任务二：晶硅电池产业链工艺流程 PPT课件

光伏电池制备工艺 1 光伏电池制备的准备 任务二 晶硅电池产业链工艺流程 2 目录一 相关概念二 产业链结构三 主要工艺流程1 原生多晶硅2 单晶硅拉制工艺3 多晶铸锭工艺4 准单晶工艺5 电池片生产工艺四 总结 3 定义 光伏组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置 几乎全部由半导体物料 例如硅 制成的固体光伏电池组成 由于没有活动的部分 故可以长时间操作而不会导致任何损耗 电池板使用寿命20年以上 简单的光伏电池可以为手表及计算器提供能源 较复杂的光伏系统可以为房屋提供照明 并入电网供电 太阳能电池 4 太阳能电池 晶硅电池 多元化合物薄膜电池 单晶硅电池 多晶硅电池 种类 非晶硅薄膜电池 硫化镉 砷化镓 铜铟硒薄膜电池 5 多晶硅 是单质硅的一种形态 熔融的单质硅在过冷的条件下凝固时 硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核 如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒 则这些晶粒结合起来 就形成多晶硅 单晶硅 熔融的单质硅在过冷的条件下凝固时 硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核 如这些晶核长成晶面取向相同的晶粒 则这些晶粒结合起来 就形成单晶硅 6 2020 4 11 7 二 产业链结构 硅矿石silica 太阳能级多晶硅SoG 6 7N 工业硅MS Si1 2N 单晶硅棒 多晶铸锭 化学法 改良西门子 冶炼SiO2 C Si CO2 Si HCl SiHCl3 H2SiHCl3 H2 Si HCl 铸锭炉 直拉或区熔 CZorFZ 准单晶硅锭 单晶硅片 单晶硅太阳能电池 多晶硅片 铸锭炉 切片机 切片机 多晶硅太阳能电池 太阳能光伏发电系统 切片机 二 产业链结构 8 1 原生多晶硅 三 主要流程介绍 9 2020 4 11 10 三 主要流程介绍 三大主要生产方法 多晶硅 改良西门子法 硅烷法 冶金法 注 前两种方法为化学方法 后一种为物理方法 国内改良西门子法占比95 以上 2020 4 11 11 改良西门子法 三 主要流程介绍 主要反应原理 Si HCl SiHCl3 H2 SiCl4 SiH2Cl2 三氯氢硅合成炉 SiHCl3 H2 Si HCl 还原炉 SiCl4 H2 SiHCl3 HCl 氢化炉 四氯化硅还原生产三氯氢硅一直是全球多晶硅生产企业广泛关注的焦点问题 此方法不但处理了副产物四氯化硅 同时还重新得到了生产多晶硅的原料三氯氢硅 氯化氢也可以自身利用 能显著地降低生产成本 各个生产企业都花费了大量的人力物力进行研究 2020 4 11 12 氯化氢 硅粉 氯化 分离 冷凝 粗馏 精馏 冷凝 还原尾气 还原 氢净化 多晶硅 水电解 四氯化硅 冷凝 四氯化硅 氢气 三氯氢硅 氯化氢 三氯氢硅 氢还原 改良西门工艺流程 三 主要流程介绍 2020 4 11 13 氢化方法 热氢化与冷氢化 热氢化技术利用以下反应 2SiCl4 H2 2SiHCl3 2HCl反应温度为1200 1250 压力范围1 5 2 5个大气压力 三氯氢硅的单程收率大约为17 20 左右 工艺优点 压力比较缓和 对设备要求低 安全性好 且氢气和四氯化硅比值较小 因此还原炉内四氯化硅浓度较高 保证了还原反应的速率以及充分性 且降低了后期分离的难度 工艺缺点 反应温度高 电耗高 TCS单耗2 2 3KWh kg 加热片为易耗材料 运行费用较高 有碳污染的可能 三 主要流程介绍 2020 4 11 14 热氢化改良西门子法多晶硅生产工艺流程简图 三 主要流程介绍 2020 4 11 