第五章硅太阳能电池的制造方法-solarbe文库

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1liuzhidong 1LOGO第五章硅太阳能电池的制造方法liuzhidong 2太阳能电池的工作原理liuzhidong 3第一节太阳能电池的工作原理一、半导体材料二、载流子三、禁带宽度四、光电效应五、 PN结六、光能转化为电能七、太阳能电池的结构liuzhidong 4一、半导体材料图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。硅晶体应用于半导体材料时一般都会在其中掺入其他的杂质（磷、硼等），以增加载流子的数量提高材料的导电性能。纯硅晶体liuzhidong 5N 型半导体掺入磷原子正电荷表示硅原子，负电荷表示四个电子 , 黄色的表示磷原子，红色的表示自由电子其整体显中性，不带电liuzhidong 6P型半导体掺入硼，硅晶体中存在着一个空穴。正电荷表示硅原子，负电荷表示电子。而黄色的表示掺入的硼原子。蓝色的空穴。整体显中性，不带电。2liuzhidong 7二、载流子载流子就是运载电流的 “ 粒子 ” 。不管在 N型还是P型半导体中，都会同时存在电子和空穴载流子。在给定的温度下，每种半导体的电子载流子和空穴载流子数的乘积是个常数。例如，对于硅来说，在室温下这个常数是 10 21/ 厘米 3。 N型高导性硅，电子载流子可达 1017/ 厘米 3，而空穴载流子是104/ 厘米 3。这就是多数载流子与少数载流子的区别。liuzhidong 8三、禁带宽度单一原子中，电子都有分明的能级，当形成晶体时，由于原子的影响，单一的能级就变成了具有一定幅度的能带。受到原子束缚的电子能量很低，其所处的能带叫做满带，也叫价带。自由电子的能量很高，其所处的能带叫做导带。在满带与导带之间有一个空隙，叫做禁带。liuzhidong 9金属导带与满带重叠在一起，没有禁带；绝缘体的禁带很宽；半导体的禁带宽度在导体与绝缘体之间。禁带具有一定的能量，叫做禁带宽度，用 Eg表示。不同的半导体材料有不同的禁带宽度，例如，锗 0.7eV, 硅1.12eV, 硒 1.5eV。liuzhidong 10四、光电效应通常所说的光电效应是指外光电效应，即物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象。另一种光电效应叫内光电效应，是太阳能电池利用的效应，它是物体在光的照射下，内部原子中的一部分束缚电子变为自由电子，这些电子仍留在物体内部，使物体的导电性加强。半导体发生内光电效应的条件是，光子能量ε大于等于半导体的禁带宽度 Eg。liuzhidong 11当硅半导体处于光照时，能量大于禁带宽度的光子，激发半导体内部的束缚电子，使之成为自由电子，同时产生等量的空穴。这一数量对于少数载流子来说，可以增加很多个数量级；而对于多数载流子来说，数量却微乎其微。liuzhidong 12五、 PN 结P型半导体中含有较多的空穴，而 N型半导体中含较多的电子，这样，当 P型和 N型半导体结合在一起时， P区与 N区的结合过渡区就是 PN结。下面我们将讨论 PN结形成的原因。在 P型与 N型半导体接触时，多数载流子会发生扩散运动。3liuzhidong 13在未扩散前 P区和 N 区都不带电，都显中性liuzhidong 14扩散后， P区空穴吸引 N型号电子，形成空间电荷，从而产生内建电场。扩散运动与漂移运动方向相反，当两运动的速度相同时，内建电场稳定，形成 PN结。如果环境不变，这个平衡也就不变，空间电荷的厚度也不再增加。liuzhidong 15六、光能转化为电能收集阳光照射电池表面产生电子 -空穴对电子 -空穴对在 PN结作用下分开引出导线 ,接上负载输出功率liuzhidong 16由于光的照射，具有 PN结结构的半导体材料中的扩散运动与漂移运动的动态平衡将被打破。在 N型区和 P型区因为内光电效应都会产生光生电子 -空穴对。PN结会将产生的电子 - 空穴分开， P型区内的少数载流子电子被驱向 N型区； N型区的少数载流子空穴被驱向 P型区。