单晶硅太阳能电池硅片转换效率提高对并网电能质量的改善.硕士论文.pdf

华北电力大学 保定 硕士学位论文 单晶硅太阳能电池硅片转换效率提高对并网电能质量的改善 姓名 王军 申请学位级别 硕士 专业 电气工程 指导教师 赵书强 刘彬国 20090401 华北电力大学工程硕十学位论文摘要 摘要 由于当今社会发展对能源要求的不断提高和传统能源的局限性 丌发 可再生能源是人类要解决能源问题必须要解决的途径 随着人们对可再生 能源利用程度的不断加大 太阳能必将成为人类利用范围最广 利用量最 大的可再生能源 太阳能电池是利用太阳能的必备工具 它可直接把太阳 能转化成电能 太阳能并网电站将会作为人类能源利用的组成部分 而太 阳能电池的转换效率将会直接影响到太阳能电站的电能质量 并进而影响 到整个电网的运行和性能 太阳能电池的转化效率受到制备电池的原材料 和加工工艺等因素的影响 本论文从太阳能电池的原材料的加工和生产工 艺两方面论述 讨论如何提高太阳能电池的转化效率 从而做到如何改善 太阳能并网电站的电能质量 为人类能源利用探索新的途径和道路 关键词 太阳能电池 转化效率 电能质量 A B S T R A C T F o rt h em o r ee n e r g yd e m a n dw i t hs o c i e t yd e v e l o p m e n t t h el o c a l i z a t i o n o ft r a d i t i o n a le n e r g ya n de n e r g yc r i s i so ft h ew o r l d d e V e l o p i n gt h er e n e w a b l e e n e r g yi st h en e c e s s a r ys o l u t i o nf o ra V o i dt h ee n e r g yc r i s i s W i t hm o r ea n d m o r er e n e w a b l ee n e r g yw i l lb eu s e d t h es o l a re n e r g yw i l lb eu s e di nt h e w i d e s ta r e aw i t ht h em o s tg r e a tq u a n t i t y T h es o l a rc e l li st h eb a s i cf a c i l i t y t h a tt u r n e ds o l a re n e r g yi n t op o w e r T h et r a n s f e re m c i e n c yo fs o l a rc e l li s c o n I r o l l e db ym a t e r i a la n dm a n u f a c t u r e st e c h n i q u e s a n da f 诧c t st h ep o w e r q u a l i t yo fP Vs t a t i o n T h ep a p e rw i l ld i s c u s sh o wi m p r o V et h et r a n s f e r e f n c i e n c yw i t ht e c h n i q u ea n dt h ei m p r o V e m e n to fp o w e rq u a l i t yw i t hi t W a n gJ u n p o w e re l e c t r i ce n g i n e e r i n g D i r e c t e db yP r o f Z h a oS h u q i a n g K E YW O R D S s o l a rc e l l t r a n s f e re m c i e n c y p o w e rq u a l i t y 华北电力大学工程硕十学位论文摘要 摘要 由于当今社会发展对能源要求的不断提高和传统能源的局限性 丌发 可再生能源是人类要解决能源问题必须要解决的途径 随着人们对可再生 能源利用程度的不断加大 太阳能必将成为人类利用范围最广 利用量最 大的可再生能源 太阳能电池是利用太阳能的必备工具 它可直接把太阳 能转化成电能 太阳能并网电站将会作为人类能源利用的组成部分 而太 阳能电池的转换效率将会直接影响到太阳能电站的电能质量 并进而影响 到整个电网的运行和性能 太阳能电池的转化效率受到制备电池的原材料 和加工工艺等因素的影响 本论文从太阳能电池的原材料的加工和生产工 艺两方面论述 讨论如何提高太阳能电池的转化效率 从而做到如何改善 太阳能并网电站的电能质量 为人类能源利用探索新的途径和道路 关键词 太阳能电池 转化效率 电能质量 A B S T R A C T F o rt h em o r ee n e r g yd e m a n dw i t hs o c i e t yd e v e l o p m e n t t h el o c a l i z a t i o n o ft r a d i t i o n a le n e r g ya n de n e r g yc r i s i so ft h ew o r l d d e V e l o p i n gt h er e n e w a b l e e n e r g yi st h en e c e s s a r ys o l