光伏電池制備工藝課件

1、光伏電池制備工藝光伏電池制備的準(zhǔn)備任務(wù)任務(wù)二二晶硅電池產(chǎn)業(yè)鏈工藝流程晶硅電池產(chǎn)業(yè)鏈工藝流程 目目 錄錄 一.相關(guān)概念 二.產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu) 三.主要工藝流程 1.原生多晶硅 2.單晶硅拉制工藝 3.多晶鑄錠工藝 4.準(zhǔn)單晶工藝 5.電池片生產(chǎn)工藝 四.總結(jié) 定義:光伏組件是一種暴露在陽光下便會產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，幾乎全部由半導(dǎo)體物料（例如硅）制成的固體光伏電池組成。由于沒有活動的部分，故可以長時間操作而不會導(dǎo)致任何損耗(電池板使用壽命20年以上)。簡單的光伏電池可以為手表及計算器提供能源，較復(fù)雜的光伏系統(tǒng)可以為房屋提供照明，并入電網(wǎng)供電。太陽能電池太陽能電池太陽能太陽能電池電池晶硅電池晶硅電池多元

2、化合物薄多元化合物薄膜電池膜電池單晶硅電池單晶硅電池多晶硅電池多晶硅電池種類種類非晶硅薄膜電非晶硅薄膜電池池硫化鎘硫化鎘砷化鎵砷化鎵銅銦硒薄膜銅銦硒薄膜電池電池多晶硅多晶硅:是單質(zhì)硅的一種形態(tài).熔融的單質(zhì)硅在過冷的條件下凝固時,硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核,如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒,則這些晶粒結(jié)合起來,就形成多晶硅.單晶硅單晶硅：熔融的單質(zhì)硅在過冷的條件下凝固時,硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核,如這些晶核長成晶面取向相同的晶粒,則這些晶粒結(jié)合起來,就形成單晶硅.2022/5/57二二.產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)鏈結(jié)構(gòu)硅礦石silica太陽能級多晶硅SoG:67N工業(yè)硅MS-Si12N

3、單晶硅棒多晶鑄錠化學(xué)法：改良西門子冶煉SiO2+C Si+CO2 Si+HClSiHCl3+H2SiHCl3+H2Si+HCl鑄錠爐直拉或區(qū)熔（CZ or FZ）準(zhǔn)單晶硅錠單晶硅片單晶硅太陽能電池多晶硅片鑄錠爐切片機切片機多晶硅太陽能電池太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)切片機二二.產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)1.原生多晶硅原生多晶硅三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/510三三.主要流程介紹主要流程介紹 三大主要生產(chǎn)方法三大主要生產(chǎn)方法多晶硅多晶硅改良西門子法改良西門子法硅烷法硅烷法冶金法冶金法注:前兩種方法為化學(xué)方法,后一種為物理方法,國內(nèi)改良西門子法占比95%以上2022/5/511 改良西門子法改良西

4、門子法三三.主要流程介紹主要流程介紹.主要反應(yīng)原理：Si+HCl SiHCl3+H2+SiCl4+SiH2Cl2（三氯氫硅合成爐）SiHCl3+H2 Si+HCl（還原爐）SiCl4+H2 SiHCl3+HCl(氫化爐) 四氯化硅還原生產(chǎn)三氯氫硅一直是全球多晶硅生產(chǎn)企業(yè)廣泛關(guān)注的焦點問題，此方法不但處理四氯化硅還原生產(chǎn)三氯氫硅一直是全球多晶硅生產(chǎn)企業(yè)廣泛關(guān)注的焦點問題，此方法不但處理了副產(chǎn)物四氯化硅，同時還重新得到了生產(chǎn)多晶硅的原料三氯氫硅，氯化氫也可以自身利用，能顯著地了副產(chǎn)物四氯化硅，同時還重新得到了生產(chǎn)多晶硅的原料三氯氫硅，氯化氫也可以自身利用，能顯著地降低生產(chǎn)成本，各個生產(chǎn)企業(yè)都花費了

