太阳能电池生产工艺

太阳能电池生产工艺近些年来， 全世界生产应用最多的太阳能电池是由单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池构成的晶体硅太阳能电池，其产量占到当前世界太阳能电池总产量的90％以上。它们工艺技术成熟，性能稳定可靠，光电转换效率高，使用寿命长，已进人工业化大规模生产。 因此， 本节对地面用晶体硅太阳能电池的一般生产制造工艺进行介绍。晶体硅太阳能电池生产制造工艺包括的内容范围有宽狭之分。宽的内容范围，包括硅材料的制备、太阳能电池的制造和太阳能电池组件的封装三个部分。狭的内容范围， 仅包括太阳能电池的制造。 下面按照宽的内容范围加以介绍， 即不但包括太阳能电池的制造， 还包括硅材料的制备和太阳能电池组件的封装。 硅材料的制备( 一 ) 高纯多晶硅的制备( 二 ) 单晶硅锭的制备 ．单晶硅锭的制备方法很多， 可从熔体上生长， 也可从气相中沉积。 目前国内外在生产中采用的主要有熔体直拉法和悬浮区熔法两种。( 三 ) 多晶硅锭的制备多晶硅太阳能电池是以多晶硅为基体材料的太阳能电池。它的出现主要是为了降低晶体硅太阳能电池的成本。 其主要优点有： 能直接拉制出方形硅锭， 设备比较简单， 并能制出大型硅锭以形成工业化生产规模， 材质电能消耗较省， 并能用较低纯度的硅作投炉料； 可在电池工艺方面采取措施降低晶界及其他杂质的影响。 其主要缺点是生产出的多晶硅电池的转换效率要比单晶硅电池稍低。 多晶硅的铸锭工艺主要有定向凝固法和浇铸法两种。( 四 ) 片状硅的制备片状硅又称硅带， 是从熔体中直接生长出来， 可以大为减少切片的损失， 片厚约 100200~m。主要生长方法有限边喂膜 (EFG)法、枝蔓蹼状晶 (WEB)法、边缘支撑晶 (ESP)法、小角度带状生长法、激光区熔法和颗粒硅带法等。其中枝蔓蹼状晶法和限边喂膜法比较成熟。 枝蔓蹼状晶法， 是从坩埚里长出两条枝蔓晶， 由于表面张力的作用， 两条枝晶中间会同时长出一层薄膜， 切去两边的枝晶， 用中间的片状晶来制作太阳能电池。 由于硅片形状如蹼状， 所以称为蹼状晶。 它在各种硅带中质量最好， 但生长速度相对较慢。 限边喂膜法， 是从特制的模具中拉出筒状硅，然后用激光切割成单片来制作太阳能电池。目前已能拉出每面宽 10cm的 10 面体筒状硅， 厚度达 300μ m。 它是目前投入研发最多的硅带， 产量已达 4MW级。近期硅带的研发目标，是制出 125mmXl25mm的硅片，将厚度降至 250μ m左右。 用限边喂膜法进行大批量生产时， 应满足的主要技术条件为： ①采用自动控制温度梯度、 固液交界的新月形的高度及硅带的宽度等， 以有效地保证晶体生长的稳定性。 ②在模具对硅料的污染方面进行控制。 从总体上来说， 硅带生长方法目前仍在进一步研究试验中， 仅建立了少数中试生产线， 尚未投入大规模工业化生产。( 五 ) 太阳能级硅的研发 ．快速发展的晶体硅太阳能电池的生产与应用， 使硅材料的需要量剧增， 耗量巨大。按我国光伏产业现在的生产技术水平，生产 1MW硅太阳能电池约需 15t硅材料，如果我国到 2010 年生产 IOOMW硅太阳能电池，考虑到届时可将硅片的厚度降到 200～ 250μ m左右， 则将需耗用 1000t 左右硅材料， 远远大于我国硅材料的供应能力。 因此， 必须未雨绸缪， 下大力气研究解决硅材料的生产供应问题。研发生产太阳能级硅是重要的解决途径。所谓“太阳能级硅”并无精确的定义，由于冶金级硅的杂质含量太高， 影响电池的光电转换效率， 如设法将其用简单的化学或物理方法提纯， 使之能够用于制造太阳能电池， 则将大大降低电池的成本，这种硅就称之为“太阳能级硅”。一般认为，能够制造出光电转换效率 10％电池的廉价硅材料， 即可称之为“太阳能级硅”。 而能用于制造集成电路的硅， 则称之为“电路级硅”。为探索各种不同杂质原子对太阳能电池效率的影响， 科研人员花费了大量精力进行研究实验，已取得如下成果：①钽、钼、铌、锆、钨、钛、钒等元素，在浓度 1013— 1014／ cm3即对电池效率产生很大影响。②镍、铝、钴、铁、锰、铬等元素， 则要在浓度 1015／ cm3以上时才对电池效率有影响。 ③而磷和铜在浓度高达 1018／ cm2时才对电池的效率有少量影响。( 六 ) 硅片的加工硅片的加工，是将硅锭经表面整形、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。硅片加工的一般工艺流程，如图 11 所示。这一流程也包括了太阳能电池制造阶段硅片的表面处理工序，在连续生产中可以归并。