晶体硅太阳能电池

晶体硅太阳能电池专业班级 机械设计制造及其自动化 13 秋姓 名 张正红学 号 1334001250324 报告时间 2015 年 12 月晶体硅太阳能电池摘 要 人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力， 能源己经成为越来越值得关注的社会与环境问题。 人们开始急切地寻找其他的能源物质， 而光能、风能、 海洋能以及生物质能这些可再生能源无疑越来越受到人们的关注。 光伏技术也便随之形成并快速地发展了起来， 因此近年来， 光伏市场也得到了快速发展并取得可喜的成就。本文主要就晶体硅太阳能电池发电原理及关键材料进行介绍，并对晶体硅太阳能电池及其关键材料的市场发展方向进行了展望。关键词 太阳能电池；工作原理；晶体硅；特点；发展趋势前言“ 开发太阳能， 造福全人类 ” 人类这一美好的愿景随着硅材料技术、 半导体工业装备制造技术以及光伏电池关键制造工艺技术的不断获得突破而离我们的现实生活越来越近近 20年来，光伏科学家与光伏电池制造工艺技术人员的研究成果已经使太阳能光伏发电成本从最初的几美元 /KWh 减少到低于 20美分/KWh 。而这一趋势通过研发更新的工艺技术、开发更先进的配套装备、更廉价的光伏电子材料以及新型高效太阳能电池结构，太阳能光伏（ PV）发电成本将会进一步降低，到本世纪中叶将降至 4美分 /KWh ，优于传统的发电费用。大面积、 薄片化、 高效率以及高自动化集约生产将是光伏硅电池工业的发展趋势。 通过降低峰瓦电池的硅材料成本， 通过提升光电转换效率与延长其使用寿命来降低单位电池的发电成本， 通过集约化生产节约人力资源降低单位电池制造成本， 通过合理的机制建立优秀的技术团队、 避免人才的不合理流动、 充分保证技术上的持续创新是未来光伏企业发展的核心竞争力所在一、晶体硅太阳能电池工作原理太阳能电池是一种把光能转换成电能的能量转换器，太阳能电池工作原理的基础是半导体 PN 结的光生伏特效应。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目相等。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素，就构成了 P 型半导体，如果在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，就构成了 N 型半导体。若把这两种半导体结合在一起，在交界面处便会形成 PN结，并在结的两边形成势垒电场。当太阳光照射 PN 结时，在半导体内的原子由于获得了光能而释放电子，产生电子 -空穴对，在势垒电场的作用下，电子被驱向 N 型区， 空穴被驱向 P 型区， 从而在 PN 结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵销势垒电场，其余使得在 N 型区与 P 型区之间的薄层产生了电动势， 即光生伏特电动势， 当接通外电路时便有电能输出。 这就是 PN 结接触型单晶硅太阳能电池发电的基本原理。若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并联起来，组成太阳能电池组件，在太阳光的照射下，便可获得输出功率相当可观的电能。二、晶硅太阳能电池特点（一） 晶硅电池包括单晶硅和多晶硅， 在硅系列太阳能电池中， 单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的， 技术也最成熟， 在大规模应用和工业生产中仍旧占据主导地位。虽然晶体硅太阳能电池被广泛应用，但晶体硅的禁带宽度Eg1.12eV，太阳能光电转换理论效率相对较低；硅材料是间接能带材料，在可见光范围内，硅的光吸收系数远远低于其它太阳能光电材料，如同样吸收 95％以上的太阳光， GaAS 太阳电池只需要 5～ 10μ m，而硅太阳电池在 150～ 200μm 以上， 才能有效地吸收太阳能； 高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关成熟的加工工艺基础上。 提高转换效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。 