（固体力学专业论文）太阳电池组件制造和服役过程残余应力研究.pdf

一 1 j l _ 墨 分类号 u d c 密 级 学校代码! 鱼垒窆2 劣j 凑程歹大署 学位论文 题目盘! 旦垫塑丝堡剑垫查丛焦垫猩垡金廛垄盈塞 英文 题目r e s i d u a ls t r e s ss t u d y o nm a n u f a c t u r i n ga n ds e r v i c ep r o c e s so ft h es o l a r 一 研究生姓名 指导教师 c e l lm o d u l e 孙国辉 姓名墨丕鉴 单位名称墨堂堕 职称鏊撞 姓名职称 副指导教师单位名称 申请学位级别 论文提交日期 邮编垒! q ! ! q 学位 邮编 博士 2010 4 论文答辩日期 2o10 5 学位授予单位武这理王太堂学位授予日期 答辩委员会主席评阅人 2 0 10 年4 月 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt ow u h a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h ed o c t o r sd e g r e ei ne n g i n e e r i n g 一一一 r e s i d u a ls t r e s ss t u d yo nm a n u f a c t u r i n ga n ds e r v i c ep r o c e s so f t h es o l a rc e l lm o d u l e d o c t o r a lc a n d i d a t e ：s u ng u o h u i m a j o r ：s o l i dm e c h a n i c s s u p e r v i s o r ：p r o f y a ns h i l i n i t 一 武汉理l ：人学博十学位论文 中文摘要 随着化石能源的不断减少和能源需求的同益增加，可再生能源，特别是太阳 能受到了广泛关注，作为太阳能利用重要组成部分的光伏产业迅速发展。而太阳 电池组件在制造过程和服役过程中，由于材料的热膨胀系数不匹配，导致太阳电 池组件内部产生残余应力，严重影响了太阳电池组件的使用寿命。 本文围绕太阳电池组件制造过程电池片碎裂的机理和服役过程残余热应力 的演变规律这两个关键问题，采用理论、数值模拟与实验相结合的方法开展研究 工作，探索太阳电池片碎裂的机理，提出在太阳电池组件制造过程和服役过程中 减少电池片碎裂的措施与方法。主要工作和结论如下： 1 、针对生产太阳电池片三道工序( 铸锭、切片和烧结) ，开展太阳电池片制 造过程的残余应力研究。采用有限元分析软件a n s y s 对硅锭铸锭过程、切片过 程和电极烧结过程进行数值模拟研究，分析了某些工艺参数对硅锭铸锭过程的残 余应力的影响，模拟了硅片切割过程中应力的变化规律，并讨论了硅片层厚度和 铝背场厚度对电池片弯曲度和残余应力的影响。 2 、针对太阳电池组件焊接过程中存在的问题，运用数值模拟技术分析太阳 电池组件焊接工艺中的应力分布情况。讨论了不同的焊接区域对电池片的应力分 布的影响，通过改变温度机制、焊接区域和焊条型号，优化出较为合理的焊接位 置；分析了温度机制的影响，确定焊接过程合理的焊接温差；模拟不同型号焊条 对电池片强度的影响，选出了较为合理的焊条。 3 、建立了太阳电池组件的温度场理论模型和应力场理论模型，分别计算太 阳电池组件封装过程的应力场以及稳定服役过程结构的温度场和应力场；获得了 太阳电池组件封装过程各层材料的应力分布情况，讨论了封装工艺对太阳电池片 最大应力值及应力分布的影响；并与组件封装过程和服役过程热应力的数值结果 进行比较，相互验证其模型的有效性，为太阳电池组件的热应力缓和设计奠定基 础。 4 、采用平面应变模型分析了太阳电池组件在瞬态热载荷作用下组件热应力 分布及演变过程，通过对温度场和应力场瞬态的耦合分析，得到太阳电池组件各 层材料的温度和热应力分布及演变规律。找出了太阳电池组件的危险部位，确定 了太阳电池组件承受的交变应力幅和应力峰值，为太阳电池组件的疲劳寿命评估 奠定基础。通过分析比较工程设计中常用的寿命评估方法，提出适合太阳电池组 件的疲劳寿命评估方法；采用小型冲压实验方法对太阳电池片的基本力学性能进 r 卜卜 武汉理i ：人学博十学位论文 行测试，获得太阳电池片的弹性模量和断裂强度等参数；采用经验公式获得材料 的疲劳极限和疲劳性能参数，完成了太阳电池组件疲劳寿命的初步评估。 本文通过理论研究与数值计算相结合，研究了太阳电池组件制造和服役过程 残余应力的分布情况，讨论了组件封装过程对电池片产品本身结构的影响，分析 了组件在热循环条件下的热应力分布及演变规律，揭示太阳电池片碎裂的机理； 建立了太阳电池组件寿命评估方法，分析太阳电池组件疲劳寿命的影响因素，提 出改善太阳电池组件疲劳强度和延长组件服役寿命的措施与方法，对太阳电池组 件的设计和大规模生产利用具有重要指导意义。 