第六章硅太陽能電池工藝

第六章

標(biāo)準(zhǔn)硅太陽能電池工藝南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1內(nèi)容6.2冶金級(jí)硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級(jí)硅6.4單晶硅片制成太陽能電池6.3半導(dǎo)體級(jí)多晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉Ч杵?.1由砂還原為冶金級(jí)硅26.5太陽能電池封裝成太陽能電池組件6.6能量收支結(jié)算太陽能電池材料禁帶寬度1.1eV~1.7eV，以直接帶隙半導(dǎo)體為佳；組成的材料不具有毒性；材料易取得，成本低；有良好的光電轉(zhuǎn)換效率；有長期的穩(wěn)定性；硅太陽能電池的種類單晶硅：硅原子排列是周期性的，且朝同一個(gè)方向。多晶硅：由許許多多不同排列方向的單晶粒組成。非晶硅：排列松散，沒有規(guī)則。晶格缺陷較少，用作太陽能電池材料時(shí)轉(zhuǎn)換效率高。晶界缺陷使得轉(zhuǎn)換效率降低，但成本相對(duì)較低。目前全球生產(chǎn)的太陽能電池90%以上使用的是結(jié)晶硅，10%使用了薄膜技術(shù)。在結(jié)晶硅太陽能電池中，多晶硅太陽能電池占了50%以上，單晶硅占40%左右。薄膜太陽電池薄膜太陽電池可以使用在價(jià)格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當(dāng)基板來制造。薄膜厚度僅為數(shù)μm，目前轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)13%。6.1由砂還原為冶金級(jí)硅提煉硅的原始材料是SiO2，是砂的主要成分。在電弧爐中加入碳，利用氧化還原反應(yīng)提取硅：所得到的硅為冶金級(jí)硅（MG-Si），純度為98%~99%。將液態(tài)硅倒入鑄模內(nèi)進(jìn)行凝固，用壓碎機(jī)壓成小塊。生產(chǎn)冶金級(jí)多晶硅原料的電弧爐電能加熱電弧爐中的石墨電極焦炭、煤炭和木屑為還原劑電弧爐外觀液態(tài)硅倒入鑄模鋁和鐵為主要雜質(zhì)冶金級(jí)硅中雜質(zhì)的濃度可在液化硅中加入氧化氣體，與比硅活性強(qiáng)的元素（Al，Ca，Mg等）發(fā)生反應(yīng)，形成爐渣，從而移除雜質(zhì)。只有很少的一部分用于半導(dǎo)體行業(yè)，用于制作太陽能電池的更少。生產(chǎn)的冶金級(jí)硅中，大部分被用于鋼鐵與鋁工業(yè)上。6.2冶金級(jí)硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級(jí)硅將冶金級(jí)硅轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性的化合物，采用分餾的方法將它冷凝、提純，然后提取超純硅。

1.利用HCl將冶金級(jí)硅原料轉(zhuǎn)換為液態(tài)的三氯硅烷SiHCl3。

2.SiHCl3為無色易燃液體，沸點(diǎn)為31.9℃，通過多重的分餾法可將它與其他鹵化物分離，提高純度。

3.采用西門子化學(xué)沉積法，將SiHCl3及H2通入1100℃反應(yīng)爐內(nèi)，進(jìn)行200~300小時(shí)：Si被還原，以細(xì)晶粒的多晶硅形式沉積到電加熱的硅棒上。這一過程中，F(xiàn)e、Al、B等雜質(zhì)也形成了各自的鹵化物。三氯硅烷的制造與純化11600℃時(shí)，低溫保存，避免日照，防止SiHCl3發(fā)生急速氣化而爆炸。Siemens方法生產(chǎn)多晶硅1100℃反應(yīng)爐：鐘形罩需水冷，消耗了90%的電力將晶種固定在電極上H2還充當(dāng)了SiHCl3的運(yùn)輸氣體被還原的Si將沉積在晶種上多晶硅原料多晶棒塊狀多晶原料硅多晶棒經(jīng)過敲打成為塊狀，通過酸洗、干燥、包裝等程序后，成為CZ硅單晶生長或鑄造多晶硅使用的塊狀原料。半導(dǎo)體級(jí)硅原料制備流程圖146.3半導(dǎo)體級(jí)多晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉Ч杵?/p>

