层压机.docx
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层压机
论述上海申科的CYY型太阳电池组件封装
自动层压机
一、国内外光伏产业发展情况
如果回到八年前，光伏产业对绝大多数人来讲，还是个相当陌生词汇。
简单地说，光伏产业就是贯穿太阳能发电系统的相关产业。
太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型变电系统。
光伏产业包括太阳能级单晶硅和多晶硅、太阳能多晶硅锭、硅片、太阳电池组件、光伏发电系统和太阳能单晶、多晶生产设备、太阳电池硅片生产设备、太阳电池组件大型封装设备等。
作为清洁的可再生能源，从上使世纪90年代开始，光伏发电系统在美国、德国和日本推广很快，光伏产业得到迅速发展，每年以30％的速度递增。
到2001年世界光伏电池组件产量达到390MW，其中欧洲、美国和日本等十大厂家生产的光伏电池和组件的产量达到336MW。
中国光伏产业在2001年以前几乎没有什么发展，此前四年的太阳电池产量的总和不超过10MW。
具体的概况如下：
1971年，上海航天局811（空间电源）所太阳电池首次应用于卫星，开始了我国太阳电池在空间应用的历史；
1973年，太阳电池首次应用于航标灯；
1979－1980年，由半导体器件厂利用半导体工业废次单晶和半导体器件工艺生产单晶硅太阳电池――我国光伏工业的萌发时期。
1986－1990年，由宁波、开封太阳能电池厂引进关键设备。
云南半导体、秦皇岛华美和深圳大明厂先后引进4条太阳电池单晶硅生产线和组件生产线。
哈尔宾克罗拉和深圳宇康引进2条非晶硅太阳电池生产线，年生产能力为4.5MW，我国光伏产业初步形成。
2000－2003年，在无锡尚德太阳能电力公司、上海太阳能科技有限公司和保定天威英利新能源有限公司相继投产促进下，当时国际市场也正处于德国启动10个屋顶计划前期，欧洲对太阳电池需求猛增，在全球急剧增长的光伏产品需求市场的拉动下，我国光伏产业也得到了快速发展。
到年底，我国有自主产权的晶体硅光伏组件厂家达到20余家，非晶硅电池生产厂家6家，光伏组件年生产能力达到100MW。
2004－2005年世界太阳能光伏产业在技术进步、能源替代、生态环境要求和各国政策法规的出台等因素的推动下快速增长，增加到145.7MW。
2000年－2005年平均增长率为45％。
2005年前世界最大的太阳电池生产国是日本，占45.3％，到2005年年底，世界光伏发电的总装机容量已经超过600万千瓦，其中，德国在2005年的光伏安装量为870MW，占世界市场的47.86％。
我国太阳能电池产量达到45.7MW，其中晶体硅133MW,非晶硅12.7MW。
占世界的第四位。
按照中国可再生能源学会光伏专业委员会的调查和统计，2005年我国光伏产业的总销售额达到约128亿元，其中太阳级硅材料0.4亿元、硅锭/硅片24亿元、太阳电池/组件87亿元、光伏工程3亿元、太阳能庭院灯等光伏应用产品10亿元、设备制造3亿元、其它专用材料0.6亿元，利税总计达到25.6亿元。
2006底，中国光伏企业已经达到500多家，光伏电池生产能力达到120万千瓦，生产总量约45万千瓦；太阳电池/组件年产能达到200万千瓦，产量达到80万千瓦。
中国已一跃成为仅次于日本和德国之后的世界第三光伏生产大国。
约占世界份额的10％，仅次于日本和欧洲。
全国据不完全统计太阳电池单片生产线已经超过35条，组件组装厂家更是达到近百家。
我国太阳电池的产量到2006年底将达到1645.5MW，其中晶硅1601MW、非晶44.5MW。
2007年底中国拥有太阳电池封装企业250家，年封装能力达到380MW。
1990年至2007年，我国光伏产业产能增长760倍。
表一是我国光伏企业在无锡尚德太阳能电力公司的带动下，我国光伏企业在国外股票上市情况的一览表。