关键词：太阳电池组件，有限元，数值模拟，残余应力，寿命评估 夕 - 1 q y - 武汉理i ：人学博士学何论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e c r e a s eo ff o s s i l e n e r g ya n dt h ei n c r e a s eo fe n e r g yn e e d ， r e p r o d u c i b l ee n e r g y , e s p e c i a l l y s o l a r e n e r g y h a sd r a w ne x t e n s i v ea t t e n t i o n p o t o v o l t a i c st e c h n o l o g yi s d e v e l o p i n gr a p i d l ya sa ni m p o r t a n tw a yo fu s i n gs o l a r e n e r g y d u r i n gt h em a n u f a c t u r i n ga n ds e r v i c ep r o c e s s i n go fs o l a rc e l lm o d u l e ， r e s i d u a ls t r e s sp r o d u c e di ni n t e m a lo fs o l a rc e l lm o d u l eb e c a u s eo ft h e r m a le x p a n s i o n c o e f f i c i e n to fm a t e r i a l sm i s m a t c h ，w h i c hi n f l u e n c e dt h el i f eo fs o l a rc e l lm o d u l e s e r i o u s l y f o c u s e do nt h et w ok e yi s s u e s ，t h ef r a g m e n t a t i o nm e c h a n i c so fc e l l i nt h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dt h ee v o l u t i o no fr e s i d u a lt h e r m a ls t r e s si ns e r v i c ep r o c e s s o fs o l a rc e l lm o d u l e ，t h ep a p e ri n v e s t i g a t e dt h em e c h a n i c so fc e l lf r a g m e n t a t i o na n d p r o p o s e ds o m em e a s u r e st or e d u c et h ec e l lf r a g m e n t a t i o nt h r o u g ht h r e ea s p e c t s c o n t a i n e dt h e o r y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t t h em a i n w o r k sa n d c o n c l u s i o n sa r es u m m a r ya sf o l l o w ： 1 t h er e s i d u a ls t r e s sp r o d u c e di nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fs o l a rc e l lm o d u l e w a si n v e s t i g a t e da i m e da tt h et h r e ep r o c e s s e s ( i n g o tc a s t i n g ，s l i c i n ga n d s i n t e r i n g ) f o r s o l a rc e l lp r o d u c t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc a r r i e do nt h ei n g o tc a s t i n go f s i l i c o n ， s l i c i n ga n dt h e e l e c t r o d e ss i n t e r i n gp r o c e s sb yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s ，a n a l y z i n gt h ee f f e c to fs o m ec r a f t sp a r a m e t e r so nt h er e s i d u a ls t r e s s ， s i m u l a t i n gt h ee v o l u t i o no fs t r e s si nt h es i l i c o ns l i c i n gp r o c e s s ，d i s c u s s i n gt h ee f f e c to f s i l i c o nt h i c k n e s sa