P型太阳能电池简介

单晶硅太阳能电池简介 2010-03-02 16:51:06 阅读 14 评论 0 字号：大中小目 录单晶硅 太阳能电池简介太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能， 广义地说， 太阳能包含以上各种可再生能源。 太阳能作为可再生能源的一种， 则是指太阳能的直接转化和利用。 通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术， 再利用热能进行发电的称为太阳能热发电， 也属于这一技术领域； 通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术， 光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。二十世纪 50 年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是 1954年美国贝尔实验室研制出 6％的实用型 单晶硅 电池，二是 1955 年以色列 Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。 这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。70 年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。 1973 年，美国制定了政府级的阳光发电计划， 1980 年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达 8亿多美元。 1992 年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。 日本在 70 年代制定了“阳光计划”， 1993 年将“月光计划” （节能计划） 、“环境计划”、 “阳光计划”合并成“新阳光计划”。 德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。 90 年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议， 讨论和制定世界太阳能战略规划、 国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等， 推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。 开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动， 成为各国制定可持续发展战略的重要内容。自“六五”以来我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。二十多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。太阳电池是一对光有响应并能将光能转换成电能的器件。 当光线照射太阳电池表面时， 一部分光子被硅材料吸收； 光子的能量传递给了硅原子， 使电子发生了越迁， 成为自由电子在 P-N结两侧集聚形成了电位差， 当外部接通电路时， 在该电压的作用下， 将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。 这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。生产太阳电池的原材料是太阳能级或 IC 级单多晶硅片，我公司生产的最终成品是太阳能电池组件， 中间成品是太阳能电池片。 将单片的太阳电池通过串并联焊接在一起，再用玻璃、 EVA、 TPT、铝合金框等材料将它们封装起来，就做成了板状的太阳能电池组件。生产太阳电池及组件分为若干个工艺流程，下面以 P型 单晶硅 电池为例作介绍：、化学减薄、制绒和清洗这三个流程是在同一台设备 （全自动太阳能专用清洗机） 上完成的。 进入工厂的硅片是由硅片生产厂家通过切割硅锭而得到的， 所以硅片表面会存在一定的损伤（损伤层），另外，硅片加工过程中难免会受到不同程度的污染。所以在进入正式生产之前， 我们必须先去除硅片表面的损伤层和污物。 这里我们通过化学反应的方法用 20%的氢氧化钠溶液腐蚀硅片表面，剥离硅片表面的一层硅，从而达到去除损伤层的目的。 然后再用较稀的氢氧化钠溶液来制作绒面， 其原理是氢氧化钠对硅片表面腐蚀速度不同， 从而导致硅片表面形成凹凸不平的状态， 这就是所谓的绒面。 绒面的作用是使光线在硅片表面发生多次反射， 从而增加光线射入硅片的几率，硅片相应的得到更多的能量。然后，我们采用 酸洗 （盐酸）的办法去除硅片表面的污垢，最后用去离子水冲洗硅片、烘干。、 扩散制 PN结PN结是太阳电池光电转换的关键，我们的硅片是 P型的（掺硼），扩散工艺的目的就是要形成良好的 P-N 结。 其原理是在高温下， 使磷原子扩散进入硅片，使硅片表层一定厚度的硅片变成 N型， P型和 N型交界的那个面就是所谓的 P-N结， 当光子进入 P-N结时， 会使电子激发产生越迁从而形成自由电子， 自由电子的不断累计在 P-N 结两侧产生了电位差 （电压） ， 当外部电路接通时就会产生连续的电流。 这个过程是在密闭的高温扩散炉中进行的。 设备采用国内知名的太阳能设备生产单位——中国电子科技集团第 48 研究所生产的闭式扩散炉。、 等离子刻蚀去边扩散过程中， 不但硅片的表面扩散上了磷， 硅片边缘也扩散上了磷， 这会导致硅片正反两极通过边缘导通短路。 