&6.6.1光伏组件的寿命晶体硅光伏组件的退化机制旁路二极管的退化旁路二极管，被用来克服错配问题的元件，其本身也同样会出现问题，通常是
由于规格不匹配而导致过热。如果二极管的温度能保持在128°C以下，这个问题将能减到最小。封装的退化带有紫外线吸收和其它稳定材料
的封装零部件能够保证组件的长寿命。然而，侵蚀和扩散同样会引起缓慢损耗，一旦浓度下降到一个关键水平，则封装材料就将迅速退化。特别是E
VA层发生褐变并伴随着乙酸的产生时，将会引发阵列输出功率的整体下降，尤其是聚光太阳能电池系统。&6.3.1互联效应组件电路的设
计池的电流密度大约在30mA/cm2到36mA/cm2之间。单晶硅电池的面积通常为100cm2，则总的输出电流大约为3
.5A。多晶硅电池组件的电池片面积更大但电流密度较低，因此输出自这些组件的短路电流通常为4A左右。但是，多晶硅电池的面积可以有多种
变化，因此电流也可以有多种选择。组件的输出电流和电压并不受温度的影响，但却容易受组件的倾斜角度的影响。如果组件中的所有
太阳能电池都有相同的电特性，并处在相同的光照和温度下，则所有的电池都将输出相等的电流和电压。在这种情况下，光伏组件的IV曲线的形状
将和单个电池的形状相同，只是电压和电流都增大了。则此电路的方程为：式中，N表示串联电池的个数，M为并联电池的个数，IT为电路的
总电流，VT电路的总电压，Io是单个电池的饱和电流，IL是单个电池的短路电流，n是单个电池的理想填充因子，而q、k和T则为常数。由
一系列相同的电池连接而成的总电路的IV曲线如下图所示。N个电池串联，M个电池并联的电路IV曲线。&6.3.2互联效应错配效应
错配损耗是由互相连接的电池或组件没有相同的性能或者工作在不同的条件下造成的。在工作条件相同的情况下，错配损耗是一个相当严
重的问题，因为整个光伏组件的输出是决定于那个表现最差的电池的输出的。例如，在一块电池片被阴影遮住而其它电池则没有的情况下，由那些“
好”电池所产生的电能将被表现差的电池所抵消，而不是用于驱动电路。这反过来还可能会导致局部电能的严重损失，而由此产生的局部加热也可
能引起对组件无法挽回的损失。组件局部被阴影遮住是引起光伏组件错配的主要原因当组件中的一个太阳能电池的参数与其它的明显不同时，错
配现象就会发生。由错配造成的影响和电能损失大小决定于：光伏组件的工作点&6.3.2互联效应错配效应电路的结构布局受影响电
池的参数一个电池与其余电池在IV曲线的上任何一处的差异都将引起错配损耗。下图将展示电池的非理想IV曲线和工作环境。尽管错
配现象可能由电池参数的任何一部分所引起，但是严重的错配通常都是由短路电流或开路电压的差异所引起的。错配的影响大小同时取决于电路的结
构和错配的类型，在下面的几节中我们将有更详细的讨论。.理想太阳能电池和非理想太阳能电池的比较。最大的错配差异是当电压被反向偏
压的时候造成的。反向电压很高时，pn结可能被击穿并联电阻引起的下降电池消耗的能量非理想太阳能电池电池产生的能量电池消耗
的能量串联电阻引起的额外下降理想太阳能电池&6.3.3互联效应串联电池的错配因为大多数光伏组件都是串联形式的，所
以串联错配是人们最常遇到的错配类型。在两种最简单的错配类型中（短路电流的错配和开路电压错配），短路电流的错配比较常见，它很容易被组
件的阴影部分所引起。同时，这种错配类型也是最严重的。对于两个互相串联的电池来说，流过两者的电流大小是一样的。产生的总电压等于每个
电池的电压的总和。因为电流大小需要一致，所以在电流中出现错配就意味着总的电流必须大小等于那个最小的值。串联电池的开路电压错配串
联电池的开路电压错配是一种比较不严重的错配类型。正如下面动画所展示的那样，在短路电流处，光伏组件输出的总电流是不受影响的。而在最大
功率点处，总的功率却减小了，因为“问题”电池产生的能量较少。因为两个电池是串联起来的，所以流经两个电池的电流是一样的，而总的电压则
等于每个电池的电压之和。&6.3.3互联效应串联电池的错配在动画中，电池２输出的电压比电池１低。串联电池的短路电流错配串
联电池的短路电流错配取决于组件所处的工作点，以及电池错配的程度。短路电流错配对光伏组件有重大影响。如下面动画所示，在开路电压处，短
路电流的下降对电池影响相对较小。即开路电压只产生了微小的变化，因为开路电压与短路电流成对数关系。然而，由于穿过电池的电流是一样的，
所以两者结合的总电流不能超过有问题电池的电流，这种情况在低电压处比较容易发生，好电池产生的额外电流并不是被每一个电池所抵消，而是被
问题电池所抵消了（通常在短路电流处也会发生）。总的来说，在有电流错配的串联电路中，严重的功率损失一般发生在问题电池产&6.3.