n da l u m i n u m a l l o y e db a c ks u r f a c ef i e l dt h i c k n e s so nc e l lf l e x u r a l v a l u ea n dr e s i d u a ls t r e s s 2 s t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h ew e l d i n g p r o c e s so fs o l a rc e l lm o d u l ew a sa n a l y z e db y u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o na i m e dt ot h ep r o b l e mi nt h ew e l d i n gp r o c e s so fs o l a rc e l l m o d u l e t h ee f f e c to fw e l d i n gl o c a t i o no ns t r e s s d i s t r i b u t i o no fs o l a rc e l lw a s d i s c u s s e d b yc h a n g i n gt h et e m p e r a t u r em e c h a n i s m ，w e l d i n gl o c a t i o na n dw e l d i n g r o dt y p e ，s u i t a b l ew e l d i n gl o c a t i o nw a s o b t a i n e d ；t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r em e c h a n i s m w a sa n a l y z e da n ds u i t a b l ew e l d i n gt e m p e r a t u r ew a sc h o o s e d ；t h ee f f e c to fd i f f e r e n t t y p e so fw e l d i n gr o d so nt h ei n t e n s i t yo fc e l lw a ss i m u l a t e da n ds u i t a b l ew e l d i n gr o d w a so b t a i n e d 3 t h et h e o r ym o d e lo ft e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l di ns o l a rc e l lm o d u l ew a s b u i l t t h es t r e s sf i e l di np a c k a g i n gp r o c e s so fs o l a rc e l lm o d u l ea n dt e m p e r a t u r ef i e l d r 武汉理= 大学博十学位论文 i ns e r v i c ew e r ec a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l y t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fe a c hl a y e rm a t e r i a l i np a c k a g i n gp r o c e s so fs o l a rc e l lm o d u l ew a so b t a i n e d t h ee f f e c to fp a c k a g i n g t e c h n i q u eo nm a xs t r e s sv a l u ea n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no f s o l a rc e l lw a sd i s c u s s e d t h e v a l i d i t yo fm o d e lw a sc o n f i r m e db yc o m p a r i n gt h et h e r m a ls t r e s s o ft h e o r ym o d e l w i t hr e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h e r m a ls t r e s s r e l a x a t i o nd e s i g no fs o l a rc e l lm o d u l e 4 t h et h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o no fs o l a rc e l lm o d u l eu n d e rt h e t r a n s i e n tt h e r m a ll o a d sw e r ea n