论教学相结合，使学生牢固地掌握太阳能电池组件的封装相关知识和生产技能，同时，能够最大限度地调动学生学习的主动性和积极性。太阳能电池组件的尺寸与形状由学生自己进行设计，一定程度上也提高了学生的创新意识和创新能力。

关键词：硅基太阳能电池；组件封装；性能测试；综合实验教学

中图分类号：G642.0文献标识码：A

进入21世纪以来，科学技术迅猛发展，全球经济爆发式增长，人们对能源的需求日益增加。以煤、石油、天然气为主的不可再生能源消耗殆尽，引发世界范围内的能源危机。另外，化石燃料的燃烧，排放出大量温室气体和其他污染物，使全球气候变暖，环境严重污染，对人类的生存产生极大威胁。世界各国都在致力于尋求一种可再生的清洁能源来替代不可再生能源，如太阳能、风能和水能等。新能源行业迎来前所未有的发展机遇［1-4］，因此对人才的需求也日益迫切，很多企业都开始进行战略性的人才储备。从2010年开始，我国在高等院校中逐渐增设了新能源相关专业，截止2021年共有近百所高校开设了新能源专业［5-6］。与此同时，一些地方高校在应用型高校转型时，也将新能源方向确定为一些传统专业的特色方向，进行新能源行业相关应用型人才的培养。例如，洛阳理工学院的材料物理专业［7］，在应用型高校转型发展过程中，为了适应我国产业结构调整及高新技术产业的发展，为河南省经济社会发展提供人才和智力支持，以应用型人才培养为目标，经过多年的建设和发展，形成了太阳能电池光伏材料和锂离子电池材料两大新能源相关专业特色办学方向。洛阳理工学院材料物理专业始终坚持“地方性、行业性、应用型”的办学定位，以硅光伏、锂离子电池材料为重点专业方向，突出新能源材料特色，将专业发展为与地方产业相关的应用型专业；立足洛阳，面向河南，辐射中原，为生产服务一线培养应用型人才，为地方经济社会发展培养高层次人才。

由于建设时间不长，整个新能源专业方向的理论教学和实践教学都需要进行深入的研究与探索［8］。并且目前大量的研究集中在理论教学的改革探索，针对新能源方向的实验教学改革研究较少。而作为新能源应用型人才培养为目标的材料物理专业要求学生掌握太阳能电池光伏材料及组件和锂离子电池电极材料的制备、加工、组装等方面的专业知识及技能。硅基太阳能电池材料的性能检测和太阳能电池的性能测试等实验已经较为成熟和完善［9-10］，并且开设的相关实验课程也较多，但是太阳能电池组件的封装相关实验研究较少，大部分学校尚未开设太阳能电池组件封装实验。由于单个硅基太阳能电池片的强度较低，容易破碎，电池片上的银电极长期暴露在空气中会受到水分和空气的腐蚀，需要对电池片进行保护［11-12］。另外，单个太阳能电池片的输出电压很小，需要进行串并联后使用，因此必须将太阳能电池片封装成组件，才能对外供电。为了使材料物理专业的本科生更好地掌握太阳能光伏产业的相关生产工艺过程，特别是太阳能电池组件封装的生产工艺过程，具备生产一线的相关技能，本综合实验设计小型硅基太阳能电池组件的封装工艺实验，有目的地锻炼学生的动手实践能力和理论与实践相结合的能力，发现问题、分析问题、解决问题的能力，以及创新意识和创新能力。

1 实验材料

太阳能电池片：硅基太阳能电池片（上海随赢光伏科技有限公司），前盖板：光伏钢化玻璃（厚度3mm，河南裕鑫隆昌温室工程有限公司），黏结剂：乙烯聚醋酸乙烯醋（EVA，LG EA28025，东莞市友泰工程塑料有限公司），背板：聚酯透明背板（苏州中来光伏新材股份有限公司），互联条和汇流条（镀锡铜带，太仓巨仁光伏材料有限公司），光伏组件用接线盒（温州史陶比智能设备有限公司，KSD-12A），硅胶（迈图硅胶，TES-392）。