3互联效应串联电池的错配生的电流小于好电池在最大功率点时的电流的时候，或者当电池工作在短路电流或低电压处时，问题电池的高功
率耗散会对组件造成无法挽回的伤害。这些影响在下面的两个动画都有描述。两个串联电池的电流错配有时会相当严重且非常普遍。串联的电流受
到问题电池的电流限制。动画中，电池２的输出电压比电池１的高。&6.3.3互联效应串联电池的错配两线交点的电流表示串联电路的短
路电流，这是计算串联电池的错配短路电流的一个简单方法。串联电路的短路电流&6.3.4互联效应热点加热“热点加热”现象发生在
几个串联电池中出现了一个问题电池时，如下图所示。如果组件的首尾都连接起来了，来自那些没被阴影遮挡的电池的电能将被问题电池所抵消。
９个电池没被遮挡１０个串联电池一个电池被遮挡如果串联电路的工作电流大小接近于“问题”电池的短路电流，电路总电流将受到问题电
池的限制。则好电池产生的额外电流（比问题电池高出的那部分电流）将变成好电池的前置偏压。如果串联电池被短路，则所有好电池的前置偏压都
将变成问题电池的反向电压。当数量很多的串联电池一起把前置偏压变成问题电池的反向电压时，在问题电池处将会有大的能量耗散，这就是热点加
热现象。基本上所有好电池的总的发电能力都被问题电池给抵消了。巨大的能量消耗在一片小小的区域，局部过热就会发生，或者叫“热点”，它反
过来也会导致破坏性影响，例如电池或玻璃破碎、焊线熔化或电池的退化。电路中，一个被阴影遮住的电池减少了电路电流，使得好电池提高电压
，并常常导致“问题”电池的电压反置。&6.3.4互联效应热点加热问题电池的热耗散导致组件的破碎。&6.3.5互联效应旁路
二极管通过使用旁路二极管可以避免热点加热效应对组件造成的破坏。二极管与电池并联且方向相反，如下面动画所示。在正常工
作状态，每个太阳能电池的电压都是正向偏置的，所以旁路二极管的电压为反向偏置，相当于开路。然而，如果串联电池中有一个电池因此发生错配
而导致电压被反向偏置，则旁路二极管就会立即导通，因此使得来自好电池的电流能流向外部电路而不是变成每个电池前置偏压。穿过问题电池的最
大反向电压将等于单个旁路二极管的管压降，由此限制了电流大小并阻止了热点加热。旁路二极管的工作状态和它对IV曲线的影响都在下面的动画
中展示。&6.3.5互联效应旁路二极管要测算出旁路二极管对IV曲线的影响，首先找出单个太阳能电池（带有旁路二极管）的
IV曲线，然后与其它电池的IV曲线相结合。旁路二极管只在电池出现电压反向时才对电池产生影响。如果反向电压高于电池的膝点电压（kne
evoltage）,则二极管将导通并让电流流过。下图将展示结合之后的IV曲线。连接旁路二极管的电池没接旁路二极管的电池接有
二极管的电池的IV曲线。二极管能阻止热点加热。为了便于观测，图中使用了10个电池，其中9个好电池，一个问题电池。典型的光伏组件由3
6个电池组成，如果没有旁路二极管，错配效应的破坏将更严重，但连接二极管后的影响却比10个电池的更小。然而，实际上如果每个电池都连
接一个二极管的话，成本会很高，所以一般改为一个二极管连接几个电池。穿过“问题”电池的电压大小等于其它串联电池（即与问题电池共享一个
二极管的电池）的前置偏压加上二极管的电压，如下图所示。那些好电池的电压大小决定于问题电池的问题严重程度。例如，如果一个电池完全被阴
影遮住了，那些没有阴影的电池会应短路电流而导致正向电压偏置，而电&6.3.5互联效应旁路二极管压值大约为0.6V。如
果问题电池只是部分被阴影遮住，则好电池中的一部分电流将穿过电路，而剩下的则被用来对每个电池产生前置偏压。问题电池导致的最大功率耗散
几乎等于那一组电池所产生的所有能量。在没有引起破坏的情况下，一个二极管能连接电池的数量最多为15（对于硅电池）。因此，对于通常的3
6电池的光伏组件，需要2个二极管来保证组件不会轻易被“热点”破坏。连接电池组的旁路二极管。穿过好电池的电压大小决定于问题电池的问
题严重程度。右图中，0.5V只是任意取的数值。&6.3.6互联效应并联电池的错配在小的电池组件中，电池都是以串联形
式相接，所以不用考虑并联错配问题。通常在大的光伏阵列中组件才以并联形式连接，所以错配通常发生在组件与组件之间，而不是电池与电池之间
。电池之间并联。穿过每个电池的电压总是相等的，电路的总电流等于每个电池之和。在动画中，电池2的输出电流小于电池1。错配对电流的
影响不大，总的电流总是比单个电池电流高。两个并联电池的电压错配。电池2的电压的增加事实上降低了好电池的开路电压。&6.3.6互
联效应并联电池的错配有个简单的方法可以计算错配并联电池的开路电压，即在坐标图中以电压为自变量画出IV曲线，则两线的交点就是并联
电路的开路电压。&6.3.7互联效应光伏阵列中的错配效应在大型光伏阵列中，单个光伏组件即以串联形式又以并联形式与其它
组件连接。一系列串联的电池或组件叫“一串”。串联与并联相结合可能会导致光伏阵列中出现几个问题。一个潜在的问题来自于“一串”电池中的
一个发生了开路。则来自这串电池的电流要小于组件中其余的电池串。这种情况与串联电路中有一个电池被阴影遮挡的情况相似，即输出自整个电池
组的能量将会下降。如下图所示。大型光伏阵列中的潜在错配效应。尽管所有的组件都是一样的，且阵列中没有电池被阴影遮住，但仍然可能出现
热点加热现象。开路来自并联电路的电流减小了1/4左边的阵列在电路结构上相当与右边的电路，即右边的每个电池的电压等于左边每个电
池的2倍，电流为4倍。&6.3.7互联效应光伏阵列中的错配效应如果旁路二极管的额定电流与整个并联电路的输出电流大小
不匹配的话，则并联电路的错配效应同样会导致严重的问题。比如，由串联组件组成的并联电路中，每个串联组件的旁路二极管也以并联形式连接，
如下图所示。串联组件中的一个错配将会导致电流从二极管流过，从而加热二极管。然而，加热二极管会减少饱和电流和有效电阻，以至于组件中的