u t i o nf o ra V o i dt h ee n e r g yc r i s i s W i t hm o r ea n d m o r er e n e w a b l ee n e r g yw i l lb eu s e d t h es o l a re n e r g yw i l lb eu s e di nt h e w i d e s ta r e aw i t ht h em o s tg r e a tq u a n t i t y T h es o l a rc e l li st h eb a s i cf a c i l i t y t h a tt u r n e ds o l a re n e r g yi n t op o w e r T h et r a n s f e re m c i e n c yo fs o l a rc e l li s c o n I r o l l e db ym a t e r i a la n dm a n u f a c t u r e st e c h n i q u e s a n da f 诧c t st h ep o w e r q u a l i t yo fP Vs t a t i o n T h ep a p e rw i l ld i s c u s sh o wi m p r o V et h et r a n s f e r e f n c i e n c yw i t ht e c h n i q u ea n dt h ei m p r o V e m e n to fp o w e rq u a l i t yw i t hi t W a n gJ u n p o w e re l e c t r i ce n g i n e e r i n g D i r e c t e db yP r o f Z h a oS h u q i a n g K E YW O R D S s o l a rc e l l t r a n s f e re m c i e n c y p o w e rq u a l i t y 声明尸明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 单晶硅太阳能电池硅片转换效 率提高对并网电能质量的改善 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间 在导 师指导下进行的研究工作和取得的研究成果 据本人所知 除了文中特别加以标 注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含 为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谓 意 学位论文作者签名 日期 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有 权保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件 学校可以采用影印 缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文 学校可允许学位论文被查阅或借阅 学校可以学术交流为目的 复制赠送和交换学位论文 同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表 传播学位论文的全部或部分内容 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名 日期 导师签名 日期 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章 引言 1 1 选题背景及其意义 2 1 世纪 人类面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战 能源问题正成为全 球经济发展的热点和难点 1 能源短缺 科学分析全球已探明的石油储量只能用到 2 0 2 0 年 煤与天然气也只能维持二百多年 2 石油等能源资源短缺导致了历史上 人类的多次战争 尤其在现在 更是威胁人类和平的大敌 3 环境污染日益严重 化石燃料的燃烧每年有数十万吨的硫等有害物质抛向太空造成的大气污染和全球 气候变暖正引起世界各国的密切关注 2 0 0 8 年国际奥委会强调的绿色奥运已说明这 点 人类为解决能源问题 实现可持续发展 只能靠科技进步 大规模开发可再生 能源 而硅光电源独具优势 是人类理想的替代能源 近几年国际光伏市场也就是 太阳能发电市场火爆 发展速度惊人 已成为人类最有希望的绿色洁净替代能源 能源问题始终是倍受我国和世界各国关注的一个热点和难点问题 加快发展风能 太阳能 生物质能等可再生能源 是 十一五 规划提出的明确任务 国家 可再 生能源法 将可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域 在现有能源价格不 断攀升的情况下 可再生能源具有明显的比较优势和较强的潜在优势 中国是一个 发展中国家 经济力量还不强 人均资源十分有限 人均能源资源相对不足 成为 我国经济社会可持续发展的一个制约因素 现在世界能源结构中所利用的化石能源 主要是煤炭 石油和天然气 根据国际上通行的能源预测 石油将在4 0 年时间内 枯竭 天然气将在6 0 年内用光 所以人类必须从现在开始及早寻找新一代的替代 