将硅锭按照技术要求切割成硅片，才能作为生产制造太阳能电池的基体材料。 因此， 硅片的切割， 即通常所说的切片， 是整个硅片加工的重要工序。 所谓切片， 就是锭通过镶铸金刚砂磨料的刀片( 或钢丝 ) 的高速旋转、接触、磨削作用，定向切割成为要求规格的硅片。切片工艺技术直接关系到硅片的质量和成品率。 对于切片工艺技术的原则要求是： ①切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。②断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹。③提高成品率，缩小刀 ( 钢丝 ) 切缝，降低原材料损耗。④提高切割速度，实现自动化切割。切片的方法目前主要有外圆切割、内圆切割、多线切割以及激光切割等。目前工业生产中较多采用的切割方法之一是内圆切割。 它是用内圆切割机将硅锭切割成 0． 3～ 0． 4mm的薄片。其刀体的厚度为 0． 1mm左右，刀刃的厚度为0． 20～ 0． 25mm，刀刃上黏有金刚砂粉。在切割过程中，每切割一片，硅材料约有 0． 3～ 0． 35mm的厚度损失，因此硅材料的利用率仅为 40％～ 50％左右。内圆切割刀片的示意图，如图 12 所示。内圆式切割机的切割方法，可分成图 13所示 4 类： (a) 刀片水平安装，硅料水平方向送进切割； (b) 刀片垂直安装，硅料水平方向送进切割； (c) 刀片垂直安装， 硅料垂直方向送进切割； (d) 刀片固定，硅片垂直方向送进切割。采用多线切割机切片是当前最为先进的切片方法。 它是用钢丝携带研磨微粒完成切割工作。即将 lOOkm左右钢丝卷置于固定架上，经过滚动碳化硅磨料切割硅片。此法具有切片质量高、速度快、产量大、成品率高、材料损耗少 ( 切损只有 0． 2～ 0． 22mm)、可切割更大更薄 (0 ． 2mm)的片以及成本低等特点，适宜于大规模自动化生产。典型瑞士多线切割机的生产能力为可同时加工 4 组125mmXl25mmX520mm的硅锭，用时约 3． 15h，可切片 4160 片，片子目前平均厚度为 325pm(可更薄 ) ，切割刃口窄，比一般内圆式切割机可节约硅材料约 1／ 4左右。选用制造太阳能电池硅片应考虑的主要技术原则有如下各项： 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。 目前国内外大多采用 p 型硅材料。 为降低成本， 两种材料均可选用。②电阻率 硅的电阻率与掺杂浓度有关。就太阳能电池制造而言，硅材料电阻率的范围相当宽，从 0． 1～ 50Ω · cm甚至更大均可采用。在一定范围内，电池的开路电压随着硅基体电阻率的下降而增加。 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，但总的转换效率较高。所以，地面应用宜于使用 0． 5～ 3． oΩ · cm的硅材料。太低的电阻率，反而使开路电压降低，并导致填充因子下降。③晶向、位错、寿命 太阳能电池较多选用 (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，和尽量高的少子寿命。④几何尺寸 主要有 ?50mm、 ?70mm、 ?100mm、 ?200mm的圆片和 lOOmm X lOOmm、 125mm X 125mm、 150mmX l50mm的方片。硅片的厚度目前已由早先的 300～ 450μm 降为当前的 200— 350μ m。(1) 电池板设计，根据需要设计电池板的大小和电池片的排列结构，一般排列结构有 12 X 3， 9 X 4 等，以下以 9× 4 为例一般电池片和电池片之间，电池片和汇流条之间等间隔采用两到三毫米。(2) 电池片切割，材料准备准备 36 片电池，若干合适长度的互连条(3) 电池片正面焊接首先焊接电池片正面 (负极 )连接线。焊接时先在电池片的主栅上用棉签涂少量助焊剂。 焊带的焊接部分也涂上主焊剂， 把焊带放在电池片的主栅线上， 左手拿焊带，右手执烙铁，先把焊带的最右边用烙铁轻轻焊在电池上， 以利于对齐，然后从左到右把烙铁头在焊带上拖过。 注意速度要掌握好， 太快不能可靠焊接， 太慢也会影响焊接质量。(4) 电池片串联 把已经焊好正面的电池片正面朝下摆放好，如下图。焊接电池片背面。焊接时可以把电池片紧靠在不锈钢直尺的边上，一方面可以保证边缘整齐，另一方面可以用直尺上的刻度保证两个电池片之间的间隔。焊接时注意各个电池片串的长度保持一致。