由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响， 致使单晶硅成本据高不下； 硅太阳电池尺寸相对较小， 若组成光伏系统， 要用数十个相同的硅太阳电池连接起来，造成系统成本较高。这些因素严重影响了其广泛应用。为解决单晶硅太阳能电池的制造过程复杂、 能耗大的缺点， 用浇铸法或晶带法制造的多晶硅太阳能电池的开发取得了进展。 但是多晶硅材料质量比单晶硅差， 有许多晶界存在，电池效率比单晶硅低；晶向不一致，表面织构化困难。但多晶硅太阳能电池经过不断的努力， 目前其能量转换效率与单晶硅太阳能电池已基本上在同一个数量级。 特别是多晶硅电池可以制成方形， 在制作太阳能电池组件时面积利用率高。 今后， 在如何开发新技术以得到低价格的多晶硅材料， 如何得到高效率、大面积多晶硅太阳能电池等方面还有许多工作可做。（二）晶硅太阳能的发展趋势高效电池是光伏的突围之匙，近年来晶硅太阳能电池的转换效率取得重大进展，浆料及丝网印刷技术进步最快； 但随之而来的是银的消耗日益突出， 其成本已占到电池成本的 17左右，如图 2－ 1 为量产太阳能电池的转换效率。图 2－ 1 量产太阳能电池的转换效率晶体硅电池发展的趋势是低成本、 高效率， 这是光伏技术的发展方向。 低成本的实现途径包括效率提高、 成本下降及组件寿命提升三方面。 效率的提高依赖工艺的改进、 材料的改进及电池结构的改进。 成本的下降依赖于现有材料成本的下降、工艺的简化及新材料的开发。 组件寿命的提升依赖于组件封装材料及封装工艺的改善。因而，晶体硅电池发电的平价上网时间表除了与产业规模的扩大有关外，最重要的依赖于产业技术 （包括设备和原材料） 的改进。 仅靠工艺水平的改进对电池效率的提升空间已经越来越有限， 电池效率的进一步提升将依赖新结构、 新工艺的建立。 具有产业化前景的新结构电池包括选择性发射极电池、 异质结电池、背面主栅电池及 N 型电池等。这些电池结构采用不同的技术途径解决了电池的栅线细化、选择性扩散、表面钝化等问题，可以将电池产业化效率提升 2～ 3 个百分点。为了进一步降低成本、 提高效率， 各国光伏研究机构和生产商不断改善现有技术， 开发新技术。 如新南威尔士大学研究了近 20 年的先进电池系列 PESC、 PERC、PERL电池， 2001 年， PERL电池效率达到 24.7 ％，接近理论值，是迄今为止的最高记录。后来由此衍生了南京中电的 SE电池与尚德的 PLUTO电池， PLUTO电池的本质即是将实验室 PERL电池进行量产， SE电池可以算是尚德 PLUTO电池的一个简化版， 它们都是从 PE系列电池演变而来， 因为无论是 PESC、 PERC， 还是 PERL电池均含有 SE电池最典型的选择性发射极技术， SE技术只选取 PE系列收益最明显、同时产业化相对容易的前表面结构部分。相对于尚德 PLUTO是对 PERL技术的“高仿”电池，中电 SE电池可视为“低仿”，如 图 2－ 2 PERL 电池结构是 PERL电池结构图。图 2－ 2 PERL 电池结构PERL 电池具有高效率的原因在于1电池正面采用 “ 倒金字塔 ” ， 这种结构受光效果优于绒面结构， 具有很低的反射率，从而提高了电池的短路电流 JSC. 2淡磷、浓磷的分区扩散。栅指电极下的浓磷扩散可以减少栅指电极接触电阻；而受光区域的淡磷扩散能满足横向电阻功耗小，且短波响应好的要求 ; 3背面进行定域、小面积的硼扩散 P区。这会减少背电极的接触电阻，又增加了硼背面场， 蒸铝的背电极本身又是很好的背反射器， 从而进一步提高了电池的转化效率 ; 4双面钝化。发射极的表面钝化降低表面态，同时减少了前表面的少子复合。而背面钝化使反向饱和电流密度下降， 同时光谱响应也得到改善； 但是这种电池的制造过程相当繁琐， 其中涉及到好几道光刻工艺， 所以不是一个低成本的生产工艺。其他如 SunPower公司开发出一种采用丝网印刷工艺的低成本背面点接触电池，效率已达 22； 三洋公司生产的 HIT 电池， 研发效率可达 23.7； 德国 Konstanz ISEC 采用 n 型 ZEBRA IBC 技术研发的双面电池得到了 21.1效率， 背面的光照可得到 20额外的输出功率。太阳电池硅片技术发展趋势是薄片化， 降低硅片厚度是减少硅材料消耗、 降低晶硅太阳电池成本的有效技术措施，是光伏技术进步的重要方面。 