能源 根据世界权威部门的预测 到2 0 6 0 年 新能源与再生能源的比例将占能源 结构的5 0 以上 可再生能源有着石油 煤炭等能源不可替代的优越性 因此要从 根本上解决中国能源供应不足的问题 开发中国丰富的新能源与可再生能源是一条 符合国际发展趋势和我国国情的必由之路 太阳能是地球上巨大的无污染能源 地球上每秒钟可获得的太阳能相当于燃烧 5 0 0 万吨优质煤发出的热量 其中我国拥有的太阳能资源相当于1 9 万亿吨标准 煤 发电量可达9 6 亿千瓦 目前装机容量仅有6 0 0 0 千瓦 利用太阳能可以建 立温室大棚 太阳能集热器 太阳能热水器和太阳灶 还可用来淡化海水 致冷 制作太阳能电池和发电 太阳能利用的前景广阔 将是下一个世纪能源科学发展的 方向之一 太阳能是现在快速发展利用的可再生能源之一 光伏能源的重要性和战略性进 一步凸显 世界主要国家纷纷出台相关鼓励政策和法律 尽管目前世界光伏发电累 积装机容量不到世界电力装机总容量的百分之一 但是作为一种可再生的清洁能 华北电力大学工程硕士学位论文 源 根据预测光伏发电将在二十一世纪前半期超过核电成为最重要的基础能源之 一 至于是2 0 3 0 年还是2 0 5 0 年最后几年超过 只是个时间问题 而太阳能电池是利用太阳能的主要工具 它的作用是直接将太阳光能转变为电 能 并网太阳能电站将从很大程度上缓解人类能源紧缺的问题 人类利用太阳能 风能等可再生能源的数量将占据越来越大的比重 据测算到2 0 1 2 年将占据人类能 源利用总量的5 1 0 在太阳能的利用中 太阳能电站将会与现有电网实现并网发 电 直接将太阳能转换为电能输送到电网中 这其中 太阳能电站电能质量的问题 将会直接影响到整个电网的性能和使用 本文将会以改善太阳能电站的电能质量为 目标 从硅单晶太阳能电池转换效率入手讨论如何加强并网太阳能电站的电能质 量 太阳电池的转换效率是电池发电功率和入射光功率的比值 由于材料只能最 大限度吸收一定波长的太阳光辐射 而太阳光谱却是一个宽连续谱 以及在室温 条件必然存在晶格热振动等散射机制 太阳电池最高转换效率有其上限 致力改善 太阳电池遮挡损失 电池材料本身光谱响应特性的光学损失 载流子损失 复合 和 欧姆损失 电极一晶体接触 等电能转换损失 影响太阳能电池转换效率的因素 氧碳含量 硅片厚度 非平衡少数载流子寿 命等 本论文将主要阐述改善太阳能电池硅片转化效率的方法 1 2 国内外研究动态 太阳能单晶硅的用量成倍增长 多晶硅原料在全球供不应求 硅单晶棒以及硅 片的短缺达到历史上从未出现过的紧张局面 硅单晶和硅片的价格2 3 年内上涨了 4 5 倍 光伏发电已成为世界各国能源战略的重要项目 日本 美国 德国 西班 牙等各国纷纷推出政府对光伏发电的政策扶植和财政补贴 我国于2 0 0 7 年全国人 大也通过了可再生能源法并正在拟定对光伏发电的扶持和补贴政策 美国能源部 2 0 0 6 年通过了3 年内投资1 6 亿美元用于光伏发电的科技投入并作为布什总统议案 在国会获得通过 奥巴马政府将继续大力推行此政策 光伏发电已成为人类为解决 能源危机 为子孙后代创造生存条件的战略项目 然而 进一步向规模化民用化发 展 尤其是目前国际上大力推广的硅光电源楼顶电站的发展受到两大条件的制约 1 降低成本 2 提高光电转换效率 在降低成本方面 提高太阳能硅单晶的单产是极其重要的开发研究方向 在进一步提高光电转换效率方面 如何在晶体生长时获得较低的氧碳含量从而 使电池效率提高 也就成为该领域急需攻克的热点和难点 我国的硅晶体生产基地已初具规模 其产品供应日本S h a r p S a n y o 美国B P 2 华北电力大学工程硕士学位论文 S o l a r S h e l l S u n p o w e r 等大公司 这些客户为提高光电转换效率纷纷提出单晶降 氧降碳的要求 这也是全球光伏科技发展的主流 因此 该项目的研究代表着该领 域的国际前沿 然而 随着全球光伏科技的飞速发展 仍存在这两个急待解决的科学 问题和工艺问题 1 如何在降低氧 碳含量的同时 多投料和提高晶体的生长速度 从而提高 单产 降低成本 2 如何将太阳能硅片切的更薄 达到超薄 2 0 0 um 使每公斤单晶能产更多的 硅 既要防止破损 又要多出硅片 降低成本 关于增加投料和提高晶体拉速 在降低成本方面 提高太阳能单晶的产量 产 量 炉 月 则是极其重要的环节 因此a 必须扩大晶体直径加大投料量 b 必须提 高拉速 晶体的结晶速率 如果 6 一 8 硅单晶的生长速率能由0 6 m m m i n 提 高到1 卜1 2 姗 m i n 或更高 则在一切消耗不变的情况下产量更可提高1 5 倍以上 大大降低成本 这也正是国内外相关科技工作者渴望实现的研究目标 然而大直径 硅单晶生长中提高结晶速率和结晶潜热散发速率的机理研究 国内外未见报导 多 年来一直是该领域的一大难题 然而本课题的研究中已经有了理论的突破 有望在 本次课题的研究中实现工艺突破 关于超薄硅片的线切割w i r es a w 技术是近几年刚刚诞生的一种新技术 它以 薄片加工和锯缝小的优势取代了传统的内切割模式 内圆刀片锯缝3 5 0pm 而w i r e s a w 技术的锯缝为1 7 0I lm 内圆切片机每切一片5 分钟 而线切割则一次切割2 0 0 0 片左右 6 小时 成为目前太阳能硅片切割的换代方式和新潮流 目前国内线切割 机成功地掌握了线切割工艺技术 中国已成为目前世界太阳能线切割硅片最大生产 国 为了应对急速扩展的局面 还将继续扩大发展 但目前的切割工艺仍存在着巨 