其结果是 N型区一侧有过剩的电子积累； P型区一侧有过剩的空穴积累。liuzhidong 17负载电阻R L0，过剩载流子都可以穿过结，会产生最大可能的光生电流，即短路电流I SC，而电动势为零。负载电阻R L∞，则被 PN结分开的过剩载流子会积累在 PN结附近，并以最大补偿势垒，于是产生最大可能的光生电压，即开路电压V OC，其电流为零。负载电阻R L，则过剩载流子部分用于降低 PN结势垒用于建立工作电压V m，部分用来产生工作电流I m。liuzhidong 18七、太阳能电池的结构4liuzhidong 19太阳能电池的结构原理图liuzhidong 20太阳能电池发电原理liuzhidong 21太阳能电池发电原理由于半导体不是电的良导体，电子在通过 p－ n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖 p－ n结（梳状电极），以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到 5％甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是 36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。liuzhidong 22太阳能电池发电原理普通发电主要是利用电磁感应原理发电，需要马达，燥声会很大，如果是火力发电，还会产生大气污染。太阳能发电既不需要马达，也不会排出气体。它是绿色能源，不仅是指其利用的太阳能是没有污染的，而且其发电的过程中也是不会有任何污染的。liuzhidong 23第二节硅太阳能电池的制造过程原材料的制备切片处理表面织构扩散去背边 PN结电极印刷及烧结减反射膜制备测试组件封装太阳能发电系统各个环节的利率比较太阳能电池的两大难点liuzhidong 24硅太阳能电池制造流程5liuzhidong 25工艺流程liuzhidong 261. 原材料的制备砂子（石英岩）还原为冶金级硅SiO2 2C → Si 2CO纯度约 98-991美元 / 公斤左右liuzhidong 27原材料的制备低成本的冶金级硅提纯高纯块状多晶硅，纯度为 6个 9。主要有改良西门子法（气相沉淀反应方式）、四氯化硅（硅甲烷）热分解方式、流化床方式，一般是化学方法。Si 3HCl → SiHCl3 H2 西门子改良法SiHCl 3 H2→ Si 3HCl冶金硅成本 50倍liuzhidong 28原材料的制备liuzhidong 29多晶硅铸锭炉liuzhidong 30多晶硅坩埚切割机6liuzhidong 31多晶硅多线破锭机床liuzhidong 32原材料的制备多晶硅进一步生长为半导体单晶硅，纯度 9个9以上（也可以通过控制掺杂浓度可生长成适合于太阳能用的单晶硅）主要有直拉单晶法（ CZ）、区域熔化提纯法（ FZ）、物理提纯定向结晶（ DSS）等。冶金硅成本的 2000倍。liuzhidong 33原材料的制备最常用的柴可拉斯基拉Czochralski 生长单晶仪图解liuzhidong 34原材料的制备太阳能级单晶硅纯度只要 6个 9；太阳能级晶体硅的实际生产并不多；单晶硅以高纯的单晶硅棒、半导体加工的头尾料、废次单晶硅材料；多晶硅硅片以多晶块料、单晶硅头尾料、及锅底料，加人适量硼硅，放入浇铸炉。liuzhidong 35原材料的制备高纯硅提炼具有较高的技术壁垒， 7大厂家 05年的总产量约占世界总产量 95以上，他们分别是 Hemlock，REC， Wacker ， Tokuyama ， MEMC， Mitsubishi ，Sumitomo， SolarWorld 。除 REC（ Solar Grade Silicon LLC ）以外，都没有专门用于生产太阳能级晶体硅的生产线。liuzhidong 36单晶硅与多晶硅的区别多晶硅晶向小范围内一致，大范围不同单晶硅大范围内晶向一致多晶硅可作为拉制单晶硅的原料多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面，例如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅均不如单晶硅。