15 冷氢化技术利用以下反应 SiCl4 2H2 3Si 4SiHCl3反应温度为450 压力范围1 5 1 8MPa 转化率大约为20 25 左右 需要催化剂NiO工艺优点 反应温度低 电耗低 TCS单耗 1KWh kg工艺缺点 气固反应 操作压力较高 对设备密封性要求高 操作系统较复杂 提纯工作量大 三 主要流程介绍 2020 4 11 16 冷氢化改良西门子法多晶硅生产工艺流程简图 TCS 三氯化硅STC 四氯化硅DCS 二氯二氢硅 17 2020 4 11 18 3 硅烷法 最终用硅烷热解制得多晶硅的方法 其中制备硅烷的方法 硅镁合金工艺 氯硅烷歧化工艺 金属氢化物工艺 三 主要流程介绍 2020 4 11 19 4 冶金法 工业硅 酸洗 氧化精炼 真空处理 凝固精炼 太阳能级硅 添加Ca 去除Ti Fe 除B C 去除P O Ca Al 三 主要流程介绍 2020 4 11 20 1 光伏产业带动多晶硅产业的迅速发展 生产1MW太阳能电池约需要10吨多晶硅 晶体硅材料是主要的光伏材料 其市场占有率在80 以上 而且在今后相当长一段时期 也依然是太阳能的主流材料 2 西门子法是目前多晶硅生产的主流技术 约90 的多晶硅由此技术生产 短期内这种局面不会改变 3 多晶硅生产气体使用情况氮气的消耗量是跟你的工艺设计 用途有关 一般年产一千吨的多晶硅 经验统计 消耗每小时在500 700方 主要是用在尾气 置换气 压料气 擦洗气氩气的消耗主要是硅芯方面 小结 三 主要流程介绍 2020 4 11 21 2 单晶硅拉制工艺 三 主要流程介绍 2020 4 11 22 1 拉制方法及拉制过程 直拉单晶 CZ 和区熔 FZ 化料 引晶 放肩 等径 收尾 冷却 装炉 直拉单晶拉制过程图 三 主要流程介绍 化料 引晶 放肩 等径 收尾 装炉 直拉单晶炉 23 2020 4 11 24 三 主要流程介绍 2020 4 11 25 2 氩气使用情况 整个热场系统 包括两大部分 加热器发热 其它部分主耍是保温 导流 形成一定的温度梯度 使座落在石墨托里的石英坩埚中的熔料能按要求的晶向结晶生长 SiO2 2C SiC 2COSiC SiO2 SiO CO SiSiO2 si O2 拉制单晶需全程通氩 一边抽空 炉内压力控制在20乇左右 通过合理的热场结构 能迅速带走挥发物 减压有利于sio的挥发及防止co返回熔体 达到降氧和降碳的目的 氩气流量 35 55L min 联创炉 投料公斤 耗气量约170立方 三 主要流程介绍 2020 4 11 26 3 多晶铸锭工艺 1 多晶铸锭炉发展趋势 a装料多b周期短C品质高d功率低 三 主要流程介绍 2020 4 11 27 2 工艺周期 加热 熔化 长晶 退火 冷却 出炉 1540 约10 15h 1430 1370 900 约4h 整个工艺周期 三 主要流程介绍 加热 熔化 长晶 退火 28 2020 4 11 29 3 多晶铸锭炉主要生产厂家 国外主要厂商 美国GTSOLAR 德国ALD 普法拓普等 其中GT占据中国多晶铸锭炉市场约50 国内主要厂商 绍兴精工 中电48所 华盛天龙 京运通等 三 主要流程介绍 氩气主要使用量 不需全程吹氩 450铸锭炉单锭氩气耗量为70 90方 2020 4 11 30 4 准单晶工艺 1 准单晶定义 准单晶 MonoLike 是基于多晶铸锭的工艺 在长晶时通过部分使用单籽晶 获得外观和电性能均类似单晶的多晶硅片 三 主要流程介绍 2020 4 11 31 2 籽晶铺设方式 三 主要流程介绍 3 工艺线路 三 主要流程介绍 32 2020 4 11 33 4 准单晶产品的优势1 转换效率高于普通多晶 接近直拉单晶电池片18 3 2 直拉单晶投料量约为100KG 准单晶铸锭投料量达430KG 3 比起普通多晶 组件功率提升明显 单位成本降低 