大的切割潜力 1 目前使用的合金钢线的直径为1 4 0um 一1 2 0um 2 目前硅片的 切割厚度为2 3 0um 一2 5 0um 从科学发展的方向来讲a 钢线使得越细越好 锯缝小 出片多 b 硅片切得越薄越好 硅片越薄每公斤单晶的出片率越高 并且从减小载 流子的基区复合提高光电转换效率来讲这是一个不容置疑的科学发展方向 1 3 本文的研究内容和主要工作 我们希望通过对太阳能电池硅片生产的全程跟踪 能够摸索并建立起一套有利 于较高转换率的生产工艺 并对之进行数学模型的建立与分析 主要确定碳氧含量 和硅片厚度对于太阳能电池转化效率的影响规律 生产过程中主要的工艺环节 以 确定适合的太阳能电池硅片生长工艺 并在工业化规模生产中进行推广 从太阳能电池生产的源头 原材料开始进行测量监督 并延续至电池片的生 产 这是一般单个生产工艺所无法做到的 本方案能够进行完整统一的规划和实施 华北电力大学工程硕士学位论文 有利于数据的采集和连贯性 本文的工作如下 1 进行单晶硅太阳能电池片生产基本工艺的分析 对太阳能电池的关键生产 工艺环节进行实践研究和理论分析 确定决定太阳能电池转换效率的关键工艺环 节 2 对单晶炉热场系统引入数学模型 进行理论分析 并进行数学定量计算 3 对太阳能电池转换效率的影响因素进行全面分析 包括碳 氧含量 少数 平衡载流子寿命 成品率 电阻率分布 电池参数等各项因素 提出改善措施 4 对并网太阳能电站并网后电能质量进行分析 对并网太阳能电站电能质量 的各项参数进行阐述和理论分析 对太阳能电站并网的发展做探讨 4 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章太阳能电池及其发电系统基本介绍 2 1 太阳能电池的工作原理 最常见的太阳能电池结构如图2 1 所示 图2 1 太阳能电池示意图 图中在p 型和n 型半导体的交界区 称为旷n 结 可以提供一个固有电场 其作用是分离光生载流子 得到p n 结的常用方法是把原始的p 型 或n 型 材料 放入含有n 型 或p 型 掺杂剂气氛的扩散炉中进行扩散 其杂质扩散深度约为o 2 微米 从而在材料的表面下形成一个较浅的结j 当光线垂直入射到结上时 吸收光 子所产生的正 负载梳子被激励后移向太阳电池的正面和背面 背面完全被金属接 触所敷盖以便把电荷移向负载 正面指状的窄的金属细柳有助于从电他的正面收集 电荷 导电的收集极表面覆盖占总面积的5 以便尽可能地位更多的光到达有源 的结面 在电池的顶部是减反射层 太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能 的一种器件 这种光电转换过程通常叫做 光生伏打效应 因此太阳能电池又称 为 光伏电池 用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特 殊物质 和任何物质的原子一样 半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的 电子组成 半导体硅原子的外层有4 个电子 按固定轨道围绕原子核转动 当受到 外来能量的作用时 这些电子就会脱离轨道而成为自由电子 并在原来的位置上留 华北电力大学工程硕士学位论文 下一个 空穴 在纯净的硅晶体中 自由电子和空穴的数目是相等的 如果在硅 晶体中掺入硼 镓等元素 由于这些元素能够俘获电子 它就成了空穴型半导体 通常用符号P 表示 如果掺入能够释放电子的磷 砷等元素 它就成了电子型半 导体 以符号N 代表 若把这两种半导体结合 交界面便形成一个P N 结 太阳 能电池的奥妙就在这个 结 上 P N 结就像一堵墙 阻碍着电子和空穴的移动 当太阳能电池受到阳光照射时 电子接受光能 向N 型区移动 使N 型区带负电 同时空穴向P 型区移动 使P 型区带正电 这样 在P N 结两端便产生了电动 势 也就是通常所说的电压 这种现象就是上面所说的 光生伏打效应 如果这 时分别在P 型层和N 型层焊上金属导线 接通负载 则外电路便有电流通过 如 此形成的一个个电池元件 把它们串联 并联起来 就能产生一定的电压和电流 输出功率 太阳能光伏发电的能量转化器是太阳能光伏电池 太阳能电池发电的原理是光 生伏打效应 当太阳光照射到太阳能电池上时 电池吸收光能 产生光生电子一空 穴对 在电池内建电场作用下 光生电子和空穴被分离 电池两端出现异号电荷的 积累 即产生 光生电压 这就是 光生伏打效应 若在内建电场的两侧引出电 极并接上负载 则负载就有 光生 电流通过 从而获得功率输出 这样 太阳的 光能就直接变成了可以付诸实用的电能了 可将半导体太阳能电池的发电过程概括成如下四点 首先是收集太阳光和其 他光使之照射到太阳能电池表面上 太阳能电池吸收具有一定能力的光子 激发 出光生载流子 电子一空穴对 这些电子和空穴应该有足够的寿命 在它们被分 离之前不会复合消失 这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池p n 结内 建电场的作用下 电子一空穴对被分离 电子集中在一边 空穴集中在另一边 在p n 结两边产生异性电荷的积累 从而产生光生电压 在太阳能电池p n 结的两侧 引出电极 并接上负载 则在外电路中即有光生电流通过 从而获得功率输出 这 样太阳能电池就把太阳能直接转换成了电能 太阳能的转换利用方式有光一热转换 光一电转换和光一化学转换等三种方式 接受或聚集太阳能使之转换为热能 然后用于生产和生活的一些方面 是光一热转 