表一中国光伏企业国外上市情况
公司
名称
上市
时间
上市
地点
股票
代码
发行
价
融资
总额
无锡尚德太阳
能电力公司
2005年
12月15日
纽约证券
交易所
STP
15美元
4亿美元
浙江昱辉阳光
能源有限公司
2006年
8月8日
伦敦创业板
SOLA
1.5美元
5000万
美元
CSI阿特斯
太阳能有限公司
2006年
11月9日
美国纳斯达克
CSIQ
15美元
1.155亿
美元
常州天合
光能有限公司
2006年
12月19日
纽约证券
交易所
STP
18.5美元
9800
万美元
江苏林洋
新能源有限公司
2006年
12月21日
美国纳斯达克
SOLF
12.5美元
1.5亿
美元
河北晶澳
太阳能有限公司
2007年
2月7日
美国纳斯达克
JASO
15美元
2.25
亿美元
中电电气（南京）光伏公司
2007年
5月17日
美国纳斯达克
CSUN
11美元
9350
万美元
江西赛维LDK
太阳能公司
2007年
6月4日
纽约证券
交易所
LDK
27美元
4.69
亿美元
英利绿色能源
控股有限公司
2007年
6月8日
纽约证券
交易所
YGE
10.8美元
3.19
美元亿
中国江阴浚鑫
科技有限公司
2007年
7月6日
英国伦敦
JHL
1.53欧元
3050
万英镑
二、高纯度多晶硅和光伏电池用硅片
硅是地球上含量最丰富的元素之一，约占地壳质量的25.8％，仅次于氧元素，居第二位。
硅在地球上不存在单质状态，基本上以氧化状态存在于硅酸盐或二氧化硅中，其表现形态为各种各样的岩石，如花岗岩、石英岩等。
硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。
单晶硅材料，是指硅原子在三维空间有规律周期性的不间断排列，形成一个完整的晶体材料，材料性质体现各向异性，即在不同的晶体方向各种性质都存在差异。
多晶硅材料，是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料，它的材料性质体现的是各向同性。
非晶硅材料，是指硅原子在短距离内有序排列,而在长距离内无序排列的硅材料，其材料的性质显示各向同性。
通常硅晶体的晶体结构是金刚石型，有9个反映对称面、6条二次旋转轴、4条三次旋转轴、3条四次旋转轴，其全部对称要素为3L44lL36L29PC。
如果加压到1.5Gpa，硅晶体就会发生结构变化，由金刚石型结构转变为面心立方结构，此时的晶体常数为0.6636nm。
硅材料是应用最广泛的半导体材料元素，具有其它元素不具有的一些材料特性，在室温下它的禁带宽度为1.12eV，基本征载流子浓度为1.45×1010/cm3。
硅材料具有典型的半导体电学性质：
①电阻率特性：
硅材料的电阻率在10－5－1010Ω·cm间，介于导体和绝缘体之间。
其导电性受杂质、光、电、磁、热、温度等环境因素影响明显。
高纯无掺杂的无缺陷的硅晶体材料，称为本征半导体，其电阻率在106Ω·cm以上。
②p-n结构型：
即n型硅材料和p型硅材料结合组成p-n结，具有单向导电性能，这是所有半导体器件的基本结构，
③光电特性：
硅材料组成p-n结后，在光的作用下能产生电流。
1、高纯度多晶硅
多晶硅材料作为半导体器件和太阳电池的关键原材料，对半导体产业及硅太阳电池产业的发展具有举足轻重的作用。
高纯多晶硅是生产制造晶体硅光伏电池的最基本的原材料。
用它首先制成单晶硅锭或铸造多晶硅锭，然后经过切割即成为生产晶体硅光伏电池用的硅片。
1.1单晶硅锭
是生产制造单晶硅光伏电池的原材料。
它通过对高纯度多晶硅的熔化采用熔体直拉（CZ）法或悬浮区熔（FZ）法制取。
其直径约为100∽300mm，长度可达1m以上。
目前在单晶硅的产量中，80%以上是CZ硅，余下约20%则主要是FZ硅。