另一串电池也受影响。电流可能将流过组件中的每一个二极管，但也一定会流过与二极管相连的那一串电池。则这些旁路二极管变得更热，将大大降
低它们的电阻并提高电流。如果二极管的额定电流小于电池组件的并联电流，二极管将会被烧坏，光伏组件也将会损坏。旁路二极管的一侧的电阻
可能更低低电阻导致大电流被遮挡的组件并联组件中的旁路二极管。&6.3.7互联效应光伏阵列中的错配效应除了使用旁
路二极管来阻止错配损失外，通常还会使用阻塞二极管来减小错配损失。阻塞二极管，如下图所示，通常被用来阻止晚上蓄电池的电流流到光伏阵列
上。在互相并联的组件中，每个组件都串联一个阻塞二极管。这不仅能降低驱动阻塞二极管的电流，还能阻止电流从一个好的电池板流到有问题的电
池板，也因此减小了并联组件的错配损失。阻塞二极管在并联组件中的作用。问题电池组的阻塞二极管阻止了电流从旁边的电池组流向问题电池
组。阻塞二极管旁路二极管&6.4.1温度效应光伏组件的温度太阳能电池封装进光伏组件里所产生的一个多余的边际效应
是，封装改变了组件内热量的进出状况，因此增加组件的温度。温度的增加对电池的主要影响是减小电池的输出电压，从而降低输出功率。此外，温
度的增加也会导致光伏组件中出现几个电池恶化，因为上升的温度也会增加与热扩散有关的压力，或者增加恶化率，即每上升10°C恶化量就增加
2个。六电池组件的热成像图片。组件的工作温度决定于组件产生的热量、向外传输的热量和周围环境的温度之间的平衡。而组件产生的热量决
定于组件所在的工作点、组件的光学特性和电池的封装密度。组件向外散发热量可以分为三个过程：传导、对流和辐射。这些散发过程决定于组件材
料的热阻抗、组件的发光特性和组件所处的环境条件（特别是风速），我们将在下面几节中讨论这些因素。&6.4.2温度效应光伏组件的热
生成暴晒在阳光之下的光伏电池即产生热又产生电。对于工作在最大功率点处的商业光伏组件来说，只有10%到15%的太阳光被转换成电，而
剩下的大部分都变成了热。影响组件的热生成的几个因素包括：组件表面的反射组件所处的工作点组件中没有被电池片占据的空白部分对阳光
的吸收组件或电池对低能光（红外光）的吸收太阳能电池的封装密度表面反射被组件表面反射出去的光对电能的产生没有贡献。这些光也被
看作是能量损失的因素，因此要尽量减少。&6.4.2温度效应光伏组件的热生成当然，反射光也不会使组件加热。对于典型玻
璃表面封装光伏组件来说，反射光中包含了大约4%的入射能量。组件的工作点和效率电池的工作点和效率决定了电池吸
收的光子中能转换成电能的数量。如果电池工作在短路电流或开路电压处，则产生的电能为零，即把所有光能都转换成电能。光伏组件
对光的吸收光伏组件中没有被电池片占据的部分同样也会加热组件。吸收和反射的光的比例决定于组件背面的材料和颜色。
红外光的吸收能量低于电池材料禁带宽度的光将不能产生电能，相反会变成热量使电池温度上升。而电池背面的铝线也趋向于
吸收红外光。如果电池的背面没有被铝完全覆盖，则部分红外光将穿过电池并射出组件。太阳能电池的封装因素太阳能电
池经过特殊设计使得它能更有效率地吸收太阳光辐射。电池本身通常能比组件封装材料和电池背表面层产生更多的热量。因此，电池封装材料的增加
也将增加电池单位面积产生的热量.&6.4.3温度效应光伏组件的热损失光伏组件的工作温度是组件所产生的热量与向外界
传输的热量之间的动态平衡。向外界传输热量的过程有三个：传导、对流和辐射。组件表面的空气流动引起热对流组件向外辐射电磁波热传导
发生在热量从一块材料传到另一块材料太阳光加热组件热传导热传导导致热损失是由于光伏组件与其它相互接触的材料（包括周围空气）存在
热梯度。光伏组件向外传导热的能力可以通过电池封装材料的热阻抗和材料结构来描述。热量的传导形式与电路中电流的传导形式很相似。对于热传
导，材料之间的温度差异驱使热量从高温流向低温区域，类似的，因为电路两区域存在电势差才导致电子的流动。因此，温度与热量的关系可以通过
下面的方程给出，这有点类似于流经一电阻的电流与电压的关系。假设材料的构成是均匀一致的，且状态稳定，则热传导与温度之间的方程为：&
6.4.3温度效应光伏组件的热损失ΔT=ΦPheat式中，Pheat指的是光伏组件产生的热量，Φ为发射区表面的热阻抗
，单位为°CW-1，ΔT两种材料之间的温度差。组件的热阻抗决定于材料的厚度和它的热阻率。热阻抗类似于电阻，它的方程为：Φ=L/kA
其中A为传热表面的面积，L为热量在材料中传导的长度，k是单位为Wm-1°C-1的热导率。要测算复杂结构的热电阻，可
以把各个部分的阻抗以串联或并列形式相加。例如，因为组件的前表面和背表面都向外界传输热量，则这两块区域的总阻抗等于它们的各自阻抗并联
相加。此外，电池封装材料与组件玻璃的热阻抗则以串联形式相加。对流热对流就是从组件表面流过的物质把组件表面的热量带走
。对于光伏组件，热对流是由组件表面的吹过的风引起的。这个过程所传输的热量可以由下面方程表示：Pheat=
hAΔTA表示两种材料接触的面积，h为热对流率，单位为Wm-2°C-1，ΔT两种材料之间的温度差。与热传导过程不同，直接计
算h的过程非常复杂，通常是通过实验测算出来。辐射组件向外部环境传输热量的最后一种方式是向外辐射电磁波。像
黑体辐射一节所讨论的那样，任何物体都会向外辐射电磁波，辐射的波由温度决定。黑体辐射的功率强度由下面方程给出：
P=σT4式中。P为光伏组件产生的热能，σ斯特潘-波尔兹曼常数，T为电池组件的温度，单位为K。然而
，光伏组件并不是一个理想的黑体，所以要计算非理想黑体的辐射话，需要引入一个叫发射率ε的参数。作为完美发射体的黑体，它的发射率能达到
1。一个物体的发射率一般可以通过它的吸收特性测量出来，因为这两种特性非常相似。例如金属，吸收率很低，同样发射率也很低，通常只有0.
