多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳能电池摘 要在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源短缺并造成环境污染的形势下， 可持续发展战略普遍被世界各国接受。 光伏能源以其具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，被认为是二十一世纪最重要的新能源。由于不可再生能源的减少和环境污染的双重压力，使得光伏产业迅猛发展；太阳电池的发展也日新月异。太阳能电池的发展历程，详细介绍了多晶硅太阳能电池的各种工艺，多晶硅太阳能电池的结构、特点，以及多晶硅的制备方法，并展望了多晶硅太阳能电池的研究趋势。关键词：多晶硅 太阳能电池 发展趋势1 多晶硅太阳能电池目录绪言 . . 3一 . 太阳能电池概述 . 41.1 太阳能电池简介 41.2 太阳能电池原理 41.3 太阳能电池材料 5二 . 多晶硅太阳电池的制造 . 6三 . 多晶硅生产工艺分析 . 73.1 不同硅原子种类太阳能电池商业化的比较 73.2 多晶硅太阳能电池生产工艺分析 83.3 多晶硅太阳能电池影响因素分析 8四 . 多晶硅电池应用前景分析 . 9参考文献 . 102 多晶硅太阳能电池绪言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和利用新能源的热潮。 在新能源中 , 特别引人瞩目的是不断地倾注于地球的永久性能源 —— 太阳能。太阳能是一种干净、清洁、无污染、取之不尽用之不竭的自然能源 , 将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础 , 世界各国都很重视。利用太阳能有许多优点，光伏发电将为人类提供主要的能源，但目前来讲，要使太阳能发电具有较大的市场，被广大的消费者接受，提高太阳电池的光电转换效率， 降低生产成本应该是我们追求的最大目标， 从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜） 。多晶硅，这种原本主要用作电子芯片领域的原材料， 在中国成为各地争上的产业 , 虽然在 2008 年曾因金融危机的影响， 但是作为一种新型的产业其具有极强的生命力。 中国电子材料行业协会给国家发改委的一份行业报告显示，到 2009 年 6 月底，我国已有 19 家企业多晶硅项目投产，产能规模达到 3 万吨 / 年，另有 10 多家企业在建，扩建多晶硅项目，总规划产能预计到 2010 年将超过 10 万吨。而 2008 年我国多晶硅的总需求量才 17000 吨。这些产能若全能兑现，将超过全球需求量的 2 倍以上。3 多晶硅太阳能电池一 . 太阳能电池概述1.1 太阳能电池简介太阳能电池是一种能量转换的光电元件，它是由太阳光照射后，把光的能量转换成电能，此种光电元件称为太阳电池。从物理学的角度来看，有人称之为光伏电池。太阳电池的种类很多，依材料的种类来分，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅、Ⅲ -V 族 ( 如砷化镓 GaAs 、磷化铟 InP、磷化镓铟 InGaP) 、 II-VI 族( 如碲化镉 CdTe、硒化铟铜 CuInSe)等。太阳能电池是在 1954实验室制造出来的 , 时研究的动机是希望能替偏远地区有通讯系统提供电源，不过由于效率太低，造价太高，缺乏商业价值。与此现时，世界超级大国美国、苏联正如火如荼在实 施着太空计划，因为人阳能电池具有不可取代的重要性，使得太阳能电池找到了新的发展领域。从 1957 射第一颗人造卫星开始至 1969 人登陆月球， 太阳能电池在太空飞行任务中肩负着重要的角色， 其发展也达到了一个颠峰的境界。 但因为太阳能电池造价昂贵，制约了其应用范围。太阳能电池发电与居民生活用电相结合， 在美国、 日本德国等发达国 家开始推广与城市发电系统相并联的太阳能电池发 电系统。此一发电系统的建立大大地缓解了筹建大型发电厂的压力， 节约了用地， 也减少了对环境的破坏。近年来，太阳能电池生产技术不断得到研究开发，生产成本不断降低，电池转换效率不断提高， 太阳能电池的应用日益普及并拓展， 已日渐成为电力供应的重要来源。1.2 太阳能电池原理太阳能电池发电是基于电子 -- 穴移动原 正面以单晶硅太阳能电池为例。 单晶硅是指硅与硅原子间按照顺序规则的排列。 