此法不使用坩埚，可以获得电阻率和纯度都很高的硅单晶；但是其生长的硅单晶的成本高，而且随着硅晶体的大直径化，生长技术也受到限制。
1.2铸造多晶硅（mc-Si）锭
用铸造多晶硅制造的光伏电池，目前已占到光伏电池总产量的53%左右，成为最主要的太阳电池材料。
铸造多晶硅与直拉单晶硅相比，其主要优势是材料利用率高，制备成本低；其缺点是具有晶界、高密度错位、微缺陷和相对较高的杂质浓度，使得晶体的质量明显低于硅单晶，从而降低了光电转换效率。
表二是铸造多晶硅与直拉硅单晶比较表。
表二铸造多晶硅与直拉硅单晶比较表
晶体性质
直拉硅单晶（CZ）
铸造多晶硅（MC）
晶体形态
单晶
多晶
晶体质量
无错位
高密度错位
能耗（KW•h•kg-1）
＞100
约16
晶体大小
约300
＞700
晶体形状
圆形
方形
电池转换率
15-17
14-16
2、光伏电池用硅片
单晶硅锭切割成的硅片用来制造单晶硅光伏电池。
铸造多晶硅切割成的硅片用来制造多晶硅光伏电池。
硅片的加工是包括将硅锭经表面整形、定向、切割、研磨、腐蚀、抛光、清洗等工艺，加工成具有一定直径、厚度、晶向、和高度、表面平行度、平整度、光洁度，表面无缺陷、无崩边、无损伤层、高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。
从生产工艺流程看，有：
切断或开方→去头尾→切片→倒角→研磨→腐蚀→抛光→清洗→检验→包装。
3、光伏电池用硅片的技术要求
3.1导电类型：
在两种导电类型的硅材料中，P型硅常用硼为掺杂元素用以制造n+/p型硅电池；n型硅常用磷或砷为掺杂元素用以制造p+/n型硅电池。
这两种电池的各项参数大致相当，目前国内外大多数采用P型硅材料。
为降低成本，两种材料均可选用；
3.2电阻率：
硅的电阻率与掺杂浓度有关50Ω·cm，光伏电池用硅材料的电阻率相当宽，从0.1-甚至更大均可采用。
在一定范围内，电池的开路电压随硅基体电阻率下降而增加。
在材料电阻率较低时，能得到较高的开路电压，而短路电流略低，但总的效率较高，所以，地面应用宜使用0.5-3.0Ω·cmD硅材料；
3.3晶向、位错、寿命：
光伏电池较多选用111和110晶向生长的硅材料。
对于单晶硅电池，一般都要求无位错和尽量高的寿命。
3.4几何尺寸：
主要有Φ50mm、Φ70mm、Φ100mm、Φ200mm的圆片和100×100mm、125×125mm、156×156mm的方片。
硅片的厚度已由原先的300-450μm降低为当前的200-320μm。
图1是硅片和电池片的外观图。
图
4、太阳电池片生产工艺与工作基本原理
4.1晶体硅电池工艺
生产工艺流程为：
清洗（Cleaning）→扩散（Diffusion）→等离子体刻蚀（Etching）→去磷硅硅相（PSG）→表面减反射膜制备（PECVD）→丝网印刷正反面金属电极（ScreenPrinting）→共烧形成欧姆接触（Firing）→成品电池片测试分档（Test）。
4.2工作基本原理
太阳电池是一种将光能转化为电能的半导体光伏器件，当光照射到扩散后的半导体（硅片）表面时，在pn结处形成电压，通过正反面印刷的电极输出电流。
即所谓的光生伏打效应。
5、太阳电池单片、组件
5.1太阳电池单片
通常太阳电池单片，又称为单体电池。
它的电压、电流和功率都比较小，难以直接使用。
例如，一般晶体硅单片太阳电池在标准光强下，每片的电压只有0.65V左右，电流大型依据其面积而定，通常在38Ma/cm2左右。
因此实际使用时必须将单片电池进行适当的串联和并联，以获得所需要的电压、电流和功率。
5.2太阳电池组件
太阳电池组件就是按照需要的电压、电流和功率，将单片电池进行适当的串联和并联，然后用层压和固化等方法进行透光密秘封装，使之成为一个既能防止太阳电池不受水和湿气等侵蚀，又方便搬运和安装的太阳电池组件（又称模块），见图2。