單晶硅片通常都擁有比較好的材料性能，但因?yàn)樾枰_和緩慢的制造過程，但成本較高，是最為昂貴的硅材料。單晶硅原子的價(jià)帶結(jié)構(gòu)。每個(gè)硅原子的最外層都有四個(gè)電子，與相鄰原子共享電子對(duì)。單晶硅通常被制成大的圓筒形硅錠，然后切割成圓形或半方的太陽能電池。還需將邊緣切掉，便于裝入模塊。生產(chǎn)單晶硅片的制作工藝單晶硅片的制備生長單晶硅的方法：CZ法（Czochralski）FZ法（FloatZone浮融法）CZ拉晶法：Czochralski于1917年發(fā)明。在石英坩堝中加入半導(dǎo)體級(jí)多晶硅，熔融。加入微量摻雜劑?？刂茰囟龋丫軌驈娜廴诠柚欣鰣A柱形單晶硅。理論轉(zhuǎn)換效率24.7%。CZ拉晶設(shè)備18石英坩堝（SiO2）是最為重要的熱場(chǎng)組件。石英坩堝內(nèi)裝有熔融態(tài)的硅熔液，兩者會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生SiO,將影響長出晶棒的質(zhì)量。降低成本：設(shè)計(jì)熱場(chǎng)，提高長晶的良率（生產(chǎn)不含任何位錯(cuò)的硅單晶棒的能力）重復(fù)加料，增加出產(chǎn)率CZ拉晶爐設(shè)備的外觀拉晶爐內(nèi)部溶解反應(yīng)：CZ拉晶流程a.加料b.熔化c.穩(wěn)定化在石英坩堝中加入多晶硅原料和摻雜無。P型摻雜B，N型摻雜P。長晶爐關(guān)閉并抽成真空，使其保持一定的壓力值。打開石墨加熱器電源，將原料加熱至熔融。將硅溶液的溫度調(diào)節(jié)到適合拉晶的穩(wěn)定狀態(tài)。CZ拉晶流程f.晶冠和晶肩生長e.晶頸生長d.晶種浸入一般使用<100>方向的硅晶片，將該方向的晶種浸入硅熔液。降低拉速與溫度，使得晶體直徑漸漸增大到所需大小。將晶種快速向上提升，使長出的晶體直徑縮小到一定的大?。?~6mm）只要晶頸足夠長，位錯(cuò)（晶種與硅熔液接觸時(shí)，產(chǎn)生了熱應(yīng)力，導(dǎo)致晶種產(chǎn)生位錯(cuò)）能長出晶體表面，產(chǎn)生零位錯(cuò)的晶體。CZ拉晶流程g.晶身生長h.晶尾生長i.單晶棒直徑固定的部分為晶身。硅晶片取自晶身。拉速隨著晶身長度的增加而遞減，這是因?yàn)殡S著液面高度的下降，晶棒受到石英坩堝壁的熱輻射增加，散熱能力變差。為避免熱應(yīng)力產(chǎn)生的位錯(cuò)，將晶棒直徑慢慢縮小，直到成一個(gè)尖點(diǎn)再與液面分開。長完后的晶棒被升至上爐室冷卻一段時(shí)間后取出。修邊與切片在整個(gè)太陽能電池級(jí)單晶硅片的制造中，成本構(gòu)成為：多晶硅原料：40%；CZ拉晶：30%；晶圓加工成型：30%，切片最為重要。修邊圓形的單晶硅片浪費(fèi)了許多面積使用方形的硅晶片可以有效的吸收太陽能修邊切片在切割中，對(duì)鋼線施加適當(dāng)?shù)膹埩Γ逛摼€來回拉動(dòng)。使用線切割機(jī)進(jìn)行切片鋼線帶動(dòng)漿料（油及SiC），使其對(duì)晶棒進(jìn)行切割。漿料不僅是研磨劑，還帶走研磨中的熱量。占整個(gè)切片成本的25%~35%。太陽能電池厚度為200~280μm。鋼線直徑180μm，碳化硅為5~30μm。蝕刻清洗在切割中，硅片表面會(huì)有一層因機(jī)械應(yīng)力所造成的結(jié)構(gòu)損失層，影響了太陽能電池效率，所以需去掉。通常用化學(xué)蝕刻的方法，加入HF和HNO3調(diào)配的混酸，去除10μm~20μm厚的表層。單晶硅太陽電池的制造與結(jié)構(gòu)

