太陽能電池調(diào)研報(bào)告.doc

招專業(yè)人才 上一覽英才單晶硅太陽能電池1. 能源現(xiàn)狀2. 太陽能電池概述3. 太陽能電池工作原理4. 單晶硅太陽能電池的生產(chǎn)及應(yīng)用1.能源現(xiàn)狀能源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)， 也是直接影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要的因素。然而地球儲藏的化石能源有限，煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，同時(shí)化石能源的大量使用使環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。圖1：中國和世界的能源結(jié)構(gòu)能源枯竭 石油：42年，天然氣：67年，煤：200年 。環(huán)境污染 每年排放的二氧化碳達(dá)210萬噸，并呈上升趨勢，造成 全球氣候變暖；空氣中大量二氧化碳，粉塵含量己嚴(yán)重 影響人們的身體健康和人類賴以生存的自然環(huán)境?？稍偕茉矗?風(fēng)能；水能；地?zé)?；潮汐；太陽能等為此，各個(gè)國家積極發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，越來越多的開發(fā)利用清潔能源。其中太陽能取之不盡，用之不竭，并且無污染，是最具開發(fā)和應(yīng)用前景的清潔能源之一，優(yōu)越性非常突出。太陽能電池是利用太陽能的良好途徑之一，近些年來不斷受到人們的重視，許多國家開始實(shí)行“陽光計(jì)劃”， 尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。使得其成為發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域。太陽能利用的重要途徑之一是研制太陽能電池2.太陽能電池概述1）太陽能電池定義太陽能電池，又稱光伏器件，是一種利用光生伏特效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?。它是太陽能光伏發(fā)電的基礎(chǔ)和核心。2）太陽能電池的發(fā)展世界太陽能電池發(fā)展的主要節(jié)點(diǎn)1954 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明單晶硅太陽能電池，效率為61955 第一個(gè)光伏航標(biāo)燈問世，美國RCA發(fā)明Ga As太陽能電池1958 太陽能電池首次裝備于美國先鋒1號衛(wèi)星，轉(zhuǎn)換效率為8。1959 第一個(gè)單晶硅太陽能電池問世。1960 太陽能電池首次實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。1974 突破反射絨面技術(shù)，硅太陽能電池效率達(dá)到18。1975 非晶硅及帶硅太陽能電池問世1978 美國建成100KW光伏電站1980 單晶硅太陽能電池效率達(dá)到20多晶硅為14.5，Ga As為22.51986 美國建成6.5KW光伏電站1990 德國提出“2000光伏屋頂計(jì)劃”1995 高效聚光Ga As太陽能電池問世，效率達(dá)32。1997 美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計(jì)劃，日本提出“新陽光計(jì)劃”1998 單晶硅太陽能電池效率達(dá)到24.7，荷蘭提出“百萬光伏屋頂計(jì)劃”2000 世界太陽能電池總產(chǎn)量達(dá)287MW，歐洲計(jì)劃2010年生產(chǎn)60億瓦光伏電池3）太陽能電池的應(yīng)用家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)路燈發(fā)電站3太陽能電池的工作原理1）太陽能電池的結(jié)構(gòu)硅太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，它的核心結(jié)構(gòu)是N型硅/P型硅構(gòu)成的活性層。通過特殊工藝向硅晶體中摻入少量的三價(jià)硼就可以構(gòu)成P(positive)型硅。未摻雜的硅晶體中，每個(gè)硅原子通過共價(jià)鍵與周圍4個(gè)硅原子相連。摻入少量硼后，硼原子取代某些硅原子的位置，并且在這些硅原子的位置上也與周圍4個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵。因?yàn)榕鹪又挥?個(gè)價(jià)電子，與周圍4個(gè)硅原子成鍵時(shí)缺少1個(gè)電子，它需要從硅晶體中獲取1個(gè)電子才能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。