为保证太阳电池在恶劣的户外环境下能可靠运行，必须对太阳电池组件进行封装，所谓太阳电池封装就是把框架、玻璃盖片、太阳电池精确封装在一起。
封装胶的选取、电极的引出、框架和玻璃盖片材料的选取、胶层厚度等工艺将决定太阳电池的电性能、热性能、光性能、美观性和机械性能，影响光伏组件的可靠性和寿命。
特别是对于与建筑相结合的光伏组件，封装工艺是光伏组件的关键技术之一。
目前国外的光伏组件所采用的封装技术主要有EVA胶膜封装、真空玻璃封装和紫外（UV）固化封装三种。
而目前国内的大多数光伏企业的太阳电池组件均采用的封装技术是EVA胶膜封装技术和工艺，其它两种都在研究和实验中。
EVA胶膜封装是20世纪70年代末80年代初由美国JPL实验室以杜邦公司的Elvax150树脂（醋酸乙烯含量33％）为原料，研制了以EVA为基础的太阳胶膜配方而成功的，其太阳电池组件产品于1981年上市销售。
EVA太阳能电池胶膜封装胶膜配方由EVA（乙烯－醋酸乙烯共聚物）树脂、交联剂、防老化剂和硅烷偶联剂组成，经过层压封装，EVA树脂部分交联，形成具有一定透光率、粘接强度和热稳定性的胶膜。
我们无锡尚德太阳能电力公司也采用此项封装工艺技术。
即为达到隔离大气的目的，采用两片EVA胶膜将太阳电池包装，并和上层玻璃、底层TPT热压粘合为一体，构成太阳电池组件板。
此方法简单易行、非常适合大规模工业化的生产。
因此我公司从2005年6月起到2007年底为止，共购买上海申科科技有限公司生产的CYY－A3200P、CYY-A3200DG、CYYA-3400DG和CYY-A3400DGM太阳电池组件封装层压机15台，全部应用于太阳电池的组件的出口生产中。
它们是我公司太阳电池组件封装生产线中的主力设备，这些设备的优点是以它们的生产高效率、质量的高稳定性和运行的高可靠性。
为我公司的太阳电池组件（尤其是大型太阳电池组件）的生产持续运行，打下了良好的基础。
因此本文主要是论述CYY型太阳电池组件封装层压机设备的品质、可操作性，以及组件封装工艺对其软件的要求和控制的便利性。
三、CYY型太阳电池组件封装层压机基本性能
1、层压机在太阳电池组件生产线工艺过程中的位置
划片送料（送片料和玻璃）单片焊接串联焊接铺设层压冷却输送去边中间检测装炉固化出炉装边框压角输送装接线盒焊引线二极管输送环氧灌封封盖检验贴标签储存、输送太阳能电池成品件打包入库。
2、层压机的用途和工作原理
用途：
是将原料层压和封装成无空隙的复合体。
对太阳电池组件来说，即把铺设好的太阳电池片进行层压封装成组件。
CYY型层压机通过热塑性或热固性薄膜将多层原料粘结在一起。
其工艺处理室的温度、真空度和气压可分开控制，从而为特殊原料和配置提供最佳工艺处理条件。
工作原理：
层压机工作原理是运用平板油温加热和真空加压的方式把两片EVA将太阳电池片包封，并和上层玻璃、底层TPT热压粘合为一体，构成太阳电池组件。
3、设备结构与层压周期
3.1设备结构系统：
层压机是由：
真空室、硅胶扳、热压扳、真空系统、加热控制系统、冷却系统、腔室提升系统、电气控制系统、装载/卸载模块等9个系统组成。
3.1.1真空室
真空室为两片蛤壳设计，耐气压、变形度最小。
腔室两边装有顶升油缸，便于装卸层压材料。
这两半腔室用O形环密封起来，组成一个完整腔室。
3.1.2硅胶板
硅胶板用于给模块施加层压力，通过其周边夹架（胶板压框）支撑，并密封于上腔室内部。
膜片下方的腔室区称作下腔室，而上方部分则称作上腔室。
两腔室的压力均显示在触摸屏上。
如果硅胶板被刺破或其密封破损，层压机则不能正常工作。
维护与故障检修章节对硅胶板的更换作了说明。
3.1.3热压板
热压板是层压机的工作面，其作用是支撑并加热正在被加工处理的模块。
热压板由进、出热油管、热板体和热电偶组成。