03.引入发射率之后的方程变为：P=εσT4组件热量的净损失等于组件向外辐射的热量与外部环境向
组件辐射的热量的差，即P=εσ（T4sc-T4amb）其中Tsc为电池的温度，Tamb为电池外部环境的温度
，其它的则为常量。&6.4.3温度效应光伏组件的热损失&6.4.4温度效应电池的额定工作温度在1kW/m2的
光照下，光伏组件的典型温度大约为25°C。然而，在实际的光伏发电站中，电池通常在温度更高且光强更低的环境工作。为了估算出太阳能电池
的功率输出，关键的一步是要测算出光伏组件可能的工作温度。电池额定工作温度（NOCT）被定义为在下列条件下，开路时电池的温度：
电池表面的辐照度=800W/m2空气温度=20°C风速=1m/s衬底=背面向外敞开
关于组件与空气之间太阳辐射和温度的差异的方程，显示了在风速一定的情况下，热对流和热传导损失的大小都与太阳辐照度成线性关系（这里
我们假设温度对热阻抗和热传导率影响不大）。下图将分别展示最佳条件、最坏条件和平均条件下的NOCT。最佳情况包括了组件背部安装铝散热
片以降低温度，因为散热片能减小热阻抗同时增大表面的对流面积。&6.4.4温度效应电池的额定工作温度组件与外部环境的温度差随着
太阳光照强度的增加而变大。最好的组件、最差的组件以及典型的组件的额定工作温度NOCT分别为33°C、58°C和48°C。计算电池
温度的近似方程为：式中，S=光强，单位mW/cm2.风速更高时，组件温度将会下降，反之，当风速为零时
温度将更高。&6.4.4温度效应电池的额定工作温度组件设计对NOCT的影响组件设计，包括组件材料和封装
密度，是影响NOCT的主要因素。例如，低封装密度和低热阻抗的背表面能够使组件温度降低5°C。安装条件的影响
热传导和热对流都很容易受到光伏组件安装条件的影响。当组件背面不能与外界环境传输热量时（比如，电池组件直接安放在地面上，中间不留有空
隙），其热阻抗可能为无限大。类似的，在这种安装条件下，组件表面的热对流也将受到限制。因此，当光伏组件安装在屋顶时，组件温度通常能提
高10°C。&6.4.5温度效应热膨胀与热压力热膨胀效应是在设计组件时需要考虑的另外一个重要温度效应。温度上升时，使用“应
力环”能调节电池之间的膨胀。电池与电池的间隙将扩大一定距离δ：δ=(αGC-α
CD)ΔT式中αGαC分别是玻璃和电池的膨胀系数，D为电池的宽度，C为电池中心点的距离，如上图所示。通常，电池之间的连接线是成
圆形的（如图），以尽量减小周期应力。连接线一般为双层以防止被这种应力破坏。出来这种互联压力外，几乎所有的组件交界面都会受到与温度有
关的周期应力的影响，且可能最终导致组件脱落。&6.5.6其它需要考虑的因素电力保护和机械保护电绝缘封装系
统必须能够承受得了系统的电势差。金属框架也应该接地因为组件的内部和终端的电势都大大高出大地电势。任何漏到大地上的电流都应尽量减小。
机械保护太阳能组件必须有足够的硬度和刚度以承受正常安装时的应力。如果电池表面的封装材料为玻璃，则玻璃必须通过
钢化，因为组件中心部位的温度要比周围框架区域的温度高。这将在周围产生张力，并有可能导致玻璃破裂。在光伏阵列中，组件必须能够承受其本
身一定程度的弯曲，以及能够承受风流动产生的震动和雪、冰等施加的压力。组件框架可能发生的扭曲。由澳大利亚标准AS4509-199
9设定的标准包括：静负荷—3.9Kpa1小时，力从前表面指向背面（相当于200km/hr的风）动负荷—2.5kpa，从前表面
指向背面，超过2500-10000次（相当于160km/hr的风）冰雹冲击损坏—直径2.5cm速度23.2m/s的冰雹冲击（80
km/hr）&6.6.1光伏组件的寿命晶体硅光伏组件的退化机制因为不需要移动零部件（其它发电系统主要考虑的可靠性问
题），所以光伏组件的工作寿命主要决定于组件材料的稳定性和抵抗被腐蚀的能力。电池制造者们保证寿命能达到20年，这便足以说明现在硅光伏
组件的质量了。尽管如此，还是有几种损坏和退化机制可能会降低功率输出或降低使用寿命。几乎所有的机制都与水侵蚀和温度应力有关。已退化
或损坏的的光伏组件样品。图中显示了水蒸气的侵蚀导致了电池减反射膜退化。可逆转的输出功率减退光伏组件的输出功率减退也可能是由可逆
转的因素导致的。比如，部分表面被从地上长出的树给遮住了，或者表面粘有泥土（光伏组件通常会因表面的泥土而损失大约10%的输出功率）。
一个组件可能已经退化了，或者组件之间的互联可能改变了光伏阵列的工作点。但是，在那些因素被改正后，这些功率退化都是可逆的。&6.6
.1光伏组件的寿命晶体硅光伏组件的退化机制光伏阵列中，组件表面的泥土可能引起错配损耗，或者更大幅度的统一的功率输出损耗。光伏
组件的恶化和退化退化机制即可能是由于时间的流逝而导致整体输出功率的减小，也可能是由于组件中个别太阳能电池的恶化而导致总输出功率的
减小。电池的退化引起电池组件的整体退化的因素：电极接触面积的减小和腐蚀（通常由水蒸气引起）导致RS增加穿过pn结的金属漂移