5、大量的人力物力進(jìn)行研究。降低生產(chǎn)成本，各個生產(chǎn)企業(yè)都花費了大量的人力物力進(jìn)行研究。2022/5/512氯化氫氯化氫硅粉硅粉氯化氯化分離分離冷凝冷凝粗餾粗餾精餾精餾冷凝冷凝還原尾氣還原尾氣還原還原氫凈化氫凈化多晶硅多晶硅水電解水電解四氯化硅四氯化硅冷凝冷凝四氯化硅四氯化硅氫氣、三氯氫硅氫氣、三氯氫硅氯化氫氯化氫三氯氫硅三氯氫硅氫還原氫還原改良西門工藝流程改良西門工藝流程三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/513氫化方法：熱氫化與冷氫化氫化方法：熱氫化與冷氫化熱氫化技術(shù)熱氫化技術(shù)利用以下反應(yīng):2SiCl4+H22SiHCl3+2HCl反應(yīng)溫度為12001250,壓力范圍1.52.5個大氣壓

6、力,三氯氫硅的單程收率大約為17%20%左右. 工藝工藝優(yōu)點優(yōu)點：壓力比較緩和,對設(shè)備要求低,安全性好,且氫氣和四氯化硅比值較小,因此還原爐內(nèi)四氯化硅濃度較高,保證了還原反應(yīng)的速率以及充分性,且降低了后期分離的難度. 工藝缺點工藝缺點：反應(yīng)溫度高，電耗高，TCS單耗2.2 3KWh/kg，加熱片為易耗材料，運行費用較高，有碳污染的可能。三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/514熱氫化改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝流程簡圖熱氫化改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝流程簡圖三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/515冷氫化技術(shù)冷氫化技術(shù)利用以下反應(yīng):SiCl4+2H2+3Si 4SiHCl3反應(yīng)溫

7、度為450,壓力范圍1.51.8MPa,轉(zhuǎn)化率大約為20%25%左右.需要催化劑NiO工藝優(yōu)點工藝優(yōu)點：反應(yīng)溫度低，電耗低， TCS單耗 1KWh/kg工藝缺點工藝缺點：氣固反應(yīng)，操作壓力較高，對設(shè)備密封性要求高，操作系統(tǒng)較復(fù)雜，提純工作量大。三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/516冷氫化改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝流程簡圖冷氫化改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝流程簡圖TCS:三氯化硅三氯化硅STC：四氯化硅：四氯化硅DCS：二氯二氫硅：二氯二氫硅2022/5/518（3）硅烷法）硅烷法最終用硅烷熱解制得多晶硅的方法其中制備硅烷的方法：硅鎂合金工藝 、氯硅烷歧化工藝、金屬氫化物工藝三三.主要

8、流程介紹主要流程介紹2022/5/519（4）冶金法）冶金法工業(yè)硅工業(yè)硅酸洗酸洗氧化精煉氧化精煉真空處理真空處理凝固精煉凝固精煉太陽能級硅太陽能級硅添加Ca去除Ti、Fe除B、C去除P、O、Ca、Al三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/520 1. 光伏產(chǎn)業(yè)帶動多晶硅產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)1MW太陽能電池約需要10噸多晶硅，晶體硅材料是主要的光伏材料，其市場占有率在80%以上，而且在今后相當(dāng)長一段時期，也依然是太陽能的主流材料。 2. 西門子法是目前多晶硅生產(chǎn)的主流技術(shù)，約90%的多晶硅由此技術(shù)生產(chǎn)，短期內(nèi)這種局面不會改變. 3. 多晶硅生產(chǎn)氣體使用情況 氮氣的消耗量是跟你的工藝設(shè)計、用

9、途有關(guān)，一般年產(chǎn)一千噸的多晶硅，經(jīng)驗統(tǒng)計，消耗每小時在500700方，主要是用在尾氣、置換氣、壓料氣、擦洗氣氬氣的消耗主要是硅芯方面小小 結(jié)：結(jié)：三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/5212.單晶硅拉制工藝單晶硅拉制工藝三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/522（1） 拉制方法及拉制過程：拉制方法及拉制過程：直拉單晶（CZ）和區(qū)熔（FZ）化料化料引晶引晶放肩放肩等徑等徑收尾收尾冷卻冷卻裝爐裝爐直拉單晶拉制直拉單晶拉制過程圖過程圖三三.主要流程介紹主要流程介紹化料化料引晶引晶放肩放肩等徑等徑收尾收尾裝爐裝爐直拉單晶爐2022/5/524三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/