a l y z e db yp l a n es t r a i nm o d e l t h et e m p e r a t u r ea n d t h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o nw a so b t a i n e db yt h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s s f i e l dc o u p l i n ga n a l y s i s t h ed a n g e r o u sa r e ao fs o l a rc e l lm o d u l ew a si d e n t i f i e d ，a n d a l t e r n a t i n gs t r e s sa m p l i t u d ea n dt h es t r e s sp e a ko ns o l a rc e l lm o d u l ew a so b t a i n e d ， w h i c hl a yf o u n d a t i o nf o rt h ef a t i g u el i f ee v a l u a t i o no fs o l a rc e l lm o d u l e t h es u i t a b l e f a t i g u el i f ee v a l u a t i o nm e t h o dw a sp r o p o s e db yc o m p a r i n gl i f e e v a l u a t i o nm e t h o d c o m m o n l yu s e di ne n g i n e e r i n gd e s i g n t h eb a s i cm e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fs o l a rc e l l w a st e s t e db ys m a l lp u n c hm e t h o d ，a n de l a s t i cm o d u l u sa n du l t i m a t es t r e n g t hw a s o b t a i n e d t h ef a t i g u el i m i ta n df a t i g u ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fm a t e r i a lw e r e o b t a i n e db ye m p i r i c a lf o r m u l a t h ef a t i g u el i f ee l e m e n t a r ye v a l u a t i o no fs o l a rc e l l m o d u l ew a sf i n i s h e d i ns u m m a r y , i nt h i sw o r kw ei n v e s t i g a t e dt h er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no fs o l a r c e l lm o d u l ei nm a n u f a c t u r i n ga n ds e r v i c ep r o c e s s ，d i s c u s s e dt h ee f f e c to fp a c k a g i n g p r o c e s so nt h es t r u c t u r eo fs o l a rc e l l ，a n a l y z e dt h et h e r m a ls t r e s s d i s t r i b u t i o na n d e v o l u t i o no fs o l a rc e l lm o d u l eo nt h et h e r m a lc y c l e ，r e v e a l e dt h ef r a g m e n t a t i o n m e c h a n i s mo fs o l a rc e l l s ，b u i l tt h el i f e e v a l u a t i o nm e t h o do fs o l a rc e l lm o d u l e ， a n a l y z e dt h ef a c t o r so nf a t i g u el i f e ，g a v es o m em e a s u r e sa n dm e t h o d t oi m p r o v et h e f a t i g u ei n t e n s i t ya n ds e r v i c el i f eo f s o l a rc e l lm o d u l e t h ew o r kh a si m p o r t a n tg u i d i n g s i g n i f i c a n c e t ot h ed e s