30 多年来，太阳电池硅片厚度从 70 年的 450～ 500μ m 降低到目前的 150～ 180μ m， 降低了一半以上， 硅材料用量大大减少， 对太阳电池成本降低起到了重要作用， 是技术进步促进成本降低的重要范例之一，如图 2－ 3 普通硅太阳能电池的多种损失机制显示了太阳电池硅片厚度的降低。表 2－ 1 太阳电池硅片厚度的降低（三）晶硅太阳能电池转换效率的损失机理太阳能电池转换效率受到光吸收、 载流子输运、 载流子收集的限制。 现有的影响太阳能电池效率的因素主要有电学损失和光学损失，光学损失主要是表面反射、遮挡损失和电池材料本身的光谱效应特性； 电量转换损失包括载流子损失和欧姆损失。 太阳光之所以仅有很少的百分比转换为电能， 原因归结于不管是哪一种材料的太阳能电池都不能将全部的太阳光转换为电流， 晶体硅太阳电池的光谱敏感最大值没有与太阳辐射的强度最大值完全重合， 在光能临界值之上一个光量子只产生一个电子空穴对， 余下的能量又被转换为未利用的热量， 光的反射引起阳光中的一部分不能进入电池中。 如硅的带隙 Eg1.12eV， 对应波长大于 1.1 μm 的光透过，不能被吸收；波长小于 1.1 μm 的光子能量如果大于 Eg，一个光子只产生一个电子，多余能量不能利用， 以热的形式损失；硅表面反射率 35，造成较大的反射损失； 其他如二极管非线性损失、 复合损失、 接触电阻损失都造成硅电池效率的下降。对于单晶硅硅太阳能电池，转换效率的理论最高值是 28。只有尽量减少损失才能开发出效率足够高的太阳能电池。 影响晶体硅太阳能电池转换效率的原因主要来自两个方面，如图 2－ 3 所示 （ 1）光学损失，包括电池前表面反射损失、接触栅线的阴影损失以及长波段的非吸收损失。 （ 2）电学损失， 它包括半导体表面及体内的光生载流子复合、 半导体和金属栅线的接触电阻，以及金属和半导体的接触电阻等的损失。 这其中最关键的是降低光生载流子的复合， 它直接影响太阳能电池的开路电压。 光生载流子的复合主要是由于高浓度的扩散层在前表面引入大量的复合中心。 此外， 当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时， 背表面的复合速度对太阳能电池特性的影响也很明显。图 2－ 3 普通硅太阳能电池的多种损失机制（四）提高晶硅太阳能电池转换效率的方法围绕提高晶硅太阳能电池的转换效率，目前正在采用的有效技术有1、优化晶体硅材料太阳电池的效率与硅材料的电阻率及少子寿命有着极其密切的联系，理论和实践都证明 0.5 － 3Ω cm左右的工业生产直拉单晶硅片及铸锭多晶硅片都可以有很好的效果。 为了降低光致衰减， 目前单晶有向高电阻率发展的趋势。2、高方阻技术采用均匀高方阻技术，高方阻 PN结具有高表面活性磷浓度、低非活性磷浓度、深结的特点。3、先进的金属化技术金属栅线由不透光的银颗粒及玻璃体组成。为了降低栅线遮挡造成的电池效率损失， 可以缩小细栅的宽度、 采用超细主栅或无主栅、 背面接触、栅线内反射、选择性扩散技术、激光刻槽埋栅电池。4 、 光陷阱结构 一般高效单晶硅电池采用化学腐蚀制绒技术， 制得绒面的反射率可达到 10％以下。目前较为先进的制绒技术是反应等离子蚀刻技术（ RIE） ，该技术的优点是和晶硅的晶向无关，适用于较薄的硅片。5、减反射膜它的基本原理是位于介质和电池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光产生的各级反射相互间进行干涉从而完全抵消。 单晶硅电池一般可以采用 TiO2、 SiO2、 SnO2、 ZnS、 MgF2单层或双层减反射膜。在制好绒面的电池表面上蒸镀减反射膜后可以使反射率降至 2％左右。6、钝化层钝化工艺可以有效地减弱光生载流子在某些区域的复合。一般高效太阳电池可采用热氧钝化、原子氢钝化，或利用磷、硼、铝表面扩散进行钝化。7、增加背场如在 P 型材料的电池中，背面增加一层 P浓掺杂层，形成 P/P的结构，在 P/P 的界面就产生了一个由 P区指向 P的内建电场。由于内建电场所分离出的光生载流子的积累， 形成一个以 P端为正， P 端为负的光生电压， 这个光生电压与电池结构本身的 PN结两端的光生电压极性相同，从而提高了开路电压 Voc。