使Rsh减小减反射膜的退化&6.6.1光伏组件的寿命晶体硅光伏组件的退化机制电池短路短路可能发生在
电池的连接处，如下图所示。短路现象也是在薄膜电池中普遍出现的退化机制，因为薄膜电池的前表面和背面靠的非常近，此外，针孔、腐蚀区域和
损坏区域这些因素一同增加了电池被短路的机会。电池开路尽管剩余的连接点加上互联母线的存在，能使电池继续工作，但是
电池开路依然是普遍存在的退化机制。电池的破碎可以由以下几个因素引起：①热应力②冰雹③制造和封装过程的破坏导致潜在的碎裂，通常在生
产检查时观察不到，但以后会逐渐出现。断裂的电池，图中说明了互联母线是怎样阻止开路现象出现。&6.6.1光伏组件的寿命
晶体硅光伏组件的退化机制互联开路由周期性热应力和风荷载引起的机械疲惫，导致了互联开路现象的发生。组件开路组件之间同样会发生
开路现象，通常在母线或接线盒处。组件短路尽管在出售之前每个组件都经过检测，但是多数的组件短路都是制造缺陷引起的。绝缘物质的风
化讲解导致了绝缘层脱落、碎裂或电化学腐蚀。组件玻璃的破损表面玻璃的破损可能由肆意破坏、热应力、操作失误、风或冰雹的因素引起。
组件脱落组件脱落是早期生产的电池中常见的现象，但现在已经比较少见。通常因键合强度的降低引起，或者因湿气和光热导致老化，或者不同
的热膨胀和湿膨胀引起破坏。UNSW新南威尔士大学UNSW新南威尔士大学&5.3.6硅晶片和衬底多晶硅为了避免晶
界处的过度复合损失，晶界尺寸必须控制在几毫米以上。这也能让电池从前到后扩大单个晶界的规模，减少对载流子流动的阻碍，同时也减小了电池
单位面积上的总晶界长度。这种多晶硅材料被广泛使用在商业太阳能电池制造中。在两个晶粒之间的挂键是很不友善的，它们能降低电池的性能。
多晶硅片&5.3.7硅晶片和衬底非晶硅非晶硅（α-si），是一种结构中有许多不受价键束缚的原子、缺少长程有序排列，
但是制造成本却比多晶硅还低的硅材料。原子排列中缺少长程有序结构是由于“悬挂键”的存在。缺少长程有序结构将严重非晶硅的材料性能。在把
非晶硅材料制成太阳能电池之前，需要对这些悬挂键进行钝化处理。即把氢原子与非晶硅材料结合，使氢原子的比例达到5-10%，让悬挂键处于
饱和状态，因此提高了材料的质量。尽管如此，非晶硅的材料性能与那些晶体硅还是有显著的不同。例如，禁带宽度从晶体硅的1.1
eV上升到了非晶硅的1.7eV，且非晶硅的吸收系数要比晶体硅高的多。此外，大量悬挂键的存在导致了高缺陷密度和低扩散长度额外的悬
挂键额外的悬挂键被氢原子终结非晶硅结构的短程无序影响了它的半导体特性。氢原子终结了额外的悬挂键。平均原子间距的改变以及氢的存在
导致了非晶硅的电特性与多晶硅的不同。&5.3.7硅晶片和衬底非晶硅对于α-Si太阳能电池来说，非晶硅的不同材料性质需
要不同的设计方法。特别是，硅-氢合金的少数载流子的扩散长度远远低于1μm。因此，要获得高的收集效率就必须在pn结耗尽区产生尽可能多
的光生载流子。结果是，耗散区就成为了收集光生载流子最主要的区域。非晶硅的高吸收系数使得电池的材料只有几微米厚，也意味着，比起发射区
和基区来，耗散区的厚度要大得多。本征硅（无掺杂）存在强电场的耗散区a-Si：H太阳能电池示意图。结构不相同，意味着α-Si
和多晶硅太阳能电池的制造技术也不相同。在α-Si和其它薄膜电池的制造技术中，一层非常薄的半导体材料被沉积在玻璃表面或其他便宜的衬底
上。薄膜太阳能电池被运用在许多小型消费产品中，比如计算机、手表以及不是很重要的户外产品。总的来说，薄膜为太阳能电池提供了一种成本非
常低的制造途径。然而，在户外或在含有紫外线的光源下使用的非晶硅电池会有降低效率的可能，因为紫外线会破坏Si-H的价键结构。对薄膜
和其它潜在低成本太阳能电池的研究&5.3.7硅晶片和衬底非晶硅为在使用非晶硅电池时所出现的问题提供了解决办法。结果是
，这一研究为高效率、稳定和低成本太阳能电池的发展做出重要贡献。对于那些能量需求很小以及容易安装电池的消费产品来说，非晶硅电池是一
种理想的选择。手表的整个表面都是太阳能电池片，足以为手表运行提供能量&5.4.1硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池
丝网印刷太阳能电池在1970年代开始发展起来。它们是建立的最好、最成熟的太阳能电池制造技术，且丝网印刷电池在如今的陆地用光伏电
池市场中占据统治地位。这种技术的主要优势就是制造过程相对简单。下面的动画将展示制造丝网印刷太阳能电池的一系列步骤。动画中
展示的制造技术是最简单的一种，现在已经被许多制造商和研究实验室大幅度提高了。&5.4.1硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电
池到了现代，上面所说的制造流程已经有了许多改变，既能获得更高的效率且成本又更低。有些技术还已经被运用到商业制造中，而其