硅 (Si) 的原子序数为 4，其电子组态为（ 1s 2s 2p 3s 3p ） ，其中内层的 10 个电子 (1s 2s 2p) ，被原4 多晶硅太阳能电池子核紧密的束缚着，而外层的 4 个电子 (3s 3p) 受到原子核的束缚较小，如果得到足够的能量， 则可使其脱离原子束缚而成为自由电子， 硅原子外层的这 4 个电子又称为价电子， 而硅的晶体结构是属于钻石晶体， 每个原予与邻近的四个硅原子形成共价键， 在纯硅之中掺人三价的杂质原子， 例如硼原子，此三价的杂质原子， 将取代硅原子的位置， 因为硼原子只有三个电子可供与邻近的硅原子形成共 价键，所以硼原子的周围会产生一个空缺，可供电子填补， 这个可填补电子的空穴即称为电洞。 电洞在电学中可视为一可移动且带正电的载子。 因为电洞可接受一个电子， 所以掺入三价杂质原子又称为受体，而一个掺入三价杂质的半导体，即称为 P 型半导体。同理，如果在纯硅之中掺入五价的杂质原子，例如磷原子（ P） , 此五价的杂质原子，将取代硅原子的位置，因为磷原子具有五个价电子，其中四个价电子分别与邻近的四个硅原子形成共价键， 而多出一个自由电子， 该电子为一带负电的载子， 因为五价的杂质原子可提供一个自由电子， 故称此五价的杂质原子为施体，而掺了杂质的半导体称为 N型半导体。一般太阳能电池就是以掺杂少量硼原子的 P型半导体作基板，然后再用高温热扩散的方法，把浓度略高于硼的磷掺入 P 型基板内，形成 P-N 接面，这 P-N 接面是由带正电的施体离子与带负电的受体离子所组成， 在该正、 负离子所在的区域由，存在内建电位，这一内建电位，可驱赶在此区域中的可移动电载子， 故此区域称之为空乏区。 当太阳能光照射到 P-N 结构的半导体时，光子所提供的能量把半导体中的电子激发出来，产生电子 - 电洞对，电子与电洞均受内建电位的影响， 电洞往电场的方向移动， 而电子则与相反的方向移动。用导线将此太阳能电池与一负载连接，形成一个回路，就产生电流流过负载，此即为太阳能电池发电原理。1.3 太阳能电池材料太阳能辐射光谱主要以可见光为中心，其分布范围从 0.3 微米的紫外光到数微米的红外光为主，若以光子的能量来换算，则约在 0.4Ev( 电子伏特 ) 到 4eV 之间，经实验，只有当光子能量大干半导体能隙的能量时，光子才被半导体吸收， 且被吸收的光子能量也只相当于半导体能隙的能量， 使半导体5 多晶硅太阳能电池产生电子 - 电洞，而其余的能量以热的形式散发。一般来说，理想的太阳能电池材料必须具有如下特性 ：能隙在 1.1eV 到 1.7eV 之间；直接能隙半导体或易于得到的间接能隙半导体；组成的材料无毒性，可利用薄膜沉积的技术，并可规模化生产；有良好的光电转换效率；具有长时间的稳定性。据测定， 硅的能隙为 1.12eV， 且是地球上蕴含量居第二的元素， 本身无毒性， 它的氧化物既稳定又不具水溶性， 因此硅在半导体工业的发展中担负着重要的角色，具备了深厚的基础，目前太阳能电池硅仍为主要原料。二 . 多晶硅太阳电池的制造多晶硅太阳电池的制造工艺和单晶硅太阳电池相差不大，所用的设备相同， 只是在制造多晶硅太阳电池时要尽量降低其晶界对光生载流子的复合损失。目前采用的方法有：(1) 磷和铝吸杂。在多晶硅表面沉积磷或铝层，或用三氯氧磷液态源进行高温下高浓度预扩散，在表面产生缺陷，高温下杂质可能在高缺陷区富集，再将该层去掉即可除去一些杂质。 磷和铝吸杂的效果与基片原来的状态有很大关系， 特别是氧和碳的含量，氧碳含量高时效果不好。(2) 氢气钝化。 实验室中在约 450℃下用气氛 (20 ％氢＋ 80％氮气 ) 对晶界进行氢钝化处理，可大大降低晶界两侧的界面态，从而降低晶界复合，提高太阳电池效率。 多晶硅太阳电池大部分采用氮化硅做减反射膜， 主要用等离子体化学气相沉积 (PECVD)方法，在制备氮化硅的过程中也会有等离子态的氢对多晶硅晶界起氢钝化作用。(3) 建立界面场。通过对多晶硅太阳电池的 n 型区晶界重掺杂磷，磷向晶界两侧扩散形成 n＋ － n 界面结构， 在 p 型区晶界重掺杂铝， 铝亦向晶界两6 多晶硅太阳能电池侧扩散形成 p＋ － p 界面结构， 这两种结构在相应边界产生的界面场均能阻止该区的光生少子在晶界面处复合，从而大大提高太阳电池效率。三 . 多晶硅生产工艺分析3.1 不同硅原子种类太阳能电池商业化的比较依据硅原子不同的结构方式，区分为单晶硅多晶硅、非晶硅三类。应用于商业化生产的太阳电池， 目前市场上主要有单晶硅、 多晶硅和非晶硅三大类。单晶硅和多晶硅产品已成为目前太阳能电池产品应用的主流。