制備多晶硅的技術(shù)相對(duì)要簡(jiǎn)單一些，成本也因此比單晶硅更低一些。然而由于有晶界的存在，所以多晶硅材料的性能不如單晶硅材料。多晶硅的制備1.在石英坩堝中放入純硅；2.加熱坩堝，直至硅熔融；3.將坩堝緩慢移出加熱器，硅從坩堝底部往上緩慢固化，從而得到多晶硅錠。鑄造多晶硅一般采用定向凝固的方式?？梢蚤L出寬度約數(shù)毫米到數(shù)厘米的柱狀排列晶體。熱交換法布里基曼法Si3N4防止多晶硅與坩堝粘結(jié)在一起。凝固速度1cm/h，完成一次鑄造需要2～3天。坩堝與加熱器發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。晶界降低了電池的性能多晶硅的晶界1.晶界將額外的能級(jí)缺陷引入到了禁帶中，導(dǎo)致了局部高復(fù)合，減少了少數(shù)載流子壽命。2.晶界還阻礙了載流子的流動(dòng)，為穿過pn結(jié)的電流提供分流路徑，這也降低太陽能電池的性能。方形切片切片32多晶硅太陽電池的制造方法與結(jié)構(gòu)6.4單晶硅片制成太陽能電池（2）金屬電極的制作（1）

N型雜質(zhì)的摻入(1)N型雜質(zhì)的摻入35

在標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池工藝中，通常將硼（B）加入到熔料中，生產(chǎn)出p型硅片。

為制造pn結(jié)，需在P型硅片表面制備一層薄的、重?fù)诫s的n型區(qū)。將硅片置入石英爐管磷擴(kuò)散制作工藝—石英爐管1.P型半導(dǎo)體為基板，三氯氧磷（POCl3）通過載氣進(jìn)入加熱爐管；2.在高溫?cái)U(kuò)散作用下（800~900℃），磷原子進(jìn)入硅晶格內(nèi)，硅片表面形成含磷的氧化層；3.硅片表面區(qū)域，磷雜質(zhì)濃度超過硼雜質(zhì)；4.硅片表面區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生一層SiO2，需用氫氟酸HF來去除。邊緣絕緣處理NPN需把邊緣的N型摻雜區(qū)移除，不然將出現(xiàn)正面與背面電極的導(dǎo)通。采用低溫干蝕刻方法：將晶片堆棧在一起；放入反應(yīng)爐；用CF4和O2的等離子進(jìn)行干蝕刻；金屬電極的制作金屬電極位于太陽能電池結(jié)構(gòu)的表面，通過它，可以取出帶電的光生載流子，進(jìn)而在半導(dǎo)體與外電路之間產(chǎn)生流通。太陽能電池正面與背面，會(huì)有兩條平行的金屬電極(BusBar)，提供了與外界線路的接焊。寬度在0.5mm左右。

正面的金屬電極向側(cè)面伸展出一系列的細(xì)金屬線，稱為格子線。用于收集載流子。為了防止遮光，寬度在50μm以下。金屬電極材料通常以鋁或者銀合金為主。正面電極的網(wǎng)印太陽能電池對(duì)正面金屬電極的要求：與硅接觸時(shí)電阻低金屬線寬?。号c硅之間的黏著力強(qiáng)可焊性高；可以大量生產(chǎn)、制造成本低等。網(wǎng)印技術(shù)是目前最為普遍的正面電極制造技術(shù)。正面電極的網(wǎng)印印刷板：一個(gè)鋁制邊框，上面有許多不銹鋼線，密度為80～100條/cm，線直徑為10μm，線間距為10μm。正面電極的網(wǎng)印金屬膏：有機(jī)溶劑，使金屬膏呈現(xiàn)流體狀態(tài)，有利于印刷的進(jìn)行；有機(jī)結(jié)合劑，用于固定金屬粉末；導(dǎo)電金屬材料，一般是銀的粉末，顆粒大小約為數(shù)十微米，質(zhì)量約占整個(gè)金屬膏的60～80%；玻璃粉，由低熔點(diǎn)、高活性氧化物粉末組成?？蓪?duì)硅表面進(jìn)行蝕刻反應(yīng)，幫助硅表面與銀粉接合。正面電極的網(wǎng)印將金屬膏添加到印刷板上面，用滾輪對(duì)金屬膏施壓，從一端滑倒另一端，金屬膏就會(huì)依據(jù)印刷板上的圖案印制到晶片上。將晶片置于100～200℃的環(huán)境下，進(jìn)行干燥處理，去除有機(jī)揮發(fā)物。背面電極的網(wǎng)印背面金屬電極也采用網(wǎng)印技術(shù)制造。與正面制造情況不同點(diǎn)在于，金屬膏成分同時(shí)含有Ag粉和Al粉。這是由于：銀粉本身無法與P型硅形成歐姆接觸；鋁粉可形成歐姆接觸，但焊接性差。由于一整層連續(xù)背面電極銀不同的熱膨脹系數(shù)，使得晶片在高溫處理時(shí)將發(fā)生撓曲變形，所以背面電極結(jié)構(gòu)也為網(wǎng)狀?；鹂緦⒕糜诟邷貭t內(nèi)進(jìn)行火烤，燒掉金屬膏里的有機(jī)化合物，并將金屬顆粒燒結(jié)在一起。46太陽能電池的絲網(wǎng)印刷流程6.5太陽能電池封裝成太陽能電池組件476.5.2電池的工作溫度6.5.3組件的耐久性6.5.1