(5) 排板把四个电池片串带按照正确的方向和一定的间距背面朝上在操作台上排列一起， 各排之间对齐。为了以后容易移动，电池片之间可以使用透明胶带在电池片背面粘结在一起。(6) 汇流条焊接各个电池串之间使用汇流条焊接到一起， 注意焊接时不要把各个电池串的极性接错。 同时焊上引出用的汇流条作为电池板的引出线。 引出线和汇流条的位置在电池片后面的， 应该使用透明胶带作绝缘处理。(7) 铺设铺设时注意 T． P． T 和 EVA 要比玻璃稍大。大约每边留 l0 到 l5 毫米。(8) 引出在层 l 和层 2 的适当位置用刀片切出合适的缝隙， 把引出线从缝隙穿出。把引出线在外面用透明胶带固定。(9) 检验对连接好的电池板应当进行电气检查和 01-观检查 【 1o】 层压按照使用说明中的步骤打开层压机。以下主要说明如何放入和取出电池板。层压机内有两块机聚四氟玻璃纤维布， 先铺一块在层压机内， 在上面放入电池板。 再盖一块聚四氟玻璃纤维布在上面。盖上层压机，层压机自动开始层压过程 (在自动状态下 )。过程完成后层压机会自动打开上盖。 层压机上盖自动打开后，把两层聚四氟玻璃纤维布和电池板一起取出。待温度稍低后揭下聚四氟玻璃纤维布。然后把聚四氟玻璃纤维布上的 EVA 清除干净聚四氟玻璃纤维布在使用过程中应当始终用同一面接触电池板，这样不容易把 EVA粘到层压机上。(11) 切边待电池板的温度降低以后，用裁纸刀切下玻璃边外的 EVA 和 T． P． T。㈦固化 电池板层压完成后，应按照 EVA 的特性进行固化 (胶联 )。一个典型的固化温度为140 度， 30 分钟。温度和时间应参照 EVA 的技术参数确定。固化过程在固化炉内进行。也可以把层压和固化放在一个层压过程内完成， 具体参数要根据具体情况制定。 一个参考的参数如下：层压机温度 150 度，抽空时间 6 分钟，层压固化时间 7 分钟。【 B】装边框使用铝合金边框可以在铝合金边框内涂玻璃胶，也可以把 EVA 裁成 2 厘米左右宽的长条裹在电池板玻璃边上装入铝合金框体，然后加热使之热熔到一起。(14】安装接线盒㈦测试多晶硅生产工艺的特点：1)采用了长晶凝铸技术和标准化的坩埚设备， 可以凝铸大型 (240 公斤 )的晶锭，大幅度提高了产量， 并减少了能源消耗； 与单晶硅相比，多晶硅能用较低纯度的原材料，降低了成本和原材料的采购难度。2)采用了氮化硅抗反射膜，较之传统的氧化碲稳定；同时，除了抗反射外，氮化硅膜内的氢原子也发挥很大的表面与内部钝化作用。3)五英寸与六英寸的多晶硅正方形太阳能电池与近方形的单晶硅太阳能电池相比较 ，在成本及模板封装密度上具有更强的竞争力。4)采用了多线锯技术， 多线锯的采用与制程设备自动化大大提高了多晶硅太阳能电池相对于薄膜太阳能电池的竞争力。与传统的内径锯相比， 多线锯的产能高、切割损失小， 对芯片表面的伤害少，同时叉可切较薄的芯片，这样可节省约 30％的材料成本 。2． 3 多晶硅太阳能电池影响因素分析判别多晶硅太阳能电池的好坏，最重要的是其转换效率 (()，转换效率可定义为 ：哼一是 x10 -警 x100 ％其中 Pin 为太阳光入射功率， Pm 为最大输出功率， Im 与 Vm 分别为在最大输出功率时的电流与电压。 在光电转换的过程中， 事实上。 并非所有的入射光谱都能被太阳能电池所吸收，并完全转成电流。有一半左右的光谱因能量太低 (小于半导体的能隙 )，对电池的输出没有贡献，而在另半被吸收的光子中，除了产生电子一电洞对所需的能量外，约有一半左右的能量以热的形式释放掉，所以单一电池的最高效率约在 25％左右，目前实验室所制作出的电池，几乎可达到理论值的最高水准。 但由于制造过程复杂，不能规模化生产，制作成本极高，不符合经济效益。 如何制造才能提升太阳能电池的转换效率， 一直是学术界努力的目标。 目前除开发多晶硅大晶锭熔铸技术、 采用多线锯切割， 减少材料损耗、 降低成本外，还可以从以下几方面提高其光电转换效率：1)将不透光的金属电极作成手指状或是网状， 以减少光线的反射， 使大部分的入射阳光都能进入半导体材料中； 2)将表面制成金字塔型的组织结构，并加入抗反射层 ，以减少光的反射量，3)将金属电极埋人基板中，以增加接触面积， 减少串联电阻；4)点接触式太阳能电池， 此电池的特点是电极均做在同一面， 如此可增加入射光的面积，且易于焊线；5)将太阳能电池制成串叠型电池， 把两个或两个以上的元件堆叠起来， 能够吸收较高能量光谱的电池放在上层，吸收较低能量光谱的电池放在下层， 透过不同材料的电池将光子的能量层层吸收。实验室制造出来的多接面串叠型电池的转换效率可达 33． 3％。