i g na n dl a r g es c a l ep r o d u c t i o no fs o l a rc e l lm o d u l e k e y w o r d s ：s o l a r c e l lm o d u l e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，r e s i d u a l s t r e s s ，1 i r ee v a l u a t i o n 一 r 、1 p - - q 武汉理l ：人学博十学位论文 摘要 a b s t r a c t t 第1 章绪论一一 1 1 研究背景一 目录 1 2 硅基太阳电池的研究进展 1 2 1 单晶硅太阳电池一 1 2 2 多晶硅及多晶硅薄膜太阳电池 1 2 3 非晶硅薄膜太阳电池 1 3 国内外太阳能光伏发电技术研究进展 1 3 1 国外光伏发电产业的发展现状与趋势 1 3 2 国内光伏发电产业的发展现状与趋势 1 4 太阳电池热应力的研究现状 1 2 3 3 4 1 5 本文主要研究内容与技术路线 1 5 1 研究目标 1 5 2 主要研究内容 1 5 3 研究方法和技术路线 第2 章太阳电池片制造过程残余应力研究 2 1 引言 2 2 硅锭铸锭过程的残余应力分析 2 2 1 问题描述 2 2 2 模型参数与有限元分析模型 2 2 3 数值模拟结果与讨论 2 3 硅锭切片过程应力重分布计算 2 3 1 问题描述 2 3 2 数值模拟结果与讨论 2 4 电极烧结过程残余应力的数值模拟 2 4 1 问题描述 2 4 2 分析模型与参数 2 4 3 数值模拟结果与讨论 2 5 本章小结 第3 章太阳电池组件焊接过程残余应力的数值模拟 3 1 引言 3 2 太阳电池片的模型参数与有限元分析模型 3 4 3 3 焊接区域对太阳电池片残余应力的影响 3 4 焊接温度对太阳电池片残余应力的影响 3 5 焊条型号对太阳电池片残余应力的影响 3 6 本章小结 3 4 3 4 第4 章太阳电池组件热应力分析的理论模型研究 4 2 问题描述与模型参数一 3 6 4 6 4 9 5 l 5 2 5 2 5 6 7 0 0 o l 3 3 3 3 4 5 1 1 2 5 5 5 7 2 - - 1 1 1 l l 1 1 l l 1 2 2 2 2 2 2 2 3 武汉理1 ：人学博十学位论文 4 2 1 问题描述 4 2 2 模型参数一 4 3 热应力分析的理论模型一 4 3 1 太阳电池组件在热载荷作用下的温度场分析 4 3 2 太阳电池组件在热载荷作用下的热应力分析一 4 4 组件封装过程热应力的数值结果验证 4 5 组件服役过程热应力的数值结果验证一 4 6 本章小结一 第5 章太阳电池组件服役过程的残余应力研究 5 1 引言 5 2 问题描述与模型参数 5 2 1 问题描述 5 2 2 模型参数 5 3 太阳电池组件服役过程的数值结果与讨论 5 3 1 玻璃盖板的温度场和应力场分析 5 3 2 上层e v a 胶膜的温度场和应力场分析 5 3 3 电池片的温度场和应力场分析 5 - 3 4 下层e v a 胶膜的温度场和应力场分析 5 3 5t p t 复合膜的温度场和应力场分析 5 3 6 组件的温度和应力路径曲线分析 5 4 本章小结 第6 章太阳电池组件服役寿命的评估方法研究 6 1 引言 疲劳寿命估算方法 6 3 太阳电池片的基本力学性能测试 6 3 1 小型冲压试验技术的原理 6 3 2 试验结果与分析 5 2 8 2 8 4 6 4 太阳电池组件的疲劳寿命评估 6 4 1 问题描述 6 4 2 太阳电池片疲劳参数的确定 6 4 3 基于a n s y s 软件太阳电池组件的疲劳寿命评估 6 4 4 延长太阳电池组件服役寿命的措施与方法 6 5 本章小结 第7 章全文总结 7 1 全文工作总结 7 2 展望 致谢 9 6 9 9 1 0 0 1 0 l 1 0 6 参考文献一 攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录 i i 4 4 7 8 3 5 6 6 6 6 7 9 9 4 5 7 8 d鲋鲋卯铭酪酯的的卯的的似乃丌弛舳 4 4 6 6 7 0 o 1 2 4 4 8 8 8 8 8 9 9 9 9 9 9 武汉理l ：人学博十学侮论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着社会的进步，经济的发展，社会对能源的需求量越来越大，全球范围内， 煤、石油、天然气等常规能源( 也称一次能源) 都是非常有限的。从上世纪5 0 年 代爆发的第一次能源危机算起，在不到2 0 年的时间内，连续4 次发生了能源危机， 促使人们不得不对地球上的石油、天然气和煤等常规能源的蕴藏量和消费量进行了 一次调查，得出如下结论：全世界天然气的储量仅能维持5 5 年左右；石油的总储 量仅能维持3 0 年左右；煤炭的可开采储量能维持3 0 0 年左右。我国能源资源总量 丰富，但人均相对不足。我国人均煤炭探明储量只相当于世界平均水平的5 0 ，人 均石油可采储量仅为世界平均量的1 0 。我们能源消耗总量仅低于美国居世界第二 位，但人均耗能水平很低，1 9 9 6 年人均一次商品能源消耗仅为世界平均水平的忱， 是工业发达国家的1 5 左右【1 3 】。