换即太阳能热利用的基本方式 太阳能热水系统是目前太阳能热利用的主要形式 利用光生伏打效应原理制成的光伏电池 可将太阳能直接转换成电能加以利用 称 为光一电转换 光一化学转换尚处于研究试验阶段 2 2 太阳能电池发展历程及发展趋势 2 2 1 太阳能电池发展历史 对光伏发电技术的研究始于l O O 多年前 1 8 3 9 年 法国科学家A E B e c q u r e l 6 华北电力大学工程硕士学位论文 意外的发现光生伏打效应 从总的发展来看 基础研究和技术进步都起了积极推进 的作用 对太阳能电池的实际应用起到决定性作用的是1 9 5 4 年美国贝尔实验室三 位科学家关于单晶硅太阳电池的研制成功 在太阳能电池发展史上起到了里程碑的 作用 至今为止 太阳电池的基本结构和机理没有改变 太阳能电池后来的发展主 要是薄膜电池的研发 如非晶硅太阳能电池 C I S 太阳能电池 C d T e 太阳能电池 和纳米敏化太阳能电池等 此外主要的是生产技术的进步 如丝网印刷 多晶硅太 阳能电池生产工艺的成功开发 特别是薄膜的减反射和钝化技术的建立以及生产工 艺的高度自动化等 2 2 2 中国太阳能电池发展简史 1 9 5 8 年我国开始研制太阳能电池 1 9 5 9 年中国科学院半导体研究所研制成功 第一片有实用价值的太阳能电池 1 9 7 1 年开始了太阳能电池的空间应用 1 9 7 3 年 开始太阳能电池的地面应用 1 9 7 9 年我国开始利用半导体工业废次硅材料生产单 晶硅太阳能电池 1 9 8 0 1 9 9 0 年期间我国引进国外太阳能电池关键设备和成套生产 线及技术 先后建立了单晶硅电池生产企业 到2 0 世纪8 0 年代后期 初步形成 我国太阳能电池产业 进入2 1 世纪 我国光伏产业迅速发展 初步形成了一个光 伏产业规模化生产 高技术产业链不断扩大 2 2 3 世界光伏技术发展趋势 进入2 1 世纪 光伏电料工艺上都得到了新的发展 从材料上说 基于薄膜技 术的光伏电池 采用了新型的纳米技术使得转换效率更高 从结构上说 叠层光伏 电池和玻璃光伏电池的发展使得吸收太阳能范围更广 效率更高 这些新的突破都 使光伏电池发展进入新的阶段 i 商业化电池的电池效率不断提高 i i 商业化电池的硅片厚度不断降低 i i i 生产规模不断扩大 i v 太阳能电池组件成本大幅降低 v 晶硅电池技术持续进步 薄膜电池技术发展迅速 访 光伏工业的专用设备制造业及检测设备的技术提升 2 3 光伏发电系统的组成 光伏发电是指利用光伏电池方阵将太阳光辐射能量转化为电能的直接发电方 式 光伏发电系统是由光伏电池方阵 控制器和电能存储和变换环节构成的发电与 电能变换系统 光伏电池方阵产生的电能经过电缆 控制器 储能等环节与以储存 和转换 转换为负载所能使用的电能 其构成如图2 2 所示 7 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 2 光伏发电系统组成示意图 太阳能电池方阵 太阳能电池单体是光电转换的最小单元 其工作电压约为O 4 5 一O 5 V 远远低 于实际所需要的电压 一般不能单独作为电源使用 为了满足实际应用的需要 将 太阳能电池单体进行串联并封装后 就成为太阳能电池组件 其功率一般为几瓦至7 几十瓦 百余瓦 是可以单独作为电源使用的最小单元 太阳能电池组件再经过串 并联并架在支架上 就构成了太阳能电池方阵 可以满足负载所需要的输出功率 防反充二极管其作用是避免由于太阳能电池方阵在阴雨天和夜晚由于光线 不足不发电或出现短路故障时 蓄电池组通过太阳能电池方阵放电 它串联在太阳 能电池方阵电路中 起单向导通作用 蓄电池组 其作用是储存太阳能电池方阵受光照时所发出电能并可随时向负载供电 蓄电 池是光伏发电中的关键部件 蓄电池的失效和短寿命也是阻碍光伏发电独立系统扩 大应用的主要原因之一 目前我国用于光伏发电系统的蓄电池多数是铅酸蓄电池 也有少量用于高寒户外的系统采用镉镍电池 控制器 是光伏发电系统的核心部件之一 光伏发电系统在控制器的管理下运行 光伏 发电系统的控制器一般应具有如下功能 i 信号检测 i i 蓄电池最优充电控制 i i i 蓄电池放电管理 i v 设备保护 v 故障诊断定位 v i 运行状态指示 控 制器可以采取多种技术方式实现其控制功能 比较常见的有逻辑控制和计算机控制 两种方式 逆变器 逆变器是将直流电变换成交流电的设备 由于太阳能电池和蓄电池发出的是直 流电 当负载是交流电时 逆变器是不可缺少的 按照其运行方式 可分为独立运 8 华北电力大学工程硕士学位论文 行逆变器和并网逆变器 前者用于独立运行的太阳能电池发电系统 为独立负载供 电 后者用于并网运行的太阳能电池发电系统 将发出的电能馈入电网 测量设备 对于太阳能通信电源系统等工业电源系统和中大型太阳能光伏电站 往往要求 对大量参数进行测量 如太阳辐射 环境气温等 有些甚至要求有远程数据输入 遥控功能等 这就要求太阳能电池发电系统配备数据采集系统和微机监控系统 最大功率点跟踪技术 M P P T 太阳能电池方阵的输出随太阳辐照度和太阳能电池方阵表面温度而变动 因此 需要跟踪太阳能电池方阵的工作点并进行控制 使方阵始终处于最大输出 以获得 最大的功率输出 2 4 太阳能电池的分类 太阳能电池的种类很多 但目前对于多数批量生产和研制的太阳能电池 还没 有公认的命名法 光伏系统分为独立系统 并网系统和混合系统 如果根据太阳能 光伏系统的应用形式 应用规模和负载的类型 对光伏供电系统进行比较细致的划 分 还可以将光伏系统细分为如下六种类型 