10、525 （2）氬氣使用情況氬氣使用情況：整個熱場系統(tǒng)，包括兩大部分，加熱器發(fā)熱，其它部分主耍是保溫、導(dǎo)流，形成一定的溫度梯度，使座落在石墨托里的石英坩堝中的熔料能按要求的晶向結(jié)晶生長。 SiO22CSiC2CO SiCSiO2SiO CO+Si SiO2siO2 拉制單晶需全程通氬，一邊抽空,爐內(nèi)壓力控制在20乇左右。通過合理的熱場結(jié)構(gòu)，能迅速帶走揮發(fā)物。減壓有利于sio的揮發(fā)及防止co返回熔體，達(dá)到降氧和降碳的目的。氬氣流量：35-55L/min(聯(lián)創(chuàng)爐)，投料公斤，耗氣量約170立方三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/5263.多晶鑄錠工藝多晶鑄錠工藝（1）多晶鑄錠爐發(fā)展趨勢：a裝

11、料多 b周期短 C品質(zhì)高 d功率低三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/527（2）工藝周期加熱熔化長晶退火冷卻冷卻出爐出爐1540 約約10-15h1430 1370 900 約約4h整個工藝周期整個工藝周期三三.主要流程介紹主要流程介紹加熱加熱熔化熔化長晶長晶退火退火2022/5/529（3）多晶鑄錠爐主要生產(chǎn)廠家）多晶鑄錠爐主要生產(chǎn)廠家國外主要廠商國外主要廠商：美國GT SOLAR、德國ALD、普法拓普等，其中GT占據(jù)中國多晶鑄錠爐市場約50%。國內(nèi)主要廠商國內(nèi)主要廠商：紹興精工、中電48所、華盛天龍、京運通等三三.主要流程介紹主要流程介紹氬氣主要使用量：氬氣主要使用量：不需全程吹

12、氬，不需全程吹氬，450鑄錠爐單錠氬氣耗量為鑄錠爐單錠氬氣耗量為7090方方2022/5/5304.準(zhǔn)單晶工藝準(zhǔn)單晶工藝（1）準(zhǔn)單晶定義：準(zhǔn)單晶（Mono Like ）是基于多晶鑄錠的工藝，在長晶時通過部分使用單籽晶，獲得外觀和電性能均類似單晶的多晶硅片。三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/531（2）籽晶鋪設(shè)方式三三.主要流程介紹主要流程介紹（3）工藝線路）工藝線路三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/533（4）準(zhǔn)單晶產(chǎn)品的優(yōu)勢）準(zhǔn)單晶產(chǎn)品的優(yōu)勢1.轉(zhuǎn)換效率高于普通多晶，接近直拉單晶電池片18.3%。2.直拉單晶投料量約為100KG，準(zhǔn)單晶鑄錠投料量達(dá)430KG.3.比起普通

13、多晶，組件功率提升明顯，單位成本降低。4.可封裝250 瓦（60 片排布），或300 瓦（72 片排布）的大組件。 5.工藝成本上，直拉單晶成本為160 元人民幣/公斤，準(zhǔn)單晶鑄錠的成本僅為 60 人民幣/公斤三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/534(5)準(zhǔn)單晶技術(shù)研發(fā)要點準(zhǔn)單晶技術(shù)研發(fā)要點1.溫度梯度改進(jìn)溫度梯度改進(jìn)。針對熱場研發(fā)以改良溫度梯度，同時還要注意熱場2.晶種制備晶種制備。研究發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)單晶晶種制備方向?qū)⒊蟪〉姆较虬l(fā)展3.精確熔化控制。精確熔化控制。這一環(huán)節(jié)非常難以控制，它決定準(zhǔn)單晶是否能夠穩(wěn)定生產(chǎn)，因此需要一個與之對應(yīng)的精準(zhǔn)熔化控制設(shè)備。據(jù)了解，為獲得穩(wěn)定的控制工