能源生产难以满足迅速发展的国民经济的需要。因 此，节约能源，积极实现常规能源的高效化、优质化的利用，开发和利用新能源， 特别是可再生能源，对于解决能源危机和维持社会经济的可持续发展具有重要意 义。 与常规能源相比较，太阳能有其独特的优点，概括起来可以归纳为四个方面1 4 】： 数量巨大。每年达到地球表面的太阳辐射能约为目前全世界所消费的各种能量总 和的1 1 0 4 倍。时间久长。根据天文学的研究结果，太阳系还可继续存在1 0 1 u 年 之久。普照大地。辐射能无需开采和运输，开发和利用都极为方便。清洁安全。 太阳能无论是开采前还是利用后，都不会产生对环境以及人类有害的物质。太阳能 的转换和利用方式目前有光热转换、光电转换、光一化学转换三种方式。光电转换 是太阳能利用的主要方式，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池，可将太阳的 光能直接转换成电能加以利用。也可以把太阳能转换为电能储存起来，成为随时可 用的电源。 太阳能完成光电转换的主要工具是太阳电池，太阳电池的工作效率和使用寿命 是该领域的研究热点1 1 。太阳电池的使用寿命包括与转换效率相关的功能寿命和 与结构强度相关的疲劳寿命。从硅锭到太阳电池组件的生产过程中，至少要经历五 道工序铸锭、切片、烧结、焊接和封装，这每一道工序都可导致材料发生损伤，形 成微观缺陷，影响最终的太阳电池组件的整体或者局部强度，也是太阳电池组件服 役过程中电池片破坏的诱因。 武汉理r 大学博十学位论文 在太阳电池的生产中，由于硅材料与各种电极浆料热膨胀系数不匹配，导致太 阳电池片在烧结工艺中产生残余应力，使电池片发生弯曲，以至于部分电池片在焊 接工艺和封装过程中碎裂，严重影响到产品质量和成本。而在太阳电池组件的封装 过程中，又由于胶结材料的不均匀固化以及热载荷的作用，组件材料会基于热应变 不匹配而出现残余应力。太阳电池组件在服役中所受热载荷是随时间变化的，环境 温度交替变化，会导致太阳电池组件结构层发生疲劳损伤，导致太阳电池组件的层 裂和电池片的开裂，影响太阳电池组件的使用寿命。 从上述的分析可知，太阳电池组件在制造过程和服役过程残余应力的产生在所 难免，那残余应力的分布情况如何? 应力幅值有多大? 是否会影响到太阳电池结构 的强度? 太阳电池组件的结构寿命如何? 为了弄清这一系列的问题，针对太阳电池 组件制造和服役过程产生的残余应力开展研究工作具有非常重要的实际应用价值。 而且研究太阳电池组件制造过程电池片碎裂的机理和服役过程残余热应力分布情 况及演变规律，对太阳电池的设计和大规模生产利用也具有重大指导意义。 1 2 硅基太阳电池的研究进展 硅基太阳电池【1 2 - 1 3 】是指以硅为原材料研制的各类太阳电池。硅是地球上储量第 二大元素，作为半导体材料，人们对它研究得最多，技术最成熟，而且晶体硅性能 稳定、无毒，因此目前仍是太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。 1 2 1 单晶硅及多晶硅太阳电池 单晶硅太阳电池使用的硅原料主要为：半导体硅碎片，半导体单晶硅的头、尾料， 半导体用不合格的单晶硅，以及专门为生产太阳电池而制备的搀杂直拉单晶硅。其 中半导体硅碎片占6 0 ，可以说原材料资源相当丰富。 在硅系列太阳电池中，单晶硅太阳电池的转换效率最高，技术也最为成熟。是 目前世界p v 市场上的主导产品。高性能的单晶硅太阳电池，是建立在高质量单晶 硅材料和以其相关的成熟加工工艺基础上的。现在，单晶硅电池的工艺已基本成熟。 为了不断提高电池的转换效率，除了进一步加强晶体质量方面的基础研究，如缺陷 和杂质对少子寿命的影响、更加清楚地理解载流子输运过程及光吸收特性等外，仍 然深入地进行器件研究，优化设计，如采用表面织构化陷光技术、选择性发射区、 镀膜减反射 池和刻槽埋 武汉理j ：人学博十学位论文 掺杂、钝化工艺。目前，世界上单晶硅太阳电池的最高转换效率为2 4 7 1 1 4 - 1 5 】，是 由澳大利亚新南威尔士大学采用区熔单晶硅为材料，在p e r l 电池中采用倒锥形表 面结构制备的太阳电池。大面积的商品单晶硅太阳电池的转换效率一般为 1 4 1 7 t 1 6 以7 1 ，至目前为止商业化生产也有达到1 7 6 以上的。 单晶硅太阳电池的转换效率虽然很高，目前在大规模应用和工业生产中仍占据 主导地位。但由于受单晶硅材料价格( 占太阳电池制造成本的4 5 以上) 及相应繁琐 的电池工艺影响，使单品硅太阳电池的价格居高不下。 多晶硅太阳电池一般采用低等级的半导体多晶硅，或者专门为太阳电池使用而 生产的铸造多晶硅等材料。与单晶硅太阳电池相比，多晶硅太阳电池成本较低，而 且转换效率与单晶硅太阳电池比较接近，因此多晶硅太阳电池是未来地面应用发展 的方向之一。一般商品多晶硅太阳电池的转换效率为1 2 1 4 【l6 1 ，至目前为止商业 化生产可以达到1 6 4 ，比单晶硅略低。 目前，商品单晶硅、多晶硅太阳电池的产量占太阳电池的9 0 以上，是太阳电 池的主要产品之一。 