2 实验设备

控温型电烙铁（SS-936H，中国台湾宝工实业股份有限公司）、小型太阳能电池层压机（YBCYJ，秦皇岛市亿贝科技有限公司）。

3 实验过程

3.1 实验准备

（1）实验操作前需要学生分组，并根据太阳能电池片的大小，讨论设计小型太阳能电池组件的形状，列出所需材料的清单，根据清单申领材料。

（2）根据设计的太阳能电池组件的大小将光伏钢化玻璃、黏结剂EVA和聚酯透明背板剪裁为合适的大小，其中一个太阳能电池组件需要剪裁两片大小合适的EVA黏结剂。

（3）根据所需太阳能电池片的个数及电池片的大小，剪裁长度合适的互连条和汇流条数根，其中互连条的长度为电池片宽度的2倍，汇流条根据需要进行剪裁。

3.2 电池片的单焊

太阳能电池组件封装的第一道工序为单焊，也就是正面焊接。每一片太阳能电池片都需要进行单焊，操作过程为：选取与太阳能电池片上的主栅线数量相同的互连条，然后进行太阳能电池片的单焊，由于互连条为镀锡铜带，所以采用恒温电烙铁将互连条焊接在太阳能电池片正面的主栅线电极（也就是负极）上，其中电烙铁的温度设置为260℃。在进行焊接时，需要注意前后使用大小均匀的力度，避免用力过大或过小。用力过大容易将太阳能电池片压碎或产生微裂纹，用力过小将产生虚焊现象。为了防止电池片上留有指纹和汗渍，在操作的过程中需要戴上硅胶指套。学生根据自己设计的太阳能电池组件的形状，焊接不同数量的单焊电池片。单焊工序完成后，需用手沿45°左右方向轻提互连条进行检验，互连条不脱落即完成一片电池片的单焊。单焊时需要注意把握焊接时间，尽量一次完成，以免形成堆锡。

3.3 电池片的串焊

太阳能电池片的单焊完成后，将进行太阳能电池的串焊工序，也就是背面焊接。用恒温电烙铁将每一片电池片上伸出的互连条焊接在另一片电池片的背面电极（正极）上，并依次进行焊接，最终形成一个电池串，并在电池串的正、负极引出引线。在进行背面焊接时，应确保每一片电池片之间的距离相同。同样，在串焊的过程中，也应避免用力过大或过小，出现破片或堆锡现象，从而造成返工。如果出现上述现象，需要及时进行返修，不可进入下一道工序。

3.4 叠层和层压

太阳能电池串焊完成后，需要用汇流条将正负极引出的引线采用恒温电烙铁焊接在一起，形成太阳能电池组件的正负极。下一道工序是进行叠层，在进行叠层前需要按设计的电池组件的大小裁剪出合适的光伏钢化玻璃1块、黏结剂EVA2片和聚酯透明背板1块。将串焊好的太阳能电池串、光伏钢化玻璃、黏结剂EVA和聚酯透明背板按下图的顺序依次从上到下铺设好，进行层压前的准备工作。在铺设的过程中为了保证电池串与EVA等材料的位置在层压过程中保持不变，采用少量的透明胶带对电池串进行固定。在操作过程中应注意避免用力过大，造成电池片破碎。另外，汇流条的正负极需要引出到太阳能电池组件的外部，因此需要在电池串背面的黏结剂EVA和聚酯透明背板上合适的位置切开一个小口，并将汇流条的正负极引线从小口穿出组件的外面。需要注意的是这个小的切口不能过大或过小，过大将造成组件密封不严，过小汇流条的引线将不能穿出。

在叠层工序过程中，需要预先将层压机打开进行预热。叠层工序完成后，将层压准备好的太阳能电池组件放入预热好的层压机内，进行层压工序。层压是太阳能电池组件封装中的关键步骤，主要是在真空中进行加热，使黏结剂EVA熔化，将光伏钢化玻璃与电池串，电池串与聚酯透明背板牢固地黏结在一起。开始层压时，首先需要将层压机进行抽真空的操作，然后设置层压温度为150℃，层压时间为25min，进行层压。层压完成后需等太阳能电池组件降温冷却至室温后再取出，以免烫伤，层压完成后需要进行人工检测。