7liuzhidong 37单晶硅与多晶硅的区别liuzhidong 38单晶硅与多晶硅电池光电转换率比较liuzhidong 39高纯硅及太阳能电池制备liuzhidong 40超大晶粒准单晶硅片技术直拉单晶的优点是单一晶向，低缺陷，电池效率高；缺点是单次投料少，操作复杂，成本高。而多晶硅铸锭的优点是原材料来源广、纯度要求低，生产效率高，投料量大，操作简单，低成本；缺点是内部存在大量的晶界、较高的位错密度和杂质使得多晶硅太阳能电池的转换效率低于单晶硅。虽然近年来对多晶硅铸造工艺及内部缺陷和杂质做了深入的研究，并提出了多种改进的方法，但其转换效率仍低于单晶硅太阳电池 1-2。如何将单晶硅与多晶硅的优势相结合一直是光伏界所追求的目标，在这种背景下准单晶技术应运而生。liuzhidong 41准单晶的特征准单晶也称为铸造单晶硅，是通过铸锭的方法获得外观和电学性能均类似于单晶硅的晶体硅。简言之，准单晶技术就是用多晶硅的成本生产出单晶硅的技术。一般对铸造单晶硅的要求是在一定尺寸的硅片上，单个晶粒面积大于硅片面积的 50。这种硅片的晶界数量远小于传统的铸造多晶硅片。多晶硅中存在大量的晶界和位错。晶界是晶粒间的过渡区，结构复杂，原子呈无序排列，并存在不完全键合原子，产生大量的悬挂键，形成界面态，有很大的复合性，特别是被金属杂质玷污后其复合强度会提高，大大降低了多晶硅太阳能电池的转换效率。同时由于多晶硅是由许多晶向不同的晶粒组成，因而制绒后不能形成 “ 金字塔 ” 形貌，这也严重影响其光伏性能。liuzhidong 42准单晶与铸造单晶的比较a铸造多晶硅 b 铸造单晶硅两种硅片的表面形貌8liuzhidong 43准单晶与铸造单晶的比较a铸造多晶硅 b铸造单晶硅两种硅片腐蚀后的表面形貌liuzhidong 44超大晶粒准单晶铸造方法用生产多晶硅铸锭技术，得到直拉单晶硅的高品质；用 60元的成本生产出原本需要 160元才能生产的东西准单晶铸锭最大的优势是可以使用多晶硅铸锭方法制备，不需要使用昂贵的直拉单晶硅方法制备。准单晶铸锭加工需要在坩埚底部铺上一层具有较高厚度的单晶籽晶，即先把籽晶、硅料及掺杂元素放置在同一坩埚中，籽晶位于坩埚底部。然后加热融化硅料，并且保持籽晶不被完全融化。最后控制降温，调节固液相的温度梯度，确保单晶从籽晶位置开始生长，而成为准单晶。目前量产的铸锭准单晶技术主要为有籽晶的铸锭。该技术由晶龙实业集团有限公司麾下 “ 东海晶澳太阳能科技有限公司 ” 首先提出。liuzhidong 45超大晶粒准单晶铸造要注意的问题（ 1）精确控制熔化程度。这一环节非常难以掌控，但它是是否能够稳定生产的决定性因素；（ 2）合理控制边角多晶。由于受铸锭炉内温度分布、杂质等多种因素的影响，采用铸造的方法生产单晶硅边角处会出现多晶，要有效合理控制边角处多晶的比例；（ 3）严格控制位错密度。准单晶的位错密度虽低于铸造多晶硅，但仍高于直拉单晶硅。位错密度对转换效率影响巨大，在生产过程中把位错密度控制到最低是决定产品质量的关键；（ 4）采用铸锭方法所生产的单晶硅中存在一些硅片，表面看似一个大晶粒，而制绒后会出现大量晶界，有些厂家称之为亚晶界。出现这种现象的原因尚不确定，目前有专家推测为在长晶过程中引入微小夹杂物所致，需要在生产过程中引起高度重视。liuzhidong 46超大晶粒准单晶硅片技术采用该技术进行（ 100）晶向籽晶及铸锭生产技术，取得超大晶粒硅锭，并加工制成准单晶硅片，实现批量生产。该技术可操作性强、易推广、稳定可靠，产品性能具有单晶硅的优点，且氧含量低于直拉单晶，与单晶硅片相比具有很强的成本优势。其生产工艺具有低能耗（平均7kWh/h）、低成本和环境友好的特点。在完成准单晶硅铸锭技术的研发及生产的同时，项目还结合准单晶硅片的特点参与完成了配套电池工艺的研发。采用新工艺制作的电池片平均效率达到 17.2以上，比传统多晶硅电池高 1左右，最高效率达 18.3，单锭的电池总功率高出 2000 4000W.与多晶硅锭相比，采用单晶铸锭技术每台铸锭炉每年产能将增加 0.3 0.4MW，该技术将带来每台炉约 3000 4000万元的效益增长。