1 2 2 晶体硅薄膜太阳电池 澳大利亚新南威尔士大学利用p e r l 电池加工技术，采用热交换法生长的多晶 硅来制备出多晶硅太阳电池，并把电池表面掩蔽在热生长氧化物中，以降低其有害 电子活性，进行各向同性腐蚀，以形成六角形对称蜂窝表面结构，从而进一步减少 反射损耗，增加电池有效光学厚度，使多晶硅电池的转换效率达到1 9 8 【14 1 。日本 京工陶瓷公司研制的1 5 c m x l 5 c r n 多晶硅太阳能电池，其转换效率达1 7 【1 7 - 1 9 由于晶体硅薄膜电池所使用的硅远比单晶硅和多晶硅太阳电池少【2 眦，而且其 电池相对非晶硅薄膜太阳电池而言无明显效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材 料上制备，成本低于目前的晶体硅电池，因此，晶体硅薄膜电池在未来地面应用方 面将是一个发展方向。 1 2 3 非晶硅薄膜太阳电池 开发太阳电池追求的2 个关键目标是：提高转换效率和降低成本。通过比较， 人们发现非晶硅薄膜太阳电池的材料成本低，因此受到人们的重视，并得到迅速发 展。非晶硅薄膜太阳电池的结构可表示为g l a s s t c o p i n a l ，还可用不锈钢片、塑料 武汉理丁大学博十学位论文 等作衬底。它首先实现商品化，也是目前产业规模最大的薄膜电池。非晶硅薄膜太 阳电池于1 9 7 6 年问世【2 厶2 3 】，在1 9 8 0 年大规模用于计算机电源后，逐步发展到工业 生产并进入国际市场。 非晶硅薄膜太阳电池的制备方法有电子回旋共振法、光化学气相沉积法、直流 辉光放电法、射频辉光放电法、热丝法、反应溅射法、p e c v d 法、l p c v d 法、电 子束蒸发法、热分解硅烷法等，反应原料气体为h 2 稀释的s i h 4 。制成的非晶硅薄 膜，经过不同的电池工艺，可分别制得单结电池和叠层电池。 虽然非晶硅作为太阳电池材料具有原材料消耗小；可使用廉价衬底和柔性衬 底；容易实现大规模和自动化生产；“能量偿还时间短、功率质量比大；制造过 程安全；不污染环境。具有较高的转换效率和较低成本以及质量轻的特点，有着极 大的发展潜力，是大规模应用的良好电池材料。但由于它的光能隙为1 7 e v ，使得 材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了它的转换效率，目前也发展了 双结、多结非晶硅薄膜；另外，它的光电转换效率会随着光照时间的延续而衰退， 即光致衰变效应( s w 效应) 【2 3 。2 4 1 ，而使性能不稳定。目前还未找到解决光致衰退效 应的有效办法，加上转换效率还不是很高，从而影响了它的实际应用。 1 3 国内外太阳能光伏发电技术研究进展 太阳能光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转 化为电能。太阳电池的基本构造是由半导体的p n 结组成，最普遍的太阳电池是单 晶硅太阳电池。在硅中掺入少量的硼、铝、嫁等三价元素，成为空穴型半导体，或 者叫p 型半导体。如果掺入的是少量的磷、砷、锑等五价元素，则成为电子型半导 体，或者叫n 型半导体。一旦形成p n 结，由于结两边的电子和空穴的浓度不同， 两者就要扩散，结果在n 型一边出现正电荷在p 型一边出现负电荷，建立了内建电 场。内建电场由n 型区指向p 型区，成为势垒，这就形成了电源。用具有一定波长 的光照射到半导体器件上时器件吸收光能后两端产生电动势这种现象，称为光生伏 特效应。 在众多可再生能源中，太阳能光伏发电具有无可比拟的优点：充分的清洁性：相 对的广泛性；绝对的安全性；确实的长寿命和免维护性：初步的实用性；资源的充 足性及潜在的经济性等。2 0 0 9 年，世界光伏系统总装机量达到7 g w ，与此同时， 光伏电池售价大幅度下降，已从2 0 世纪5 0 年代的1 7 8 5 美元刖p ，下降到2 3 美元 w p ，2 0 0 5 年由于硅原料短缺电池价格一度上扬，但不会改变逐渐下降的趋势。目 前，仅仅国内光伏电池、组件的生产能力就超过1 0 g w 年。目前世界范围内的太阳 4 武汉理一i ：人学博十学位论文 能光伏发电量仪仅占总发电量的o 1 ；而据有关专家预测，到2 l 世纪中叶，太阳 能发电在整个能源结构占到2 0 3 0 1 2 5 1 。 1 3 1 国外光伏发电产业的发展现状与趋势 二十世纪5 0 年代，太阳能利用领域出现了两项重大突破：一是1 9 5 4 年美国贝尔 实验室研制出6 的实用型单晶硅电池，二是1 9 5 5 年以色列t a b o r 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。这两项突破既是太阳能利用进入 现代发展时期的划时代标志，也是人类能源技术又一次变革的技术基础。7 0 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 用太阳能的热潮【2 引。开发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容。 太阳电池在世界范围内得到高度重视，国际上对太阳电池的研究开发并具领先 地位的国家主要集中在德、日、美等发达国家。从对太阳能利用角度来看，日本、 德国、英国、美国和西班牙发展最快。