硅材料及其光伏应用.ppt

一 硅材料简介 硅 周期表中位置 Si 铝硅磷 Si 原子序数14 在元素周期表中属3周期IVA族 原子量28 最外层电子3S23P2 化合价4 碳硅锗 Al C P Ge 硅 物理性质 硅 英文名Silicon 源自silex 意为 燧石 港 台也称 矽 发现于1823年 地壳中的丰度为27 7 地球上第二多的元素 与氧结合形成的SiO2 占地壳总质量的87 以大量的硅酸盐和石英矿形式存在于自然界中 是矿物界的主要元素 单质具有无定形态和晶体两种固体形式 晶体硅的熔点1410 沸点2355 密度2 32 2 34g cm3 莫氏硬度7 性脆 晶体硅硬而脆 具有金属光泽 导电率随温度升高而增加 具有半导体性质 硅 化学性质 硅在常温下不活泼 其主要的化学性质如下 1 与非金属作用常温下Si只能与F2反应 在F2中瞬间燃烧 生成SiF4 加热时 能与其它卤素反应生成卤化硅 与氧反应生成SiO2 在高温下 硅与碳 氮 硫等非金属单质化合 分别生成碳化硅SiC 氮化硅Si3N4 硫化硅SiS2等 2 与酸作用Si在含氧酸中可被钝化 与氢氟酸及其混合酸反应 生成SiF4或H2SiF6 3 与碱作用无定形硅能与碱猛烈反应生成可溶性硅酸盐 并放出氢气 4 与金属作用硅能与钙 镁 铜 铁 铂 铋等化合 生成相应的金属硅化物 硅 图示 硅石 金属硅 石英砂 单晶硅片 多晶硅片 硅的用途 主要作为一种功能材料而利用其电学性能晶体管和可控硅等分离电子元件大规模和超大规模集成电路 IC 太阳电池片其他用途光缆通讯 利用高纯掺杂的SiO2制造玻璃光纤各种硅添加剂 钢铁 变压器用 硅 矽钢片铝型材 铝硅合金化妆品 洁面乳中的研磨剂其他 二 太阳电池简介 光线在物体中的作用 物体对入射光的反射 折射和吸收 入射光 反射光 折 透射光 被 吸收光 物体对光的吸收 吸收率光能的一部分可被物体吸收 吸收率与物体厚度有关 如果入射光的能量为I0 则在离表面距离x处 光的能量衰减为II I0e x式中 为物体的吸收系数 上式表示光在物体中传播I 距离时 能量因吸收而衰减到原来的1 e I0 I x 半导体材料的光吸收 光电导现象半导体材料的吸收系数较大 一般在1 105cm 1以上 能够强烈吸收光的能量 半导体原子中的电子吸收能量 能态发生变化 产生电子跃迁 1 吸收少量能量 电子未离开其平衡位置 能量作用于晶格 最终光能转变为热能 2 如果吸收能量较大 电子跃迁离开原子核束缚 从而产生电子 空穴对 称为半导体的本征吸收 在状态2时 半导体材料中的光吸收导致了非平衡载流子产生 总的载流子浓度增加 电导率增大 这就是半导体材料的光电导现象 光敏特性 光生伏特效应 半导体的光伏效应在P N型半导体的接触界面处存在一个因扩散和飘移而形成的平衡电场 如果入射光照射在半导体上 在p n结附近将产生电子 空穴对 这些非平衡载流子向内建电场两端的移动 就产生了光生电势 电压 这时如果将p n结和外电路连接 则电路中出现电流 称为光生伏特现象或光生伏特效应 光伏效应是光 太阳 电池工作的基本原理 太阳能 地球上一切能量都是太阳能的不同表现形式 太阳与地球 太阳直径 1 39 106km体积 1 408 1018m3质量 1 989 1030kg 地球平均直径 1 268 104km体积 1 0832 1012m3质量 5 9742 1024kg 距离 1 49 108km 平均值 太阳能量 太阳构成太阳是由炽热气体构成的一个巨大球体太阳主要由氢和氦组成 其中氢71 氦27 太阳中心温度约为1700万 表面温度接近5800 太阳能太阳内部不停地进行由氢向氦的热核聚变 巨大能量不断向宇宙幅射 幅射能 3 6 1023kW s 22亿分之一到达地球 70 到达地面地面 1 8 1018kW h 相当于1 3 106吨标准煤 太阳能进入地球 反射 散射 吸收 大气层 太阳能优势 与石油 煤 核能和天燃气相比较不产生有害废渣和有害气体 不污染环境不受地域和资源的限制 使用方便且安全储量几乎是无限的 属于可再生资源因此 太阳能的研究和应用是今后人类社会能源发展的主要方向之一 太阳内部的热核反应还可进行6 