小型太阳能供电系统 简单直流系统 大型太阳能供电系统 交流 直流供电系统 并网系统 混合供电系统 并网混合 系统 现把它们大致的分类情况介绍如下 2 4 1 小型太阳能供电系统 S m aI lD C 该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小 整个系统结构简 单 操作简便 其主要用途是一般的家庭户用系统 各种民用的直流产品以及相关 的娱乐设备 在我国西部地区就大面积推广使用了这种类型的光伏系统 负载为直 流灯 用来解决无电地区的家庭照明问题 2 4 2 简单直流系统 该系统的特点是系统中的负载为直流负载而且对负载的使用时间没有特别的 要求 负载主要是在白天使用 所以系统中没有使用蓄电池 也不需要使用控制器 系统结构简单 直接使用光伏组件给负载供电 省去了能量在蓄电池中的储存和释 放过程 以及控制器中的能量损失 提高了能量利用效率 其常用于P V 水泵系统 一些白天临时设备用电和一些旅游设施中 2 4 3 大型太阳能供电系统 与上述两种光伏系统相比 这种光伏系统仍然是适用于直流电源系统 但是这 种太阳能光伏系统通常负载功率较大 为了保证可以可靠地给负载提供稳定的电力 供应 其相应的系统规模也较大 需要配备较大的光伏组件阵列以及较大的蓄电池 9 华北电力大学工程硕士学位论文 组 其常见的应用形式有通信 遥测 监测设备电源 农村的集中供电 航标灯塔 路灯等 2 4 4 交流 直流供电系统 与上述的三种太阳能光伏系统不同的是 这种光伏系统能够同时为直流和交流 负载提供电力 在系统结构上比上述三种系统多了逆变器 用于将直流电转换为交 流电以满足交流负载的需求 通常这种系统的负载耗电量也比较大 从而系统的规 模也较大 在一些同时具有交流和直流负载的通讯基站和其它一些含有交 直流负 载的光伏电站中得到应用 2 4 5 并网系统 这种太阳能光伏系统最大的特点就是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器 转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络 并网系统中P V 方阵所 产生电力除了供给交流负载外 多余的电力反馈给电网 在阴雨天或夜晚 光伏阵 列没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电 因为直接将电 能输入电网 免除配置蓄电池 省掉了蓄电池储能和释放的过程 可以充分利用P V 方阵所发的电力从而减小了能量的损耗 并降低了系统的成本 但是系统中需要专 用的并网逆变器 以保证输出的电力满足电网电力对电压 频率等指标的要求 因 为逆变器效率的问题 还是会有部分的能量损失 这种系统通常能够并行使用市电 和太阳能光伏组件阵列作为本地交流负载的电源 降低了整个系统的负载缺电率 而且并网P V 系统可以对公用电网起到调峰作用 但是 并网光伏供电系统作为一 种分散式发电系统 对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响 如谐波 污染 孤岛效应等 2 4 6 混合供电系统 这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能光伏组件阵列之外 还使用了油机作为 备用电源 使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点 避免 各自的缺点 比方说 上述的几种独立光伏系统的优点是维护少 缺点是能量的输 出依赖于天气 不稳定 综合使用柴油发电机和光伏阵列的混合供电系统和单一能 源的独立系统相比就可以提供不依赖于天气的能源 2 4 7 并网混合供电系统 随着太阳能光电子产业的发展 出现了可以综合利用太阳能光伏组件阵列 市 电和备用油机的并网混合供电系统 这种系统通常是控制器和逆变器集成一体化 使用电脑芯片全面控制整个系统的运行 综合利用各种能源达到最佳的工作状态 并还可以使用蓄电池进一步提高系统的负载供电保障率 例如A E S 的S M D 逆变器 系统 该系统可以为本地负载提供合格的电源 并可以作为一个在线的U P S 不问 l O 华北电力大学工程硕士学位论文 断电源 工作 还可以向电网供电或者从电网获得电力 系统的工作方式通常的是 将市电和太阳能电源并行工作 对于本地负载而言 如果光伏组件产生的电能足够 负载使用 它将直接使用光伏组件产生的电能供给负载的需求 如果光伏组件产生 的电能超过即时负载的需求还能将多余的电能返回到电网 如果光伏组件产生的电 能不够用 则将自动启用市电 使用市电供给本地负载的需求 而且 当本地负载 的功率消耗小于S M D 逆变器的额定市电容量的6 0 时 市电就会自动给蓄电池充 电 保证蓄电池长期处于浮充状态 如果市电产生故障 即市电停电或者是市电的 品质不合格 系统就会自动的断开市电 转成独立工作模式 由蓄电池和逆变器提 供负载所需的交流电能 一旦市电恢复正常 即电压和频率都恢复到上述的正常状 态以内 系统就会断开蓄电池 改为并网模式工作 由市电供电 有的并网混合供 电系统中还可以将系统监控 控制和数据采集功能集成在控制芯片中 这种系统的 核心器件是控制器和逆变器 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章直拉法掺镓硅单晶生长工艺 3 1技术领域 太阳能电池的制造方法与太阳能电池的种类很多 目前应用最多的是单晶硅和 多晶硅太阳能电池 