1 9 7 3 年美国制定了政府级阳光发电计划；1 9 8 0 年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8 亿多美元；美国能源部1 9 9 0 年启动光伏技术的产业化计划，年产1 4 0 0 m w 太阳能电池，商品化电池率达1 2 1 5 ，生产规模增至5 - - 一2 0 m w 年；1 9 9 4 年度的财政预算中，光伏发电的预算达7 8 0 0 多万美元；1 9 9 7 年宣布的“克林顿总统百万屋顶光伏计划”；在2 0 1 0 年前将要为1 0 0 万个美国家庭每户安装3 - - 一5 k w 的光伏屋顶，共需光伏电池4 6 0 0 m w ；到2 0 2 0 年， 美国的光伏发电总量将大于1 7 g w t 2 7 也8 1 。日本等国家也不甘落后，2 0 世纪9 0 年代 初以来，日本在太阳能光伏发电方面取得了巨大的成功，1 9 9 7 年投入资金达1 6 8 亿美元，提出“新阳光计划”，通过推行可再生能源配额法和实行强补贴等政策，日 本已经成为世界上光伏发电的先导。现在全日本居民光伏屋顶系统己达到3 6 万个， 福田首相提出今后在日本7 0 以上的新建住房屋顶安装太阳电池发电系统，所以日 本是光伏发电利用最高的国家之一。1 9 9 9 年德国实施新可再生能源法之后，大大推 动了太阳能产业的发展；2 0 0 0 年德国的光伏系统容量超过了4 0 m w ；2 0 0 4 年德国 新装置了l o 万台新的太阳能设备并首次超过同本，居世界第一位；德国去年太阳 能产业的总产值达到2 0 亿欧元，比前年增长6 0 1 2 8 2 9 1 。欧盟会议的“可再生能源白 皮书”要求到2 0 1 0 年生产6 0 0 0 m w 光伏电池供出口和成员国使用。希腊能源部已与 美国a m o c o e n r o ns o l a r 公司签约，2 0 0 3 年在可里特( c r e t e ) 岛建设一座5 0 m w 光 伏电站。荷兰政府提出在2 0 2 0 年前完成“百力个太阳能光伏屋顶计划”，正在筹建年 产1 0 , - - 一5 0 m w 的太阳能电池厂。在发展中国家，印度的光伏产业及应用市场居于领 先，到1 9 9 7 年3 月，印度已累计安装光伏系统3 0 m w ，1 9 9 8 年 2 0 0 2 年期间印度 5 武汉理t 火学博+ 学位论文 安装光伏系统15 0 m w ，在1 0 年内将太阳能电池产量提高到1 3 m w 年。预计全世 界到2 0 1 0 年仅美、日、欧盟的光伏电池生产就要超过1 5 3 0 0 m w l 3 0 3 2 1 。 自1 9 9 6 年以来，世界光伏发电高速发展。太阳电池效率不断提高，总产量年 增幅保持在3 0 一4 0 ；应用范围越来越广，尤其是光伏技术的屋顶计划，为光伏发 电展现无限光明的前途。1 9 9 8 年在维也纳第二届全球光伏技术大会上，会议主席施 特教授指出：“光伏将在2 1 世纪上半纪取代原子能而成为全球能源，唯一的问题是 2 0 3 0 年还是2 0 5 0 年最终实现”。 1 3 2 国内光伏发电产业的发展现状与趋势 我国太阳电池的研究始于1 9 5 8 年，1 9 5 9 年研制成功第一个有实用价值的太阳 电池。1 9 7 1 年3 月首次成功地应用于我国第2 颗卫星上，1 9 7 3 年太阳电池开始在 地面应用，1 9 7 9 年开始生产单晶硅太阳电池。中国的光伏产业的发展有两次跳跃， 第一次是在上世纪8 0 年代末，我国的改革开放正处于蓬勃发展时期，国内先后引 进了多条太阳电池生产线，使我国的太阳电池生产能力由原来的3 个小厂的几百千 瓦上升到6 个厂的4 5 兆瓦，引进的太阳电池生产设备和生产线的投资主要来自中 央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业。第二次光伏产业的大发展在2 0 0 0 年以后，主要是受到国际大环境的影响、国际项目政府项目的启动和市场的拉动【3 3 1 。 2 0 0 2 年，我国电池和组件的总生产能力约2 9 m w 年；2 0 0 9 年我国的太阳能电 池和组件的生产能力超过1 0 g w 。2 0 0 2 年我国太阳能电池和组件的实际生产量达到 l1 m w ，其中电池组件生产6 m w ( 其中2 m w 为非晶硅) ，组件封装5 m w 。最近1 0 年太阳能电池和组件生产年均增长率为2 5 。电池和组件性能不断提高，商业化晶 硅电池效率由2 0 世纪8 0 年代的1 0 1 2 提高到1 4 18 。太阳能电池组件价格 3 0 年来不断降低，售价由8 0 年代初的6 5 7 0 元八v p 降到2 0 1 0 年的1 2 1 5 元八坼【3 4 l 。 在研究开发方面，单晶硅电池效率可达到2 2 ，大面积( s e m x 5 c m ) 亥i j 槽埋栅单 晶硅电池效率达到1 8 6 。多晶硅电池效率达到1 7 5 。单结非晶硅薄膜电池效率 达到1 1 1 9 ( 1 e m 2 ，中国科学院半导体研究所) ，三结叠层非晶硅薄膜电池效率达到 1 1 4 8 ( 0 15 c m 2 ，华中理工大学) 。采用p e c v d 技术制备的微晶硅非晶硅叠层薄膜 电池效率达到9 5 。多晶硅薄膜电池效率达到4 - 5 ( ：1 l 京太阳能研究所) ，采用快 速热c v d 技术在非活性衬底上制备的多晶硅薄膜