1010 60亿 年对于人类的短暂历史而言 太阳能是 取之不尽 用之不竭 的清洁能源 太阳能利用方式 一 光化学转化太阳光照射下 物质发生化学或生物反应 从而将太阳光能转化成为电能或生物能等形式 典型应用 植物的光合作用 农耕文明二 光热转化通过反射 吸收等方式收集太阳的幅射能 使之转化成热能 典型应用 太阳能热水器 太阳能灶 太阳能温室等三 光电转化利用光电转换器件将太阳能转化成电能 典型应用 太阳电池 太阳电池分类 晶体硅太阳电池多晶硅电池 单晶硅电池 带状硅电池薄膜太阳电池砷化镓 非晶硅 多晶硅 CdTe CuInSe2等薄膜电池 美军已使用柔性太阳电池阵列为便携式电子设备供电 图中这种设计用于铺在帐篷 掩体或车辆顶部 晶体硅电池与薄膜电池图示 晶体硅太阳电池 利用硅作为半导体材料所特有的光伏效应 制造可实用的太阳光能转换为电能的器件和系统1954年 美国贝尔实验室研制出世界上第一块真正意义上的硅太阳电池 光电转换效率为6 左右 很快又升至10 从此拉开了现代太阳光电 又称太阳光伏 产业的序幕 硅太阳电池工作原理 硅太阳电池制造工艺步骤 1 制作多晶或单晶硅片2 制备硅片表面绒面结构3 在硅片表面制备p n结4 在硅片背面沉积铝背场5 制作金属电极6 制备硅片表面的减反射层7 多片串联配组8 封装9 组成系统组件 制造硅片 多晶硅片原料为高纯多晶硅 采用铸造工艺 定向凝固法铸出多晶硅方锭 经解方 切片 得到方形硅片 单晶硅片原料为高纯多晶硅 采用直拉单晶工艺 生长出圆柱形单晶锭 经磨制 切片 得到准方形硅片 制绒 进行化学腐蚀 去除表面加工的损伤层进一步采取特殊腐蚀液制作绒面 对单晶片采用碱性择优腐蚀液 使表面形成金字塔形绒面结构对多晶片采用酸性非择优腐蚀液 使表面形成凹球面结构绒面结构可形成斜射 利于增加太阳光在硅片内部的有效运动行程 并大大减少太阳光的反射 沉积n型层 作为基底的硅片是电阻率为0 5 2 cm的p型料 因为硅中电子迁移率远远大于空穴迁移率 对光线的吸收 P型材料大约是N型的20倍 所以目前的晶体硅太阳电池都是p型基底半导体在硅片表面沉积五价磷元素 通过磷原子在基底的扩散 生成n型半导体层 与基底组成p n结沉积方式有气态磷 固态磷和液态磷扩散三种 制作背表面场 在硅片背面制作背场 减少少数载流子在表面复合的概率 同时可作为电池片背面的电极制作背场的工艺是利用溅射等技术在硅片背面沉积一层铝膜 然后高温热处理 使铝和硅合金化并向内扩散 形成一层高铝浓度掺杂的p 层 构成铝背场 制作金属电极 在p n两面建立金属连接 以将电池片产生的电流引导到负载目前 硅片表面制作金属电极的工艺是采用金属导电浆料的丝网印刷方法下右图中电极为两条线 而现在一般为三条线和四条线 称为三线印刷和四线印刷 线越多 电池光电转换效率越高 但同时电极线也遮挡了部分电池表面 表面减反射层 在硅片表面沉积一层高折射率薄膜 减少太阳光的反射 也即增加入射光量 这种工艺完全类似于照相机和望远镜上镀增透膜早期常用的减反射层材料是钛的氧化物 TiOx x 2 现代也使用SixNy膜层 多片串联 单个电池片的电压和电流都较小 需要将很多片进行串联 才能用于带动用电负载 封装 将多个电池片的串联件进行密封包装 框架采用铝合金 表面采用高强度高透射性的玻璃 组成系统 太阳跟踪装置为最大限度采集太阳光 电池板需要随时调整方向 迎向太阳入射光逆变器太阳电池产生的是直流电 而生活中的电器都使用交流电 因此 需要安装交 直流变换装置蓄电池太阳电池只能在白天太阳光照射下工作 而照明等应用在晚上 因此 要将电池白天产生的电力存储起来其它控制器 电线电缆 防护固架等 太阳电池系统图 太阳电池系统应用 影响电池转换效率因素 原材料纯度原生硅材料纯度对电池的光电转换效率有决定性的作用 材料内的氧 碳及重金属等杂质严重降低了电池片对太阳光能的吸收和转化制作工艺铸锭工艺中要求晶粒越大越好 前些年出现准单晶铸锭工艺 但成本较高 现在有半熔工艺 生长粗大晶粒 效率比全熔工艺提高约0 5 材料中的缺陷 位错 晶界 对电池的效率有一定的影响制片工艺也影响电池效率理论上 硅太阳电池的光电转换效率约为26 目前