3.5 固化修边

层压时由于压力的作用使黏结剂EVA熔化后向组件外部延伸，最终在降温后固化形成毛边，因此层压工序完毕后，需要进行修边工序。这一工序为采用美工刀将逸出的毛边切除，得到具有光滑边缘的组件。在修边的过程中应注意避免切伤。

3.6 安装接线盒

固化修边后，组件生产的下一道工序是安装接线盒，接线盒的作用是便于太阳能电池组件之间的串并联连接，只需插头插入相邻组件的接线口就可以。这一工序的具体操作是将密封用硅胶涂在接线盒的周围，然后将接线盒粘在太阳能电池组件引出的电极线的周围，使它牢固后，采用恒温电烙铁将引出的汇流条（正负极）焊接在接线盒相应的电极上，再采用密封胶对接线盒进一步密封，最后盖上接线盒的盖子。

由于太阳能电池组件的形状和尺寸是学生自己设计的，所以无法采购合适的边框，因此综合实验的硅基太阳能电池组件封装就进行到安装接线盒这一工序。

3.7 太阳能电池组件封装质量的检测

在工厂生产太阳能电池组件的过程中，太阳能电池组件的检测采用人工和EL（电致发光）测试相结合。目前在实验室中，以现有的条件，主要进行人工检测，根据硅基太阳能电池组件封装综合教学实验，学生最终得到了一个小型的太阳能电池组件。人工检测主要包括：首先检查每个电池片之间的距离是否相同，且电池片之间的上下距离是否相同。然后检查互连条和电池片之间的焊接是否存在脱落现象，堆锡现象，电池片中是否存在裂纹等缺陷，这些因素都会影响太阳能电池组件的性能。

经过人工检测发现，由于学生是初次动手制造太阳能电池组件，其焊接和层压的质量参差不齐。容易出现以下问题：（1）单焊时出现堆锡现象，主要是由于焊接时没有一次性完成，而在某些地方出现了长时间的停顿；（2）虚焊现象，互连条和电池片上面的主栅线之间出现气鼓，这可能是由于焊接时前后力度不均匀所导致；（3）太阳能电池片之间的距离有大有小，在生产车间是通过设计同距离的模板来保证电池片之间的距离，在实验室主要依靠学生自己采用尺子测量或者肉眼判断，因此，出现了距离不一的情况；（4）层压后出现电池片碎裂，这可能是由于在焊接过程中电池片已经部分碎裂或者存在微裂纹，致使在层压过程中加载压力时，出现严重的碎裂。因此，针对以上问题，在太阳能电池封装过程中应注意以下几点：（1）无论是单焊还是串焊，在焊接时都需要注意使用的力度大小，并一次性完成焊接过程；（2）可以自己设计相应的模板来保证太阳能电池片之间的距离相同；（3）在层压前进行检测电池片是否存在裂纹，如果有裂纹的话，及时进行更换和检修。

结语

通过硅基太阳能电池组件封装综合教学实验，学生最终制造出了自己设计的太阳能电池组件，并进行了人工检测，找出封装组件中存在的问题，利用所学知识分析了产生这些问题的原因，并提出解决方案。一方面能够提高学生的专业认同感和成就感，另一方面也提高了学生的动手实践能力，提出问题、分析问题、解决问题的能力和理论与实践相结合的能力，达到应用型人才培养目标的要求。

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［12］郭连贵，周青，张洪涛.太阳能光伏学［M］.北京：化学工业出版社，2012.

基金项目：2019年河南省高等学校青年骨干教师培养计划（2019GGJS244）；2021年洛阳理工学院教学研究项目（2021JYYB-055）；洛阳理工学院课程思政样板课程一般项目“太阳能光伏学”

通讯作者：李继利（1985—），女，汉族，河南孟津县人，工学博士，副教授，研究方向：新能源材料与器件；

付芳（1982—），女，汉族，河南洛阳人，工学博士，副教授，研究方向：新能源材料与器件。