liuzhidong 47超大晶粒准单晶硅片技术的优势准单晶硅铸锭炉单次投料可达 430公斤左右 , 是传统直拉单晶硅的 4 倍多；工艺成本可降低 60 ；太阳能电池整条生产链的成本可因准单晶铸锭技术降低10,有助于太阳能发电实现平价上网；光伏平价上网无论是在欧美发达国家，还是诸如中国等新兴市场，都是光伏行业议论的焦点，也是产业发展的最终目标。甚至有专家认为，实现平价上网，不仅意味着光伏产业的真正成长，也是新能源发展的大迈进。由于生产成本太高，我国一直无法实现这一宏伟目标，准单晶这一高转换率低成本材料的出现，将迈出光伏发电平价上网的关键一步，对推进我国太阳能的广泛应用具有积极意义，准单晶技术将成为引领光伏行业的风向标。liuzhidong 482. 切片处理由于硅片厚度并不影响光电的转换效率，而硅片在太阳能电池中占成本的 70；外圆切割、内圆切割（ ID saw ）和线切割（ Wire saw）、电火花线切割等。目前多线锯的优势还是很明显，切缝小、效率高、切割质量稳定。但是切割机本身的价格昂贵，且切割机的产量不大，厂商很难定到货。9liuzhidong 49切片处理liuzhidong 50切片处理一般流程下面是一种常见的多线硅片切割过程切端面，切方，磨圆、磨边，切片，清洗。多线切割机liuzhidong 51切端面带锯常州华盛天龙机械有限公司liuzhidong 52切方及磨四周特殊装夹锯片厚 3mm 切方磨四周 7hliuzhidong 53将硅锭用水溶性胶沾在玻璃上liuzhidong 54切片处理线锯 MEYER BURGER10liuzhidong 55多线切割进行切片liuzhidong 56两块同时切割 7hliuzhidong 57300 mm 宽间距 0.37mm 硅片厚 0.2mmliuzhidong 58搬运liuzhidong 59水中浸泡 20minliuzhidong 60洗好硅片的花篮11liuzhidong 61切片过程录像liuzhidong 62切好的硅片，表面脏且不平。因此，在制造太阳能电池之前，要先进行表面准备。表面准备一般分为三步①用热浓硫酸做初步化学清洗；②在酸性或碱性腐蚀液中腐蚀硅片，每面大约蚀去 30-50μ m的厚度；③用王水或其他清洗液再进行化学清洗。在化学清洗和腐蚀后，要用高纯度的去离子水冲洗硅片。3. 硅片的表面准备liuzhidong 63表面织构其常用的方法主要有机械刻槽、激光刻槽、离子刻蚀、碱腐蚀、酸腐蚀、掩膜生长以及掩膜腐蚀等方法。liuzhidong 64表面织构liuzhidong 65表面织构目前单晶硅制比较成熟由于多晶硅不具有各向异性的特征，表面绒面的制备技术发展还不成熟，还没有一项很好的高效低成本方法liuzhidong 66PN结是单晶硅太阳能电池的核心部分。没有PN结，便不能产生光电流，也就不成其为太阳能电池了。因此， PN结的制造是最重要的工序；通常采用高温扩散法制结。以 P型硅片扩散磷为例，主要扩散步骤为4. 扩散制结12liuzhidong 67① 扩散源的配制将特纯的五氧化二磷溶于适量的乙醇或去离子水中再稀释即成。② 涂源从去离子水中取出经表面准备的硅片，在红外灯下烘干后滴源，使扩散源均匀地分散在硅片表面，再用红外灯稍微烘干一下，然后即可把碎片放入石英舟内。③ 扩散将扩散炉预先升温到扩散温度，大约在 900 950 ℃的温度下，通氮气数分钟。然后，把装有硅片的石英舟推入炉内的石英管中，在炉口预热数分钟，再推入恒温区，经十余分钟的扩散，将石英舟拉至炉口，缓慢冷却数分钟，取出硅片，制结工序即告完成。liuzhidong 68扩散4POCl3 3O2 → 2P2O5 6 Cl 2↑P2O5在硅晶片上形成地层玻璃并由硅还原出磷.2P2O5 5Si 2 → 4P 5SiO 2磷被释放出并扩散进入硅中，而 Cl2则被排走。liuzhidong 69扩散liuzhidong 705. 去背边 PN 结在高温扩散过程中，硅片的背面也形成 PN结，必须把背结以及边结去掉。在去背结边结时，用黑胶涂敷在硅片的正面上，掩蔽好正面的 PN结，再把硅片置于腐蚀液中，蚀去掉背面及周边扩散层然后去掉黑胶，将硅片洗净烘干后备用。