它的则也正在从实验室到生产线的过程中不断改进、提高。磷扩散丝网印刷太阳能电池通常使用简单且均匀的扩散方法以形成发射区，
此区域的掺杂情况都是相同的。要保持低电极电阻，就需要在丝网印刷电极下面的表面掺杂进高浓度的磷。然而，表面高浓度的磷将会导致“死层”
形成，并降低电池的蓝光响应。最新的电池设计能制备更浅的发射区，因此提高电池的蓝光响应。选择性发射区，即金属电极下面进行更高浓度的掺
杂，也已经被研究者提出来了，但依然没有一项被运用到商业制造中。表面制绒以减少反射从单晶硅锭切割下来的晶片很容易通过制
绒来减少表面反射，方法是使用化学试剂在晶片表面刻蚀层金字塔状原子结构。虽然这种刻蚀对单晶硅非常理想，但是它却依赖于正确
的晶体取向，所以对于多晶硅材料的随机取向界面来说，化学刻蚀的效果很有限。于是，人们又研究了许多不同的制绒多晶硅&5.4
.1硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池的方案：使用切割工具或激光在晶片表面进行机械制绒基于缺陷结构而不是晶
面取向的各向同性化学刻蚀各向同性化学刻蚀与光刻掩模技术相结合等离子刻蚀虽然许多制绒多晶硅材料的方法都展示了相当大的
前景，但是至今还没有一项被实施在大规模商业生产线中。减反射膜减反射膜非常有利于不容易制绒的多晶硅材料。二氧化钛（Ti
O2）与氮化硅（SiNx）是两种常见的减反射膜材料。膜的制造适用于简单的技术，如喷洒或化学气相沉积。除了有利于光的吸收外，绝缘膜还
能够使表面钝化，提高电池的电学特性。依靠一种带有切割试剂的粘稠剂对减反射膜进行丝网印刷，金属电极能够腐蚀膜材料并最终与底层的硅相连
接。过程非常简单，且有利于连接浅层的发射区。&5.4.1硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池边界隔离如今有许
多边界隔离技术，比如等离子刻蚀、激光切割或者首先用膜掩盖住边界以阻止扩散的发生。背电极背电极是在一般pn结电池背面用
扩散法或合金法加制一层与基区导电类型相同的重掺杂区，然后再在重掺杂区上面制作金属接触电极，一般为铝电极。衬底丝网印刷
技术已经被使用在许多不同的衬底上。排序的简单化使得丝网印刷技术非常适合于质量较差的衬底，比如多晶硅材料甚至直拉单晶硅。总的趋势是向
衬底面积的扩大化发展，多晶硅晶片达到15x15cm2，厚度达到200μm。&5.4.1硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池
对印刷电池前端电极的镜头特写。在印刷期间，金属贴片穿过丝网，到达没被遮盖的区域。丝网的尺寸觉得了栅条的最小宽度。栅条宽度通常为1
00到200μm。对已经完成丝网印刷的太阳能电池的镜头特写。栅条间距大于有3mm。在包装的时候，在母栅上焊接一个额外的金属接触带
以减少电池串联电阻。&5.4.1硅太阳能电池的制造技术丝网印刷太阳能电池拥有完整丝网印刷的太阳能电池的正面图。由于电池是由多
晶硅制造的，晶粒的不同界面取向清晰可见。多晶硅电池的正方形形状大大简化了电池的包装。拥有完整丝网印刷的太阳能电池的背面图。电池要
么是由Al/Ag粘贴成网格，要么全部由铝构成并形成背面电场，但是需要第二道印刷工序。点击图画可以转换不同的视图。&5.4.2硅太
阳能电池的制造技术制造太阳能电池下面的几幅图将向你展示商业丝网印刷太阳能电池的制造设备。全部图片承蒙欧洲太阳能公司SPA提供。
制造的多晶硅锭的结晶炉。大面积硅板，大约0.5mx0.5m，20cm厚。精确控制冷却液体，能够制造出大晶粒少缺陷的的硅材料。从
结晶炉出来的大块多晶硅锭被切割成10cmx10cm的小砖块。然后小砖块又被切割成同样面积的薄片。&5.4.2硅太阳能电池的制造技
术制造太阳能电池欧洲太阳能公司的生产线。虽然太阳能电池制造需要处在洁净的环境中，但是比起集成电路芯片的制造环境来，还是较为宽松
一些。因此不需要员工穿上全套洁净服。上图为自动上料的扩散炉以及已经掺杂了磷的硅晶片。点击图片能转换不同图片。需要注意的是，图中即
将进入右边扩散炉的晶片都是出自同一块硅锭，它们拥有相似的晶粒分布。&5.4.2硅太阳能电池的制造技术制造太阳能电池自动上料的
扩散炉。使用机器人设备能够提升电池制造的可靠性，并降低成本。丝网印刷的生产线。点击图片能进距离观察蓝色塑料屏下的丝网印刷过程。
&5.4.2硅太阳能电池的制造技术制造太阳能电池先进的丝网印刷机器，使用摄像机来快速准确地排布金属电极网的图案。在完成每个电
池的效率测量工作后，对它们进行排序以尽量减小模块错配。用鼠标点击图片观看另一幅图片。&5.4.2硅太阳能电池的制造技术制造太阳
能电池在进行压片之前排列电池片。&5.4.3硅太阳能电池的制造技术埋电极太阳能电池埋电极太阳能电池是一种高效率的商
业用太阳能电池，其特点是把金属电极镀到激光形成槽内。埋电极技术克服了丝网印刷电极的许多缺点，这也使得埋电极太阳能电池的效率能达到2