結(jié)果，硼原子變成負(fù)離子，硅晶體中形成空穴(空穴帶一個(gè)單位的正電荷)。如果向硅晶體中摻入少量五價(jià)磷或者砷就構(gòu)成了N(negative)型硅，例如摻入磷。摻入的磷原子同樣取代硅原子的位置，并與周圍的4個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵。因?yàn)榱自佑?個(gè)價(jià)電子，成鍵后剩下1個(gè)價(jià)電子，這個(gè)電子受到的束縛力比共價(jià)鍵上的電子小得多，很容易脫離磷原子，成為自由電子，結(jié)果該磷原子成為正離子。需要說明的是，P型和N型硅都是電中性的。2）PN結(jié)形成過程當(dāng)把P型硅與N型硅通過一定方式結(jié)合在一起時(shí)，發(fā)生如圖所示的P N結(jié)形成過程。在N區(qū)(N型硅一側(cè))與P區(qū)(P型硅一側(cè))的交界面附近，N區(qū)的自由電子較多空穴較少，P區(qū)則是空穴較多自由電子較少，這樣在P區(qū)和N區(qū)之間出現(xiàn)空穴和自由電子的濃度差。濃度差導(dǎo)致空穴從P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，自由電子從N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，二者在界面附近復(fù)合。P區(qū)界面附近帶正電荷的空穴離開后，留下帶負(fù)電荷的硼，因此形成1個(gè)負(fù)電荷區(qū)。同理，在N區(qū)界面附近出現(xiàn)1個(gè)正電荷區(qū)。通常把交界面附近的這種正、負(fù)電荷區(qū)域叫做空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)中的正、負(fù)電荷產(chǎn)生1個(gè)由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場。在內(nèi)建電場的作用下，空穴和電子發(fā)生漂移，方向與它們各自的擴(kuò)散方向相反，即電子從P區(qū)漂移到N區(qū)，空穴從N區(qū)漂移到P區(qū)。顯然，內(nèi)建電場同時(shí)又起著阻礙電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散的作用。隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，空間電荷逐漸增多，內(nèi)建電場逐漸增強(qiáng)，空穴和電子的漂移也逐漸增強(qiáng)，但空穴和電子的擴(kuò)散卻逐漸變?nèi)?。無外界影響時(shí)，空穴和電子的擴(kuò)散和漂移最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)，空間電荷的數(shù)量一定，空間電荷區(qū)不再擴(kuò)展，內(nèi)建電場的大小就確定下來。3）太陽能電池發(fā)電原理當(dāng)具有一定能量的光子入射到P N結(jié)表面時(shí)，光子在硅表面及體內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生大量的電子-空穴對。由于入射光的強(qiáng)度因材料的吸收而不斷衰減，因而沿著光照方向，材料內(nèi)部電子-空穴對的濃度逐漸降低，這導(dǎo)致電子空穴對向內(nèi)部擴(kuò)散。當(dāng)電子-空穴對擴(kuò)散到P N結(jié)邊界時(shí)，在內(nèi)建電場的作用下，空穴、電子被分別拉向P區(qū)和N區(qū)，電子-空穴對被分離。空穴在P區(qū)積累，電子在N區(qū)積累，結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，在P區(qū)和N區(qū)之間形成與P N結(jié)電勢反向的光生電勢，這就是著名的光生伏特效應(yīng)。電荷運(yùn)動(dòng)的勢壘：p-n結(jié)區(qū)內(nèi)形成的內(nèi)建電場。阻礙電子從n區(qū)向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴從p區(qū)向n區(qū)運(yùn)動(dòng)。 光子入射：造成躍遷產(chǎn)生空穴電子對。光電池：空穴、電子通過外電路復(fù)合，在電路中產(chǎn)生電流。半導(dǎo)體中可以利用各種勢壘如pn結(jié)、肖特基勢壘、異質(zhì)結(jié)等形成光伏效應(yīng)。當(dāng)太陽能電池受到陽光照射時(shí)，光與半導(dǎo)體相互作用可以產(chǎn)生光生載流子，所產(chǎn)生的電子-空穴對靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢壘分開到兩極，正負(fù)電荷分別被上下電極收集。