热压板的顶面覆有一个特氟纶分离板，这样任何从模块边缘挤压出的熔化密封材料就不会粘在热压板的工作面上。
3.1.4真空系统
真空系统包括真空泵、控制阀和莱宝真空计、量表。
真空泵具有较高的吞吐量，性能优越，位于机器的外部，由真空软管连接于机器上。
配有两个压力传感器，用于对上、下腔室的压力进行测量。
压力传感器的测量结果显示在控制台的触摸屏上。
3.1.5加热控制系统
该设备是采用电加热热油，加热过程由计算机按照工作温度的设定自动控制。
再由高温油泵输送热油循环来加热热板。
加热系统由电脑控制加热，可控硅进行无触点的功率调节。
其过程在触摸屏上“热油箱循环泵”画面处显示其：
功率1-80%，同时点击此画面的右下“急停”按钮，此时加热停止。
3.1.6冷却系统
在卸载输送机下端装有冷却风机进行风冷却。
3.1.7腔室提升系统
腔室提升系统由四个油缸升降系统、液压站和限位组件组成。
四个油缸升降系统用于提升“上腔室”的“上升”和“下降”。
这四套装置通过液压站来驱动，其定位通过限位装置来控制。
3.1.8装载/卸载输送机系统
本设备装备有自动装载/卸载输送机，便于对太阳能电池模块进行搬运。
装载输送机的作用是把太阳能电池模块将放置在装载输送机上传送给层压机。
层压机中的输送机的作用是把模块通过层压机中的薄特氟纶板传送。
该板可以承受200℃以上的温度，它非常薄以至于不会破坏腔室中的真空。
特氟纶板尽量不让EVA粘在其上。
卸载输送机的作用是把模块从层压机中传送出来。
其结构是由带硅橡胶圈的滚筒和活动轴承组成。
橡胶圈能够承受高温模块并轻轻支撑这些模块。
下游输送机出现故障时，操作员通过活动轴承可以很容易地将模块取出。
3.2层压周期：
是一个根据经验确定的层压工艺顺序。
通常的目标是确定最短的顺序，从而在不对任何层压组件造成不良影响的情况下生产出优良的层状体。
层压周期中最为关键的是塑料片密封剂熔化之前的部分。
组件在真空状态下的时间、施用压力的时间、施用压力时的温度，压力大小以及压力持续时间均会对层压质量产生不同效果。
层压机通过程序指令执行完整的层压和固化顺序。
通常有标准固化EVA层压周期：
15到20分钟和快速固化层压周期：
8到12分钟。
另外，对于快速固化EVA，完整的层压和固化周期约持续8到12分钟，无需固化炉。
作为标准或快速固化EVA选择固化周期时，至关重要的是测量层压后EVA凝胶含量以及EVA在另一模块原料（如玻璃和后盖薄膜）上的拉拔强度。
为了确保复合结构不会分层，必须有足够的凝胶和拉拔强度。
表三为我国和日本公司EVA太阳电池胶膜的性能指标，表四是国产EVA太阳电池胶膜的层压固化操作参数（各个企业有自己的工艺参数，仅供参考）
表三
（1）国产杭州福斯特公司EVA主要性能指标
产品类型
快固型
标准型
项目
单位
HZF-L-0306
HZF-L-0303
熔融指数
g/10分钟
30
30
软化点
ºC
62
62
密度
g/cm3
0.96
0.96
比热
J/ºC.g
2.30
2.30
透光率
％
91.0
91.0
交联度
％
80.00
85.00
胶膜与玻璃的剥离强度
N/cm
30
30
胶膜与TPT的剥离强度
N/cm
20
20
耐紫外光老化（UV,100hr）
％
90以上
90以上
耐环境老化（90ºC－40
ºC1000hr）
％
85以上
85以上
表三
（2）日本HI-SHEET公司EVA主要性能指标
产品类型
快固型
标准型
项目
单位
RC01
SC4
熔融指数
g/10分钟
15
30
软化点
ºC
71
63
密度
g/cm3
0.96
0.96
比热
J/ºC.g
2.30
2.30
透光率
％
91.0
91.0
交联度
％
88.00
85.00
胶膜与玻璃的剥离强度
N/cm
15
18
胶膜与TPT的剥离强度
N/cm
20
20
耐紫外光老化（UV,100hr）