5%，比商业丝网印刷电池要高。下图将展示埋电极电池。埋电极太阳能电池，激光刻槽的横截图。氧化物背金属电极埋电极大大增加了金
属栅条的高-宽比例。大的高-宽比意味着能够在接触电极中使用大量的金属，而不需要在表面铺上宽大的金属条。因此，金属栅条的大高-宽比允
许窄的栅条间距，同时保持高的透明度。例如，一块大面积的丝网印刷电池，其被阻挡的光就可能达到10%到15%，而如果使用埋电极结构，则
其损失就只有2%到3%。这样低的光损失能降低光反射并因此提高短路电流。&5.4.3硅太阳能电池的制造技术埋电极太阳能电池部分
激光刻槽的横截图除了具有良好的减反射特性之外，埋电极电池技术还能降低寄生电阻损耗，因为它的金属栅条具有高的高-宽比、栅条的间距适
当，以及良好的金属电极材料。就像在发射区电阻一节中说的那样，之所以埋电极能减少电池的发射区电阻，是因为栅条之间的距离越窄，发射区的
电阻损耗也越小。同时，金属网格的电阻也减小了，因为在激光刻槽中使用的金属量大大增加了，且金属还是电阻率比铝低的铜。此外，由于在半导
体-金属交界面处形成镍硅化物以及它们交界面积的扩大，使得埋电极的接触电阻也比丝网印刷电池的小。总的来说，这些电阻损耗的减小使得大
面积电池拥有高的填充因子。与丝网印刷相比，埋电极电池的金属化方案同样提升了发射区的性能。为了尽量减少电阻损耗，要对丝网印刷电池的
发射区进行重掺杂，而这也导致了电池表面“死层”的出现。因为埋电极结构的发射区电阻很小，所以能够通过优化发射区的&5.4.3硅太阳
能电池的制造技术埋电极太阳能电池掺杂来获得高开路电压和短路电流。此外，埋电极结构还包括了自我对准、自我选择的发射区，
能够因此减小接触复合和提高开路电压。埋电极电池的高效率显著降低了成本，并提高了电池性能。就成本﹩/w而言，埋电极电池与丝
网印刷电池是不相上下的。然而，由于PV系统中包括了与面积相关的成本和固定成本，则效率高的太阳能电池的发电成本更低。埋电极电池技术的
另一个优势是能够在聚光太阳能系统中使用。下面的动画将展示激光刻槽埋电极太阳能电池的制造工序。为了看得更清晰，动画中的电池厚度被扩
大了。&5.4.4硅太阳能电池的制造技术高效率太阳能电池高效率太阳能电池制造的成本比普通硅太阳能电池要高得多，因此通
常使用在太阳能车或空间应用上。Hondadream，1996年世界太阳能汽车挑战赛的冠军车。此车的太阳能电池效率超过20%。
下面将列举，为了获得最高效率，实验室制造硅太阳能电池时所使用的一些技术和工艺特点：在发射区扩散低浓度的磷，既能尽量减小复合损失又
能避免电池表面“死层”的出现。缩窄金属栅条的距离以减小发射区横向电阻的功率损耗。&5.4.4硅太阳能电池的制造技术高效率太
阳能电池非常好的金属栅条，通常小于20μm，以减小阴影损失。打磨或抛光晶片表面后进行激光雕刻并铺上金属网格。小的电池面积和好
的金属导电性，以尽量减小金属网格电阻损失。小的金属接触面积和在金属电极下面进行重掺杂，以尽量减小复合效应。使用精密加工的金属，
如钛/钯/银，尽量降低接触电阻。良好的背面钝化以减少复合。使用减反射膜，能使反射光从30%减少到10%。有些现存的电
池设计也整合了先进的实验室方法。其中有两种方法已经在市场中使用了，如太阳能电池车的PERL电池，由新南威尔士大学制造；还有背电极太
阳能电池，由斯坦福大学和太阳动力公司研发。PERL太阳能电池发射区钝化及背面扩散的太阳能电池--PERL电池使用了微电
子技术使得在AM1.5条件下电池的效率接近25%。钝化发射区指的是在电池表面形成高质量的氧化物，能显著减少表面载流子复合的数量。对
背面进行本地扩散，指的是只在与金属接触的区域掺杂，以在尽量减少复合的同时保持良好的点接触。&5.4.4硅太阳能电池的制造技术
高效率太阳能电池实验室高效率太阳能电池的示意图。PERL电池表面的电子显微镜图像，显示了一根断的金属栅条，栅条总的宽度少于20
μm，而接触部分的宽度为3μm。尽管制造成本很高，但是能生产出效率非常高的电池。太阳能电池车的电池有以下几个特点：面积：22c
m2效率：23.5%Voc：703mVIsc：914mAJsc：41.3mAVmp：600mVFF：0.8
1Imp：868mA太阳能电池的IV曲线&5.4.4硅太阳能电池的制造技术高效率太阳能电池背电极太阳能电
池背电极电池通过把两边电极都放到电池背面的方式来消除阴影损失。由高质量材料制成的薄膜太阳能电池，其在前表面被吸收的光生电
子空穴对依然能被电池的背面电极收集。这种电池在聚光太阳能系统中非常有用，聚光电池系统中的串联电阻要比普通的大很多。把两
种电极都移到背面的另一个好处就是两者之间的相互连接更加容易，栅条之间相距更近，因为必要在电池背面留下空间。二氧化硅钝化层和减反射
膜N型扩散拥有长少数载流子寿命的p型衬底N型扩散负电极P型扩散正电极N型扩散负电极全部电极都在电池的背面，即简化
连接又消除了阴影损失第六章：光伏电池板与系统&6.2电池板设计&6.3互联效应&6.4温度效应&6.5其它问题&6.