由電荷聚集所形成的電流通過金屬導(dǎo)線流向電負(fù)載。 該效應(yīng)使P N結(jié)內(nèi)部形成自N區(qū)向P區(qū)的光生電流，當(dāng)P N結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會有電流源源不斷地通過電路。3單晶硅的生產(chǎn)應(yīng)用1）太陽能電池材料2）無機(jī)太陽能電池的性能及應(yīng)用單晶硅太陽能電池,是以高純的單晶硅棒為原料的太陽能電池，是當(dāng)前開發(fā)得最快的一種太陽能電池。它的構(gòu)造和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。3）國內(nèi)太陽能電池用硅材料現(xiàn)狀 硅單晶產(chǎn)量2004年單晶硅產(chǎn)量（噸）單晶總產(chǎn)量1700太陽能單晶產(chǎn)量1200太陽能單晶生產(chǎn)能力2000近年來我國硅單晶產(chǎn)量4）單晶硅太陽能電池的生產(chǎn)工藝太陽能電池片制作工藝流程圖單晶硅棒切片切片要求：切割精度高、表面平行度高、翹曲度和厚度公差小。斷面完整性好，消除拉絲、刀痕和微裂紋。提高成品率，縮小刀(鋼絲)切縫，降低原材料損耗。提高切割速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化切割。具體的制作工藝說明（1） 切片：采用多線切割，將硅棒切割成正方形的硅片。（2） 清洗：用常規(guī)的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或堿）溶液將硅片表面切割損傷層除去3050um。（3） 制備絨面：用堿溶液對硅片進(jìn)行各向異性腐蝕在硅片表面制備絨面。（4） 磷擴(kuò)散：采用涂布源（或液態(tài)源，或固態(tài)氮化磷片狀源）進(jìn)行擴(kuò)散，制成PN結(jié)，結(jié)深一般為0.30.5um。（5） 周邊刻蝕：擴(kuò)散時(shí)在硅片周邊表面形成的擴(kuò)散層，會使電池上下電極短路，用掩蔽濕法腐蝕或等離子干法腐蝕去除周邊擴(kuò)散層。（6） 去除背面PN結(jié)。常用濕法腐蝕或磨片法除去背面PN結(jié)。（7） 制作上下電極：用真空蒸鍍、化學(xué)鍍鎳或鋁漿印刷燒結(jié)等工藝。先制作下電極，然后制作上電極。鋁漿印刷是大量采用的工藝方法。（8） 制作減反射膜：為了減少入反射損失，要在硅片表面上覆蓋一層減反射膜。制作減反射膜的材料有MgF2 ，SiO2 ，Al2O3 ，SiO ，Si3N4 ，TiO2 ，Ta2O5等。工藝方法可用真空鍍膜法、離子鍍膜法，濺射法、印刷法、PECVD法或噴涂法等。（9） 燒結(jié)：將電池芯片燒結(jié)于鎳或銅的底板上。（10）測試分檔：按規(guī)定參數(shù)規(guī)范，測試分類。太陽能電池組件封裝工藝流程流程：1、 電池檢測2、正面焊接檢驗(yàn)3、背面串接檢驗(yàn)4、敷設(shè)（玻璃清洗、材料切割、玻璃預(yù)處理、敷設(shè)）5、層壓6、去毛邊（去邊、清洗）7、裝邊框（涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠）8、焊接接線盒9、高壓測試10、組件測試外觀檢驗(yàn)11、包裝入庫提高單晶硅太陽能電池效率的特殊技術(shù)： 晶體硅太陽能電池的理論效率為33（AM1.5光譜條件下）。太陽能電池的理論效率與入射光能轉(zhuǎn)變成電流之前的各種可能損耗的因素有關(guān)。其中，有些因素由太陽能電池的基本物理決定的，有些則與材料和工藝相關(guān)。從提高太陽能電池效率的原理上講，應(yīng)從以下幾方面著手：1、 減少太陽能電池薄膜光反射的損失2、 降低PN結(jié)的正向電池（俗稱太陽能電池暗電流）3、 PN結(jié)的空間電荷區(qū)寬度減少，幷減少空間電荷區(qū)的復(fù)合中心。4、 提高硅晶體中少數(shù)載流子壽命，即減少重金屬雜質(zhì)含量和其他可作為復(fù)合中心的雜質(zhì)，晶體結(jié)構(gòu)缺陷等。5、 當(dāng)采取太陽能電池硅晶體各區(qū)厚度和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)。目前提高太陽能電池效率的主要措施如下，而各項(xiàng)措施的采用往往引導(dǎo)出相應(yīng)的新的工藝技術(shù)。（1） 選擇長載流子壽命的高性能襯底硅晶體。（2） 太陽能電池芯片表面制造絨面或倒金字塔多坑表面結(jié)構(gòu)。電池芯片背面制作背面鏡，以降低表面反射和構(gòu)成良好的隔光機(jī)制。（3） 合理設(shè)計(jì)發(fā)射結(jié)結(jié)構(gòu)，以收集盡可能多的光