其产量占到当前世界太阳能电池总产量的9 0 以上 它们的工 艺技术成熟 性能稳定可靠 光电转换效率高 使用寿命长 已进入大规模生产 本论文对晶体硅太阳能电池的生产制造工艺进行介绍 晶体硅太阳能光伏发电池产 业价值链由两条工艺路线构成 其中单晶太阳能电池加工环节包括高纯硅的生产 单晶拉制 单晶硅切片 电池片生产 组件封装 系统应用 多晶硅太阳能电池加 工包括高纯硅的生产 多晶硅铸锭 多晶硅开方 切片 电池片生产 组件封装 系统应用 本论文将着重讲述掺镓直拉硅单晶的制备技术 这是一种经过长期的理论研究 与实践相结合的基础上 经过长期的总结和改进 直拉法生长掺镓硅单晶的方法和 装置 可以控制晶体生长工艺中压缩晶锭的纵向电阻率分布范围 使其完全分布在 目前晶硅太阳电池制备的电阻率范围之内 3 2技术背景 国内外有不少关于掺G a 硅单晶电阻率分布工艺及特性研究的文献报道 有关 文献报道了 G a 在S i 0 2 S i 系下的扩散模型与分布规律 稀有金属材料与工程 2 0 0 5 6 9 2 0 一9 2 3 利用二次离子质谱分析 薄层电阻测量方法 对G a 在S i 0 2 S i 系下的扩散特性 硅表面及体内分布进行了装置研究 并得出结论 日本也有掺镓 硅单晶的生产方法 为了改进掺镓的硅单晶在拉轴方向的电阻率分布和生产具有统 一的电阻率的硅单晶 提出了一种基于直拉法生产掺镓硅单晶的方法 其中包含在 拉硅单晶的时候降低大气压力 A B ET A K A O M E T H O DF O RP R O D U C I N GG a D O P E D S I L I C O NS I N G L EC R Y S T A L J P2 0 0 2 15 4 8 9 6 2 0 0 2 0 5 2 8 直拉法 C Z 法 生长掺镓硅单晶最大的困难是由于镓在硅中的分凝系数非常小 k O 0 0 8 而硼在硅中的分凝系数为O 8 因此用普通直拉法生长的掺镓硅单晶锭 头部和尾部电阻率相差很大 头部电阻率与尾部电阻率之比达5 0 倍 6 0 倍 只能 有一少部分应用于太阳能电池制作 美国专利 U S6 8 1 5 6 0 5 虽然报道了有关 掺镓硅单晶的生产方法 但它是用一种原晶和熔化的硅联合并且被循环拉制成一种 硅单晶锭 而且其电阻率的范围从5Q c m 0 1Q c m 5 0 倍 其缺点在于需要 事先准备原晶而且循环拉制 工艺复杂成本高 并且拉出晶锭的纵向电阻率范围大 不能工业化推广 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 3 3 技术内容 本工艺的目的是提供一种直拉法生长掺镓硅单晶的方法 可以克服现有技术的 缺点 本工艺晶体生长方法实用 效率高 成本低 能得到单晶纵向电阻率完全 符合要求的大直径低位错密度的掺镓硅单晶 能满足高效太阳能电池衬底材料的要 求 本工艺的另一个目的是提供一种直拉法生长掺镓硅单晶的装置 它是对现有直 拉法生长单晶装置的改进 本工艺提供了以矮加热器为核心的复合式热场装置 晶 转埚转拉速组合 多层高度隔热的漏斗型热屏 形成优化的快速结晶潜热携带氩气 流场 使热系统内充满氩气 保护掺镓硅单晶生长 提高硅单晶质量 结构简单合 理 有广泛的应用价值 本工艺提供的直拉法生长掺镓硅单晶的方法包括装料 加热 拉晶等步骤 按常规方法在单晶炉中装料 并将镓合金放至石英埚内多晶硅原料的中心部 位 化料 待熔硅温度稳定 降籽晶 下降引细径 晶转提拉 等径生长 控制炉 室压力 晶体的拉速 氩气流速和晶转 调埚位保持导流筒下沿与液面之间距离和 埚转 按常规工艺调节 收尾和冷却 其中 拉速为1 5 衄 m i n 6 5 咖 m i n 细径 长度不小于1 6 0 咖 直径 3 咖 转肩拉速1 6 衄 m i n 2 6 衄 m i n 转肩1 2 后拉 速调至1 2 衄 m i n 本工艺提供的直拉法生长掺镓硅单晶的方法的具体步骤包括装料 加热 拉晶 1 按常规方法将单晶炉清炉 抽真空 保证真空泄漏率 1 P a 3 i n 并确认无 故障时 开炉 装料 并将镓合金放至石英埚内多晶硅原料的中心部位 充氩气至 炉压1 9 0 0 2 0 0 0 P a 2 低埚位化料 埚转为零 待确认化料中塌料后 将埚转方向调至l 2 转 分 钟 化料完毕 熔硅温度达1 4 2 0 一1 5 0 0 硅的熔点为1 4 2 0 3 化料完毕 加热功率电控欧路切入自动 降温至液面有过冷度 待熔硅温度 稳定3 0 3 5 分钟后 将籽晶降至距熔硅液面9 0 1 0 0 衄处预热2 5 3 0 分钟 开始 下降引细径 此时晶转调至5 8 转 浸熔3 0 3 5 分钟后提拉 拉速为1 5 咖 m i n 6 5 咖 m i n 细径长度不小于1 6 0 嗍 直径 3 咖 4 转肩拉速 转肩拉速1 6 m m m i n 2 6 m m m i n 转肩1 2 后拉速调至 1 2 m m m i n 5 等径生长 控制炉室压力 晶体的拉速 氩气流速和晶转 调埚位保持导流 筒下沿与液面之间距离和埚转 按常规工艺调节 收尾和冷却 所述的引径 缩径 放肩 等径 利用导流桶的角度将炉内氩气流直吹晶锭外 径与熔硅接触处 即结晶前沿 华北电力大学工程硕士学位论文 步骤1 所述的充氩气是将氩气流量增至常规工艺流量的一倍 氩气流速可调 至2 0 3 5 L h 步骤2 化料完毕后 导流桶下沿与熔硅液面之间的距离调至2 5 m m 步骤5 晶转在6 3 0 转内调节 步骤5 晶体的拉速在0 8 1 1 姗 m i n 范围内调节 步骤6 