6电池板的寿命&6.1简介&6.1简介一块太阳能电池板是由许多单个太阳能电池连接而成的，这样能增加功率输出。电池被封装起来以
阻止来自周围环境的破坏和防止人们触电。然而，电池板设计的几个方面可能会减少功率输出或者降低使用寿命。接下来的几节将讨论电池是怎样被
封装到板块里去的，以及讨论由于电池相互连接和封装而引起的问题。电池互联系统或阵列系统最主要的影响是：不匹配的电池之间的互联引起的
损耗电池板的温度电池板的故障模式&6.2.1电池板的设计电池板的结构一块电池板由许多互相连接的电池（通常为36块
串联着的电池）组成。把互相连接的电池封装起来的主要原因是为了保护它们和它们连接线不受其周围环境的破坏。例如，由于太阳能电池非常的薄
，所以在缺乏保护的情况下很容易受到机械损伤。此外，电池表面的金属网格以及连接每个电池的金属线都有可能受到水或水蒸气的腐蚀。而通过封
装便能阻止这些破坏。比如，非晶硅太阳能电池通常被封装在柔软的版块内，而在偏远地区使用的晶体硅太阳能电池则通常保护在刚硬的玻璃封装内
，一般规定的硅太阳能电池板的使用寿命为20年，可见组件封装的可靠性有多高。典型的晶体硅电池板，为偏远地区供电。&6.2.2电池
板的设计封装的材料大多数晶体硅电池板都是由一块透明表层、一块密封板、背板和围绕外围的框架。通常，透明表层是一层玻璃，密
封层材料是EVA（乙基醋酸乙烯），而背板则是一种Tedlar材料。如下图所示。低铁玻璃前表面材料光伏组件的前端表面必须对那些
能够被电池吸收的光线保持高透明度。对于硅太阳能电池，其前端表面必须能透过波长范围为350nm到1200nm的光。此外，前端表面对光
的反射率必须很低。尽管理论上这些反射可以通过在表面铺上减反射膜来降低，但是实际上，对于大多数光伏组件所处的环境来说，这些膜显然还不
够耐用。取而代之的，是使表面粗糙化或进行制绒。然而，这样会使得尘埃和污染物停留在表面的可能性增大，也没那么容易被风和雨水冲走。这些
组件也因&6.2.2电池板的设计封装的材料此失去了“自我清洁”的功能，减小反射的优势也迅速被表面不断增加的污染物所引
起的损失给抵消了。除了减反射特性和透明特性，顶端表面材料还应该不能透水，应该有好的耐冲击性，应该能在长时间的紫外线照射下
保持稳定，应该有低的热阻抗性。水或水蒸气在渗入金属电极和连接线后会大大降低光伏组件的寿命。大多数的组件的前端表面是用来增加机械强度
和刚度的。对于材料的的种类，可以有几种选择，包括丙烯酸、聚合物和玻璃。其中含铁量低的玻璃是使用最广泛的，因为它成本低、强度好、稳定
、高度透明、不透水不透气同时还有自我清洁功能。密封层密封材料是用来粘附组件中的太阳能电池、前表面和背面的。密封材料应该在高温和强紫外线照射下保持稳定。当然，材料还应该有良好的光透性和低热阻抗。EVA是最常使用的密封材料。EVA板块被镶嵌在太阳能电池-顶端表层-背层之间。之后把这种三明治结构加热到150°C，EVA熔化后把组件的每一层都粘合在一起。背表面层光伏组件的背表面层材料的最关键性质是必须拥有低热阻抗性，同时必须能够阻&6.2.2电池板的设计封装的材料止水和水蒸气的渗入。对于大多数组件，薄的聚合物层特别是Tedlar，是背表面层的首选材料。有些光伏组件被称为双面组件，被设计成电池的正面和背面都能够接收光的照射。在双面电池组件中的前表面和背表面都应该保持良好的光透性。框架电池组件的最后一个结构组成部分是组件的边界或框架。传统的光伏组件通常由铝制成，框架结构应该是平滑无凸起状的，否则会导致水、灰尘或其它异物停留在上面。几种类型的硅光伏组件。&6.2.3电池板的设计封装密度在光伏组件中，太阳能电池的封装密度指的是被电池覆盖的区域面积与空白区域面积的比。封装密度影响着电池的输出功率以及电池温度。而封装密度的大小则取决于所使用电池的形状。比如，单晶硅电池一般为圆形或半方形，而多晶硅电池则通常为正方形。因此，如果单晶硅电池不是切割成方形的话，单晶硅组件的封装密度将比多晶硅的低。有关封装强度的几种选择，包括圆的和方的，在下图有介绍。圆形电池和方形电池的封装密度。当组件中电池排列较稀疏时，露出的空白背面同样能够少量增加电池的输出，因为“零深度聚光”效应的影响，如下图所示。一些射入到电池与电池之间的空白区域和射到电极上的光，被散射后又传到电池表面。玻璃电极密封层（EVA）白色的背表面&6.3.1.互联效应组件电路的设计一块硅光伏电池板是通常是由多块太阳能电池互相串联而成，以提高输出电压和输出电流。光伏组件的输出电压通常被设计成与12伏蓄电池相融的形式。而在25°C和AM1.5条件下，单个硅太阳能电池的输出电压只有0.6V。考虑到由于温度造成的电池板电压损失和蓄电池所需要的充电电压可能达到15V或者更多，大多数光伏组件由36块电池片组成。这样，在标准测试条件下，输出的开路电压将达到21V，在工作温度下，最大功率点处的工作电压大约为17V或18V。剩余的电压包括由光伏系统中的其它因素造成的电压损失，例如电池在远离最大功率输出点处工作和光强变弱。典型的组件由36块电池串联而成在典型的组件中，36块电池串联起来以使输出的电压足以为12V的电池充电虽然光伏组件的电压大小决定于电池的数量，但是组件的输出电流却决定于单个太阳能电池的尺寸大小和它们的转换效率。在AM1.5和最优倾斜角度下，商用电UNSW新南威尔士大学UNSW新南威尔士大学 |
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