liuzhidong 716. 电极印刷及烧结上电极高纯银铝浆，厚度 30-50 μ m；理论覆盖面积 6-8（实际 8-10）；两线主栅线，栅线宽 2.5mm；20-50 条副栅线，宽度 0.2mm；下电极铝浆全面积印刷，周边保留 2mm间隙烧结温度上电极 600-700 ℃，下电极 800-900 ℃liuzhidong 727. 腐蚀周边扩散过程中，在硅片的四周表面也有扩散层形成，通常它在腐蚀背结时即已去除，所以这道工序可以省略。若钎焊时电池的周边沾有金属，则仍需腐蚀，以除去金属。这道工序对电池的性能影响很大，任何微小的局部短路，都会使电池变坏，甚至使之成为废品。腐蚀周边的方法比较简单，只要把硅片的两面涂上黑胶或用其他方法掩蔽好，再放入腐蚀液中腐蚀 30s或 1min即可。13liuzhidong 73机械修整多晶硅片周边liuzhidong 748. 蒸镀减反射膜光能在硅表面的反射损失率约为 1／ 3。真空镀膜法在硅表面蒸镀一层二氧化硅，或二氧化钛，或五氧化二钽的减反射膜。减反射作用就是利用光的干涉效应来实现的。减反射膜可提高大阳能电池的光能利用率，增加电池的电能输出。liuzhidong 75减反射膜制备liuzhidong 76激光切割单晶硅片liuzhidong 779. 检验测试经过上述工序制得的电池，在作为成品电池入库前，均需测试，以检验其质量是否合格。在生产中主要测试的是电池的伏 -安特性曲线，从这一曲线可以得知电池的短路电流、开路电压、最大输出功率以及串联电阻等参数。liuzhidong 781为无光照时的 I-U 曲线； 2为受光照后的 I-U 曲线； 2为 1向下平移 ISC量2经坐标转换可得常用的光照太阳能电池 I-U 曲线（右图）14liuzhidong 7910. 单晶硅太阳能电池组件的封装在实际使用时，要把单片太阳能电池串联、并联起来，并密封在透明的外壳中，组装成太阳能电池组件。这种密封成的组件，可防止大气侵蚀，延长电池的使用寿命。把组件再进行串联、并联，便组成了具有一定输出功率的太阳能电池方阵。liuzhidong 80组件封装玻璃壳体式太阳电池组件示意图1－玻璃壳体； 2－硅太阳电池； 3－互连条； 4－粘接剂；5－衬底； 6－下底板； 7－边框线； 8－电极接线柱。一种常见的太阳电池组件结构liuzhidong 8111. 太阳能电池方阵的设计和安装单体太阳能电池不能直接作为电源使用。在实际应用时，是按照电性能的要求，将几片或几十片单体太阳电池串联、并联连接起来，经过封装，组成一个可以单独作为电源使用的最小单元，即太阳能电池组件。太阳能电池方阵，则是由若干个太阳能电池组件串联、并联连接而排列成的阵列。liuzhidong 82组件封装liuzhidong 83无锡尚德太阳能电池生产工艺流程liuzhidong 84太阳能电池模块生产线15liuzhidong 85人工组装太阳能电池模块liuzhidong 8612. 组成太阳能发电系统liuzhidong 87太阳能发电系统的组成liuzhidong 88太阳能发电系统liuzhidong 89太阳能发电系统太阳能电池板太阳能控制器蓄电池逆变器liuzhidong 90各个环节的利率比较16liuzhidong 91太阳能电池生产的两大难点提纯过程中，有一项 “ 三氯氢硅还原法西门子改良法 ” 的关键技术我国还没有掌握liuzhidong 92太阳能电池生产的两大难点多线切割的速度不是很快，需要有 7个小时，虽然可同时切割 300－ 500片，但是风险太大，切割所需要的钢丝 300－ 500km。由于线切割机的价格昂贵、数量较少，国内将圆硅棒切割成方型硅棒的时候，很少使用线切割，而是采用锯片进行切割，导致硅材料损失较大，而且效率不高，通常一台线切割机要配置三台切方机才能满足正常的加工运转。liuzhidong 93半导体加工大作业请介绍一种非晶硅材料的太阳能电池，说明其工作原理、制作工艺方法、性能特点、应用前景、并与晶硅太阳能电池进行性能比较。要求图文并茂，内容按正式出版的论文要求撰写，文字 4000字以上（含图共 4页 A4以上）。时间下周上课时以书面形式交作业。