組件結(jié)構(gòu)6.5.4組件電路設(shè)計(jì)6.5.1組件結(jié)構(gòu)太陽能電池可用20年以上，其模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮的因素：可承受機(jī)械負(fù)載；避免環(huán)境污染；電絕緣；紫外穩(wěn)定性；在高低極限溫度及熱沖擊下電池不致因應(yīng)力而破裂；自凈能力；維持電池低溫以將功率損失最小化的能力；成本低廉等。組件結(jié)構(gòu)強(qiáng)化玻璃：有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和透光性（紫外）。EVA高分子塑料，作為保護(hù)層。背面層：復(fù)合塑料，防水汽和腐蝕。組件結(jié)構(gòu)當(dāng)晶片焊上互聯(lián)條，再與EVA及鐵質(zhì)強(qiáng)化玻璃堆棧好后，放入層壓機(jī)做真空封裝?；ヂ?lián)條

通常，電池之間的連接線是成圓形的，以盡量減小周期應(yīng)力（收縮與膨脹）?；ヂ?lián)條一般為雙層以防止被這種應(yīng)力破壞。溫度上升時(shí)，電池與電池的間隙將擴(kuò)大。所以用互聯(lián)條來調(diào)節(jié)電池之間的膨脹。6.5.2電池的工作溫度電池性能因溫度升高而變差。52安裝在露天框架上的組件，在充足的陽光照射下（100mW/cm2）,大多數(shù)的電池溫度大約高于環(huán)境溫度30℃。T電池(℃)=T環(huán)境(℃)+0.3×陽光強(qiáng)度(mW/cm2)對(duì)于典型工作條件下，每種組件將有一個(gè)特定的溫度，即電池額定工作溫度（NOCT）。在非標(biāo)準(zhǔn)工作條件下，電池溫度的近似表達(dá)式可寫為：6.5.3組件的耐久性造成組件損失的類型：（1）電池由于熱波動(dòng)，或更直接地由于冰雹引起的過度機(jī)械應(yīng)力所造成的損失；（2）金屬化區(qū)域（電極）受腐蝕；（3）封裝中層與層之間的剝離；（4）密封材料變色；（5）灰塵堆積在組件的上表面；（6）由于應(yīng)力未能充分釋放，引起互聯(lián)條的損壞。新組件設(shè)計(jì)的加速老化試驗(yàn)54（1）熱循環(huán)；（2）高濕度；（3）長時(shí)間紫外線照射；（4）周期性的壓力負(fù)載。加速組件損壞鑒定試驗(yàn)（1）沖擊試驗(yàn)；（2）耐磨損試驗(yàn)；（3）自凈特性；（4）柔韌性；（5）電絕緣性能。6.5.4組件電路設(shè)計(jì)串聯(lián)電池組的開路電壓VOC是每個(gè)電池電壓的和，短路電流ISC由輸出電流最低的電池決定。串聯(lián)、并聯(lián)N個(gè)電池串聯(lián)，M個(gè)電池并聯(lián)的電路IV曲線。6.5.4組件電路設(shè)計(jì)一塊硅光伏電池板是通常是由多塊太陽能電池互相串聯(lián)而成。

光伏組件的輸出電壓通常被設(shè)計(jì)成12V。在25°C和AM1.5條件下，單個(gè)硅太陽能電池的輸出電壓只有0.6V。

考慮到一些電壓損失，大多數(shù)光伏組件由36塊電池片組成。

單晶硅電池的面積通常為100cm2，則總的輸出電流大約為3.5A。失配損失失配是互聯(lián)的電池沒有相同的性能或者在不同的條件下工作造成的。失配是一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)重的問題，因?yàn)檎麄€(gè)光伏組件的輸出是決定于表現(xiàn)最差的電池的輸出。這會(huì)導(dǎo)致局部電能的嚴(yán)重?fù)p失，而由此產(chǎn)生的局部加熱也可能引起組件無法挽回的損失。開路電壓失配

對(duì)于串聯(lián)電池，開路電壓失配是一種不太嚴(yán)重的失配類型。

由于Voc2<Voc1，

所以電池1和電池2串聯(lián)情況下輸出的功率<兩個(gè)電池1串聯(lián)得到的輸出功率