所以我们必须将硅片边缘这层被扩散上的硅去掉，俗称去边，大概去除 1 到 3 个微米。去边的设备是等离子刻蚀机，硅片在刻蚀机内水平旋转， 通入的反应气体为四氟化碳、 氧气和氮气。 其原理是在放电状态下反应气体四氟化碳、 氧气和硅片边缘的硅发生反应， 反应形成粉末后随气流一起被抽走。、 扩散后清洗扩散过程中，磷和硅会在硅片表面形成一层化合物，我们称之为磷硅玻璃。这层物质会影响太阳光的入射， 而且也会降低硅片表面和电极的接触性能， 导致电池质量下降，所必须出去这层磷硅玻璃。这里利用稀氢氟酸（ HF）溶液能和磷硅化合物反应而不会和硅发生反应的特性来去除磷硅玻璃。 具体实现方法是， 将硅片装在特定的装载篮里浸入稀氢氟酸溶液一定时间，然后再经过去离子水漂洗，最后烘干。、 制减反射膜所谓减反射膜就是一层能够减少光在硅片表面反射从而增加入射光的特殊物质， 我们采用当前普遍应用的氮化硅减反射膜。 我们通过等离子增强气象化学沉积的办法来制作氮化硅膜，设备为德国 ROTH&RAU公司生产的大型沉积设备。整个过程在密闭真空状态下进行，电池片扩散面朝上放在一个平板放电电极上，在一定温度、压力下，反应气体硅烷（ SiH4）、氨气（ NH3）、氮气（ N2）在放电状态下发生复杂的物理化学反应，生成氮化硅（ SixNy）沉积在硅片的表面，形成一层致密的膜结构，这就是减反射膜。、 丝网印刷电极做完减反射膜之后电池基本上形成了，但是我们要把电能从电池中引出来，所以必须要有电极， 就像普通干电池也有正负金属电极一样， 这就是丝网印刷要完成的工作， 电极起一个收集和导出电流的作用。 丝网印刷设备是日本进口的全自动丝网印刷机， 它通过印刷的方式将金属浆料印刷到硅片的正反面。 电池的正面（即扩散面）印刷的是银浆，银浆是一种含银量 80%左右的浆糊状物质，通过印刷在硅片表面形成由两条较粗的主栅线 （宽约 1.5 毫米） 和极细的网状细栅线组成的电极， 收集整个硅片表面产生的电流； 电池的背面印刷的是铝浆和银铝浆，银铝浆印刷在和正面主栅线对应的位置（宽约 2.0 毫米），它起焊接作用。其余位置全部覆盖含铝量约 75%的铝浆，铝浆起导电电极的作用，另外，铝和硅形成的合金会产生一个叫背表面场（ BSF）的特殊层，这个背表面场对电池的电压有一定的贡献，能够提高电池的效率。1、 改良西门子法——闭环式三氯氢硅氢还原法改良西门子法是用氯和氢合成氯化氢 （或外购氯化氢） ， 氯化氢和工业硅粉在一定的温度下合成三氯氢硅， 然后对三氯氢硅进行分离精馏提纯， 提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内进行 CVD反应生产高纯多晶硅。国内外现有的多晶硅厂绝大部分采用此法生产电子级与太阳能级多晶硅。2、硅烷法——硅烷热分解法硅烷（ SiH4）是以四氯化硅氢化法、硅合金分解法、氢化物还原法、硅的直接氢化法等方法制取。 然后将制得的硅烷气提纯后在热分解炉生产纯度较高的棒状多晶硅。 以前只有日本小松掌握此技术， 由于发生过严重的爆炸事故后， 没有继续扩大生产。 但美国 Asimi 和 SGS公司仍采用硅烷气热分解生产纯度较高的电子级多晶硅产品。3、流化床法以四氯化硅、氢气、氯化氢和工业硅为原料在流化床内（沸腾床）高温高压下生成三氯氢硅， 将三氯氢硅再进一步歧化加氢反应生成二氯二氢硅， 继而生成硅烷气。制得的硅烷气通入加有小颗粒硅粉的流化床反应炉内进行连续热分解反应，生成粒状多晶硅产品。 因为在流化床反应炉内参与反应的硅表面积大， 生产效率高， 电耗低与成本低， 适用于大规模生产太阳能级多晶硅。 唯一的缺点是安全性差，危险性大。其次是产品纯度不高，但基本能满足太阳能电池生产的使用。此法是美国联合碳化合物公司早年研究的工艺技术。目前世界上只有美国 MEMC公司采用此法生产粒状多晶硅。此法比较适合生产价廉的太阳能级多晶硅。4，太阳能级多晶硅新工艺技术除了上述改良西门子法、 硅烷热分解法、 流化床反应炉法三种方法生产电子级与太阳能级多晶硅以外，还涌现出几种专门生产太阳能级多晶硅新工艺技术。1）冶金法生产太阳能级多晶硅据资料报导 [1] 日本川崎制铁公司采用冶金法制得的多晶硅已在世界上最大的太阳能电池厂（ SHARP公司）应用，现已形成 800 吨 / 年的生产能力，全量供给 SHARP公司。主要工艺是： 选择纯度较好的工业硅 （即冶金硅） 进行水平区熔单向凝固成硅锭， 去除硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分后， 进行粗粉碎与清洗， 在等离子体融解炉中去除硼杂质， 再进行第二次水平区熔单向凝固成硅锭， 去除第二次区熔硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分， 经粗粉碎与清洗后， 在电子束融解炉中去除磷和碳杂质，直接生成太阳能级多晶硅。2）气液沉积法生产粒状太阳能级多晶硅据资料报导 [1] 以日本 Tokuyama公司为代表， 目前 10 吨试验线在运行， 200吨半商业化规模生产线在 2005-2006 年间投入试运行。主要工艺是：将反应器中的石墨管的温度升高到 1500℃，流体三氯氢硅和氢气从石墨管的上部注入，在石墨管内壁 1500℃高温处反应生成液体状硅，然后滴入底部，温度回升变成固体粒状的太阳能级多晶硅。3）重掺硅废料提纯法生产太阳能级多晶硅据美国 Crystal Systems 资料报导 [1] ，美国通过对重掺 单晶硅 生产过程中产生的硅废料提纯后，可以用作太阳能电池生产用的多晶硅，最终成本价可望控制在 20 美元 /Kg 以下