北京
随着光伏（PV）技术迈入太瓦时代，太阳能组件制造过程中的可靠性、可持续性和循环性已不再是可有可无的考量因素。特别是在资源日益稀缺的背景下，确保太阳能技术的可持续供应已变得迫在眉睫。然而，尽管太阳能制造业在过去二十年间发展迅猛，光伏行业目前仍主要运行于线性经济模式中，其特征是生产能耗高且可持续实践有限。晶体光伏组件面临的一个重大挑战是封装工艺，该工艺需要在昂贵且笨重的层压机中进行。虽然层压工艺能为光伏组件提供长期的稳定性和性能，但它也严重限制了组件内高价值材料和部件的拆卸、可维修性和可回收性，从而阻碍了闭环回收和产品寿命的延长。因此，开发可持续的光伏设计和制造工艺对于向循环经济转型至关重要。
针对这一问题，位于代尔夫特的初创公司 Biosphere Solar 正致力于开发一种无需层压的新型太阳能组件设计。其研究和目标聚焦于实现太阳能组件的便捷拆卸，以便于后续的维修和再利用，最终实现低能耗、低成本且完全可回收的光伏组件。必须认识到，在这种新型光伏组件设计框架下，向无层压太阳能组件的过渡在制造方面仍面临挑战。
本论文旨在识别并解决无层压光伏组件制造过程中遇到的障碍。研究将其与传统层压光伏组件进行了对比，并考察了半自动化和高度自动化两条不同规模的生产线。通过学术和商业渠道，对层压太阳能产品及其制造工艺进行了初步的文献研究，探讨了传统和创新（如基于导电背板技术）的组装方法。对传统制造产线的了解，为认识无层压光伏组件生产的挑战和优势提供了宝贵见解。随后，研究重点转向利用 Biosphere Solar 的技术理念，深入理解和评估一种采用背接触太阳能电池和导电背板技术的特定组件设计。产品分析主要考察了有别于传统层压组件的部件、规格和材料（如粘合剂、锡膏、流体试剂和边缘密封剂），并从可制造性的角度评估了这些材料的权衡与配置。对这些新概念的分析有助于定义制造工艺路线，该路线基于既符合又偏离标准光伏制造实践的组装操作构建并描述。此外，研究还探讨了针对每种加工设备的改良和专用方法，并考虑了组装过程中的相关边界条件。目前面临的主要挑战包括金属浆料点胶、低温焊接和流体填充工艺，这些工艺需要在生产线中安装多个单元，并需要针对该应用进行专门的设计与开发。其中，流体填充工艺此前从未在生产规模上进行过探索，在太阳能行业内被视为非标准工艺。
技术结果表明，在两种不同规模的层压光伏产线对比中，无层压设计展现出具有竞争力的优势，这在大规模生产中尤为明显。在最佳情况下，这些设计可使机械设备的电力和压缩空气消耗减少高达 30%，所需工厂占地面积减少高达 50%。这种高效率源于设备紧凑的工作区域和较低的功耗，这归功于大型层压机的取消。事实上，在年产量高达 300 [MW] 的生产规模下，仅层压机的耗电量就可占总耗电量的 20% 至 50%，其占地面积最高可达总制造空间的 10%。
在经济方面，资本成本也展现出良好的前景，在高度自动化生产线中尤其有潜力优于层压光伏组件。在最佳情况下，设备成本可节省 20-30%，建筑基础设施成本可节省高达 50%。然而，抵消这些资本成本优势的主要因素是物料清单（BOM）相关的运营费用，以及生产这种特定无层压光伏产品所需的人力成本。在最坏情况下，这些材料费用可能高达标准层压组件的 4-5 倍，同时直接制造人工的投资可能增加一倍。这一评估为未来关于产品-工艺开发和测试的研究奠定了基础，研究将利用所探讨的权衡关系来优化选择，以实现最佳结果。
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