单晶硅电池以其转换效率高 (24.7%) 质量稳定等特点在国际市场上得到了广泛的应用。 单晶硅产品的技术发展有很大的空间， 国际上许多生产厂家和研发机构在努力进行科学研究，可用于商业化生产的高效率产品不断出现。但单晶硅对原料的纯 度要求高 (99.999999999%)，生产成本居高不下，制约了单晶硅在普通领域的广泛推广应用。 多晶硅太阳电池以其转换效率较高 (19.8%) ，性能稳定和成本适中而得到越来越广泛的应用。多晶硅太阳能电池对原料的纯度要求低，原料的来源渠道也较为广阔，可由铸锭而成，适合大规模商业化生产， 多线切割工艺可为电池生产提供不同规格的硅片， 以适应不同用途，并使生产成本大大降低。目前多晶硅太阳能电池已超越单晶硅的产量，占据市场的主导地位。非品硅太阳能电池转换效率较低 (14.5%) ，目前，市场上规格品种比较单一。非晶硅电池的生产成本低廉，非常适合低价市场的要求。但由于该类产品的性能极不稳定，电池衰减快，效率低下等因素的影响，其应用市场受到了制约。 鉴于上述未解决的技术难题， 世界的一些较大的非品硅生产厂商也以各种理由停止了生产。就移动环境的使用效果来说，目前以太空级 ( 蒸镀式 ) 的单晶硅太阳能电池较为可靠； 但在固定式 ( 静止 ) 的环境下， 应用印刷式的多晶硅太阳能电池能取得更高的性价比。7 多晶硅太阳能电池3.2 多晶硅太阳能电池生产工艺分析多晶硅太阳能电池生产过程一般经过熔铸晶片、制作电池工段。其生产工艺流程示意如下：硅料熔化 - 铸硅锭 - 切割硅碇 - 制硅片 - 硅片清洗 - 硅片测试 - 硅片腐蚀 - 扩散制结等离子刻蚀 -HF 腐蚀 -PECVD减反射膜 - 印刷背电极 - 背场烧结 - 正面电极印刷及烧结 - 电池测试、分选 - 入库或出售。多晶硅片工段：生产多晶硅片的主要原料为多硅，制作工序为：(1) 准备坩埚 : 二氧化硅 ( 硅石 ) 坩埚需涂上一层专门的材料目的是防止融化的硅粘在坩埚上。(2) 准备多硅 : 主料多硅被洗净之后再放进坩埚。(3) 硅锭生产 : 在坩埚里放进大约 240 公斤的硅原料，用 HEM熔炉熔炼，直接冷却固化后形成一个大约 6900× 6900× 220mm的硅锭。(4) 切开硅锭 : 金属线电锯将硅锭切成 25 格 125× 125mm的正方形晶片。再用钻石代锯锯掉每一格 ( 小块 ) 的上、 下部。 最后用碾磨机在加工成晶片成品之前将每一格的尖角斜切下来。(5) 硅锭分片 : 用金属丝电锯将硅锭切成晶片。(6) 硅片清洗 : 将硅片放入输送带，在超声波洗涤剂里清洗，再在纯净水里漂洗，最后哄干。(7) 硅片测试 : 测试晶片，以保证其厚度适当，耐性正常。3.3 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，转换效率可定为 ：其中 Pin 为太阳光入射功率， Pm为最大输出功率， Im 与 Vm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8 多晶硅太阳能电池隙 ) ，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%。四 . 多晶硅电池应用前景分析人类发展太阳能电池的最终目标，就是希望取代目前以煤、石油、天然气为主的传统能源。太阳能取之不尽、用之不竭，是地球上人人均可分享的绿色自然可再生能源。 据估算， 陆地表面每年接受的太阳辐射能约为 2.4 万亿吨标准煤。世界各地太阳平均辐射能达 335-837KJ/cm2。若把太阳表面所放射出来的能量换算成电力约 3.8 × 1023KW;若考虑太阳光经过一亿五千万公里距离的良师衰减，穿过大气层到达地球表面也约有 1.8 × 10＾ 14KW，这个值大约为全球平均电力的十万倍之大。如果人类能够有效的利用太阳能，9 多晶硅太阳能电池则不仅能解决人类生存和发展所需的能源消耗问题， 同时也将解决人类赖以生存和发展所需的生态环保问题。多晶硅太阳电池在提高太阳电池效率、节约能源和大幅度降低成本方面都具有极其诱人的前景。 实践证明 , 科学难题的解决需要长期坚持不懈的努力 , 而不是急功近利的短期行为。 只要从战略高度出发 , 锲而不舍 , 就一定会达到成功的彼岸。参考文献[1] 卢金军 , 《太阳能电池的研究现状和产业发展》 [J]. 《科技资讯》 , 2007 [2] [M]. 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