％
90以上
90以上
耐环境老化（90ºC－40
ºC1000hr）
％
高温85以上
低温90％以上
高温85以上
低温90％以上
表四EVA层压固化操作参数
类型
快固型
标准型
操作工况
HZF-L-0306
HZF-L-0303
层
压
操
作
加热前温度（ºC）
25
25
25
25
25
25
加热板温度（ºC）
120－130
120－130
120－130
150
120－130
150
抽真空时间（分）
4-5
4-5
4-5
4-5
4-5
4-5
加压时间（分）
5
5
5
9
5
15
固化
操作
温度（ºC）
135
140
145
None
150
None
时间（分）
25
22
18
None
20
None
4、主要技术性能参数
4.1对整机的要求
4.1.1封装层压机加热平台温度分布不均匀性≤±2℃，温度稳定性≤±2℃范围。
4.1.2封装层压机上盖开、闭方式应符合方便、安全和节能的要求4.1.3层压机硅胶板安装应方便、快捷、有人性化，为防止硅胶板在高温下严重收缩，应该适当增加热板和硅胶板的距离。
4.1.4封装层压机在满足加热→抽真空→加压→放气工艺过程前提下，要求一个工艺周期时间控制在5～30min内可调。
4.1.5工作模式分自动/手动两种：
自动模式工作能实现自动入料、自动层压作业、自动出料作业；手动模式时能实现手动入料、手动层压作业、手动出料作业功能。
4.2主要技术参数与性能
4.2.1封装层压机加热平台面积为2200×3600mm2，在100℃～165℃加热条件下连续工作一个月后（每天24小时）加热平台的平面无明显形变。
每平方米内的不平整度≤200μm。
4.2.2封装层压机加热平台可加热的最高温度为165℃，工作温度为100℃～165℃。
在规定的设定温度值时，温度可控精度（波动度）≤±2℃；整个加热平台温度分布不均匀性≤±2℃。
4.2.3油介质加热温度应设测温点，并显示。
4.2.4上下真空室的极限真空度为180Pa以下，自动运行模式下达到200Pa的时间应小于45秒。
上、下腔放气速度要求在0～50升／秒的范围内连续可调节。
保证进料时电池板在加热板上准确定位，并保证顺利出料。
4.2.5生产过程中，出现紧急情况下急停按钮后，可顺利转到手动方式开启层压机上盖，取出其中的组件。
4.2.6上室气囊压力调整范围为0-1个大气压。
4.2.7上真空室盖上升和下降要求：
采用四个直线导轨方式，盖的上升和下降时，主要技术性能参数应与加热平面保持平行。
盖上升终止后，应有自锁锁定。
盖下降时分三步：
先下降再停顿→再下降至密封圈部位→再减速下降至完全密封。
4.2.8开盖高度：
工作状态15cm，调试状态40cm以上。
4.2.9加声光报警装置，特别是抽真空异常的错误状态、开盖状态。
4.2.10装有工业计算机过程控制系统，操作界面和操作说明书均为简体中文版本。
设备电脑软件终身免费升级。
4.2.11对层压次数及层压工作时间进行累计并在显示器上显示；对实际层压参数进行自动记录并防止改动；修改层压参数须有密码控制。
5、设施要求
5.1电源连接要求
确认主断路开关处于OFF位置。
将380VAC、三相五线制、300A的电力电缆直接接至电气柜内的主断路开关。
三根热线接至断路开关的顶部（L1、L2、L3），地线接至电气柜内的接地母线。
5.2压缩空气连接
必须提供清洁干燥的空气。
层压机上有一三联体，入口为个Φ6软管接口，用于连接空气供应。
5.3真空泵连接
真空泵的排气应与外部建筑排气管相连。
“排气”管接头（外径Φ101.6mm，内螺纹）位于真空泵上。
将“排气管接头”用一根带G4外螺纹软管与建筑物管路连接起来。
四、该机的品质
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