坩埚的转速在3 1 0 转 m i n 内调节 导流筒下沿与液面之间距离5 2 5 衄 步骤5 控制炉室压力在2 2 0 0 P a 一2 5 0 0 p a 即以通常的方法在氩气氛下生长掺 镓硅单晶 直拉法生长掺镓硅单晶的装置主要包括单晶炉 矮加热器 导流部件和供氩气 组成的复合式热装置 本工艺的热场装置剖面示意如图1 1 所示 采用通用的单晶炉 T D R 一6 2 B 单晶炉 炉内安装以矮加热器的复合式热装置 加热器外围处安装石墨保温筒 保温筒外面安装固化保温碳毡 石墨保温筒座落在 固化炉底护盘上的石墨下托盘的子口内 石墨保温筒上沿也被石墨上托盘的下子口 定位 导流筒上沿由在石墨上托盘的上子口定位 上保温盖由石墨上托盘的上面外 子口定位 石墨埚杆支撑石墨坩埚 石英坩埚座落在石墨坩埚内 石英坩埚上沿高 出石墨坩埚上沿 加热器外围1 5 咖处安装石墨保温筒 所述的石英坩埚上沿高出石墨坩埚上沿 2 0 2 5 衄 加热器按3 2 等分开瓣 电极位置不开缝 实际为3 0 瓣 缝宽1 0 舳 开缝高度 2 8 5 脚 加热器外径4 9 5 唧 内径4 5 8 咖 电极开孔间距3 2 0 姗 加热器有效高度在3 3 0 3 7 5 姗范围 加热器总高度为4 8 0 姗 使用本工艺的方法和装置 用纯度为6 个9 的镓合金 用太阳能级的块状多晶 硅 B 0 1 p p b a D 0 9 p p b a C O 5 p p m a 均可以得到头部和尾部电阻率之比为5 6 倍的优质单晶硅 即O 5Q c m 3Q c m 由于镓的分凝系数很小k O 0 0 8 而且易挥发 电阻率极难控制 使用本工艺 的特制导流筒 不仅极大地挡住了加热器向晶棒的辐射热 使晶体的纵向温度梯度 加大 而且氩气导流的方向直吹结晶前沿使结晶潜热散发迅速可改善结晶 导流筒 下沿放置距液面5 2 5 c m 克服了炉内氩气流场的湍流现象 另外 本工艺的晶转 埚转和拉速的配比也保证了硅中镓在非正常分凝下进入晶体 用本工艺生长的掺镓硅单晶的物理参数为导电类型P 型 晶向 1 5 4 咖 电阻率p 为O 5Q m 3Q m 间隙氧含量为 O i 1 7 5 p p m a 替位碳含量为 C s 0 5 p p m a 非平衡少子寿命T 1 5 0us 位错密度E P D 5 0 0 c m 2 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 本工艺提供的掺镓P 型 l o o 晶向硅单晶直拉法生长装置和工艺 使整根掺 镓硅单晶的电阻率从头部至尾部完全分布在电池制作所需的电阻率范围之内 使用 特定热装置和特定工艺生产 在投料量4 5 公斤的 1 6 热场装置下生长的中1 5 0 姗 P 型 1 0 0 晶向硅单晶的电阻率 可以控制在0 5 3Qc m 范围之内 为高效太阳 能电池的提高效率并抑制效率衰减创造了工业化的基础 本工艺的晶体生长方法实用 效率高 成本低 能得到纵向电阻率范围完全符 合要求的大直径低位错密度的掺镓硅单晶 能满足高效太阳能电池衬底材料的要 求 本工艺提供的直拉法生长掺镓硅单晶的装置是对现有直拉法生长单晶装置的 明显改进 以矮加热器为核心的复合式热装置 晶转埚转拉速组合 导流筒充分引 导氢气的定向流动 多层高度隔热的漏斗型热屏 形成优化的快速结晶潜热携带氩 气流场 使热系统内总是充满最新鲜的氩气 固化隔热材料作为保温材料的应用等 使用矮加热器在于减小高温熔体的热对流 有利于结晶前沿的熔硅平稳 保证掺镓 硅单晶正常生长 提高硅单晶质量 结构简单合理 有广泛的应用价值 热场装置示意图见附录 3 4 具体实施方式 本工艺涉及到测定掺镓硅单晶的典型物理参数的设备为 导电类型 采用冷热探针法测得 晶向 使用Y X Z H 8 晶向检测仪采用 G B T 1 1 5 5 3 1 9 9 7 标准测得 电阻率 使用广州半导体所的S D Y 一3 电阻率测试仪器采 用G B T 1 5 5 3 一1 9 9 7 标准测得 间隙氧含量使用N l C O L E T 一5 7 0 0 仪器 采用 G B T 1 1 5 5 3 1 9 9 7 标准测得 替位碳含量使用N 1 C O L E T 一5 7 0 0 仪器 采用 G B T 1 1 5 5 3 1 9 9 7 标准测得 非平衡少子寿命使用K 一7 2 0 L H 一2 仪器 采用 G B T 1 5 5 3 1 9 9 7 标准测得 位错密度采用G B T l l 5 5 3 1 9 9 7 标准测得 具体步骤 具体实验数据 第一步 按常规方法将单晶炉清炉 抽真空 真空泄漏率 1 P a 3 m i n 并确认 无故障时 开炉 装料 并将镓合金放至石英埚内多晶硅原料的中心部位 充氩气 至炉压2 0 0 0 P a 第二步 低埚位化料 埚转为零 待确认化料中塌料后 将埚转方向调至l 转 分钟 化料完毕 熔硅温度1 5 0 0 第三步 化料完毕 加热功率电控欧路切入自动 降温至液面有过冷度 待熔 硅温度稳定3 0 分钟后 将籽晶降至距熔硅液面9 0 咖处预热3 0 分钟 开始下降引 细径 此时晶转调至7 转 浸熔3 0 分钟后提拉 拉速为5 5 衄 m i n 细径长度不 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 小于1 6 0 咖 直径 2 衄 第四步 转肩拉速2 4 衄 m i n 转肩1 2 后拉速调至1 2 咖 m i n 第五步 等径生长 炉压调至2 5 0 0 P a 拉速O 9 咖 m i n 氩