14、藝，鳳凰光伏開發(fā)了一套針對準(zhǔn)單晶專用的晶種融化控制設(shè)備，可以在0.5mm 的時候進(jìn)入長晶階段；4.位錯密度。位錯密度。在很多生產(chǎn)過程中，效率衰減總是不可避免，為此把位錯密度控制到最低，是此項工藝的關(guān)鍵；5.籽晶的重復(fù)利用技術(shù)籽晶的重復(fù)利用技術(shù)6.鑄錠良率提升。鑄錠良率提升。目前良率大約在40%60%之間，還有待提高。三三.主要流程介紹主要流程介紹2022/5/5356.電池片生產(chǎn)工藝電池片生產(chǎn)工藝硅片檢測表面絨面絲網(wǎng)印刷絲網(wǎng)印刷燒結(jié)燒結(jié)擴散制結(jié)去磷硅玻璃鍍減反射膜鍍減反射膜等離子刻蝕三三.主要流程介紹主要流程介紹硅片檢測硅片檢測表面絨面表面絨面擴散制結(jié)擴散制結(jié)去磷硅玻璃去磷硅玻璃等離子刻蝕等離

15、子刻蝕2022/5/536表面絨面表面絨面：單晶硅絨面的制備是利用硅的各向異性腐蝕，在每平方厘米硅表面形成幾百萬個四面方錐體也即金字塔結(jié)構(gòu)。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率。 工藝槽提通過氮氣鼓泡來攪拌溶液以滿足工藝要求，100MW生產(chǎn)線氮氣消耗量約24m3/h（1）工藝所需氮氣環(huán)節(jié)三三.主要流程介紹主要流程介紹 擴散工藝擴散工藝：太陽能電池需要一個大面積的PN結(jié)以實現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換，而擴散爐即為制造太陽能電池PN結(jié)的專用設(shè)備。在進(jìn)舟、升溫、穩(wěn)定、通源、恒溫、冷卻、出舟過程中氮氣消耗量約28m3/h(100MW)三三.主要流程介紹主要流程介紹

16、去磷硅玻璃：去磷硅玻璃：該工藝用于太陽能電池片生產(chǎn)制造過程中，通過化學(xué)腐蝕法也即把硅片放在氫氟酸溶液中浸泡，使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸，以去除擴散制結(jié)后在硅片表面形成的一層磷硅玻璃。 氮氣作為動力源之一，消耗量為12m3/h三三.主要流程介紹主要流程介紹三三.主要流程介紹主要流程介紹 等離子刻蝕：等離子刻蝕：由于在擴散過程中，即使采用背靠背擴散，硅片的所有表面包括邊緣都將不可避免地擴散上磷。PN結(jié)的正面所收集到的光生電子會沿著邊緣擴散有磷的區(qū)域流到PN結(jié)的背面，而造成短路。因此，必須對太陽能電池周邊的摻雜硅進(jìn)行刻蝕，以去除電池邊緣的PN結(jié)。 此工藝消耗的氮氣主要是用于抽真空后工

17、作腔內(nèi)壓力平衡和真空泵的氮氣保護，氮氣消耗量約8m3/h三三.主要流程介紹主要流程介紹 甩干機氮氣耗量：甩干機氮氣耗量： 在清洗制絨和去磷硅玻璃之后都需要使用甩干機，氮氣主要用于甩干的過程中將硅片吹干，此過程氮氣的消耗量約100m3/h三三.主要流程介紹主要流程介紹 鍍減反射膜鍍減反射膜:拋光硅表面的反射率為35%,為了減少表面反射,提高電池的轉(zhuǎn)換效率,需要沉積一層氮化硅減反射膜?，F(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中常采用PECVD設(shè)備制備減反射膜。 PECVD設(shè)備有四處需要使用氮氣：第一是進(jìn)出舟是需要用氮氣吹掃，防止石墨舟被污染，第二是抽真空后平衡工藝管內(nèi)外壓力，第三是稀釋尾氣中硅烷的濃度，第四是真空泵的氮氣保護。