同时由于背电场的存在，使光生载流子受到加速，这也可以看作是增加了载流子的有效扩散长度，因而增加了这部分少子的收集几率，短路电流 Jsc也就得到提高。8、改善衬底材料选用优质硅材料，如 N型硅具有载流子寿命长、制结后硼氧反应小、电导率好、饱和电流低等。进一步提高硅电池效率的一些技术方法有 1. 电池背表面的钝化和 PERC技术 2.三氧化二铝膜对 P 型表面的钝化 3. 增加光谱的吸收范围 4. 用离子注入来改善发射结的性能等。三、晶体硅太阳能电池发电的特点与风力发电和生物质能发电等发电技术相比， 太阳能发电是最具可持续发展理想特征的发电技术， 故晶体硅太阳能电池发电具有很多优点。 如结构简单， 体积小、重量轻，便于运输和安装；使用寿命长，性能稳定可靠；操作、维护简单，运行稳定可靠；太阳能资源取之不尽用之不竭，且随处可得，可就近供电等。当然 ,其也有它的不足和缺点，能量密度过低；占地面积大；转换效率低；受气候影响大；地域依赖性强；成本高等。尽管其存在上述的不足和缺点，但在当今的能源和环境条件下， 发展这样的可再生能源利用是势不可挡的， 我们只能去提高技术经行改造。而在国内单晶硅太阳能电池市场份额占 1520，多晶硅太阳能电池市场份额占70，非晶硅太阳能电池市场份额占 5％～ 10左右。四、晶体硅太阳能电池技术及产业的发展趋势为了进一步的适应市场的要求， 电池板的光电转换率会不断地提高， 并且会加大系统容量，以满足大功率室外照明灯的要求。目前，一套太阳能照明灯（全套）所需费用是普通照明灯（全套）的几倍，大大地影响了太阳能照明的推广使用，而随着技术的不断提高， 其成本也会逐渐地降下来。 同时延长蓄电池等器件的寿命， 从而延长太阳能照明系统的寿命； 减小电池板、 蓄电池等的体积， 美化杆型。人们也会逐步淘汰严重污染的铅酸蓄电池、 Ni － Cd 蓄电池等，加快开发研制无污染蓄电池， 实现真正意义的环保。 不难看出太阳能电池在经过技术进步和降低价格后， 将成为新世纪的主导能源之一。 2000年以后， 全球太阳能电池产量以年均 40％左右的速度增长。其中，中国的年增长率则高达 100％以上。 2008年，中国超过了之前一直居全球市场份额首位的日本，成为全球第一大生产国。 100％的年增长率， 意味着每年产量都翻倍， 10年将达 1000倍。 用图表表示这一增长速度，需要使用对数轴。中国的太阳能电池产量增长率在 2001年以后的 8年内超过了 “ 三位数 ” 。在此期间，日本也实现了一位数增长，但从对数图表上看，二者的差别十分明显（图 1） 。图 1迅速崛起至全球首位的中国太阳能电池产量而 作为最主要的光伏制造商， 中国在世界光伏市场中几乎完全缺席。 但是， 随着总数达 12GW 的项目开始筹备，中国将有望迅速成为亚洲和世界的主要市场。高日照时长和电力需求激增， 使得中国光伏潜力巨大， 但如何发展主要取决于政府决定。根据中国 2009 年能源计划， 2020 年光伏发电至少达到 20GW，但实施细节和路线一直含糊不清，同时 FIT 仍未公布。统计数据显示 2012 年国内光伏累计装机 8.3GW， 2015 年由于分布式补贴正式稿下发时间较晚，分布式电站建设进度受影响， 2014年 国内装机容量 10GW。 按 2015 年 35GW 以上的目标值，预计 2015 年国内光伏装机容量达 15GW。 据测算， 装机目标的上调将 提升 1400 亿元左右的市场需求。 LXz 中国行业咨询网 _行业报告 _行业分析 _市场调研 _第三方市场数据提供商表中国历年光伏安装量及前景预测 来源 EPIA 虽然现在我国的生产电池已遥遥领先于其他的国家， 但我们的消费没有相应的跟上去。 我们国家还具有很大的潜力， 毕竟这么多的人口， 能源将会是一个很大的问题， 这便迫使我们向太阳能这一领域的进军加快了步伐， 相信一定时间之后的中国将会随处见到太阳能装置。参考文献[1] 李钟实， 太阳能光伏发电系统设计施工与维护 ，人民邮电出版社[2] 张竹慧， 太阳能电池组件的设计及选用 ， 中国新技术新产品 2009, 07 4. [3] 谢建、马勇刚， 太阳能光伏发电工程实用技术 ，化学工业出版社[4] 张兴、曹仁贤等， 太阳能光伏并网发电及其逆变控制 ，机械工业出版社[5] 欧洲仍占主导，德国蝉联第一 ， EPIA 发布的 20102014光伏产业预测报告