4 可封装250瓦 60片排布 或300瓦 72片排布 的大组件 5 工艺成本上 直拉单晶成本为160元人民币 公斤 准单晶铸锭的成本仅为60人民币 公斤 三 主要流程介绍 2020 4 11 34 5 准单晶技术研发要点 1 温度梯度改进 针对热场研发以改良温度梯度 同时还要注意热场2 晶种制备 研究发现 准单晶晶种制备方向将朝着超大超薄的方向发展3 精确熔化控制 这一环节非常难以控制 它决定准单晶是否能够稳定生产 因此需要一个与之对应的精准熔化控制设备 据了解 为获得稳定的控制工艺 凤凰光伏开发了一套针对准单晶专用的晶种融化控制设备 可以在0 5mm的时候进入长晶阶段 4 位错密度 在很多生产过程中 效率衰减总是不可避免 为此把位错密度控制到最低 是此项工艺的关键 5 籽晶的重复利用技术6 铸锭良率提升 目前良率大约在40 60 之间 还有待提高 三 主要流程介绍 2020 4 11 35 6 电池片生产工艺 硅片检测 表面绒面 丝网印刷 烧结 扩散制结 去磷硅玻璃 镀减反射膜 等离子刻蚀 三 主要流程介绍 硅片检测 表面绒面 扩散制结 去磷硅玻璃 等离子刻蚀 2020 4 11 36 表面绒面 单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀 在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构 由于入射光在表面的多次反射和折射 增加了光的吸收 提高了电池的短路电流和转换效率 工艺槽提通过氮气鼓泡来搅拌溶液以满足工艺要求 100MW生产线氮气消耗量约24m3 h 1 工艺所需氮气环节 三 主要流程介绍 扩散工艺 太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的转换 而扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备 在进舟 升温 稳定 通源 恒温 冷却 出舟过程中氮气消耗量约28m3 h 100MW 三 主要流程介绍 37 去磷硅玻璃 该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中 通过化学腐蚀法也即把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡 使其产生化学反应生成可溶性的络和物六氟硅酸 以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃 氮气作为动力源之一 消耗量为12m3 h 三 主要流程介绍 38 三 主要流程介绍 等离子刻蚀 由于在扩散过程中 即使采用背靠背扩散 硅片的所有表面包括边缘都将不可避免地扩散上磷 PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面 而造成短路 因此 必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀 以去除电池边缘的PN结 此工艺消耗的氮气主要是用于抽真空后工作腔内压力平衡和真空泵的氮气保护 氮气消耗量约8m3 h 39 三 主要流程介绍 甩干机氮气耗量 在清洗制绒和去磷硅玻璃之后都需要使用甩干机 氮气主要用于甩干的过程中将硅片吹干 此过程氮气的消耗量约100m3 h 40 三 主要流程介绍 镀减反射膜 抛光硅表面的反射率为35 为了减少表面反射 提高电池的转换效率 需要沉积一层氮化硅减反射膜 现在工业生产中常采用PECVD设备制备减反射膜 PECVD设备有四处需要使用氮气 第一是进出舟是需要用氮气吹扫 防止石墨舟被污染 第二是抽真空后平衡工艺管内外压力 第三是稀释尾气中硅烷的浓度 第四是真空泵的氮气保护 氮气消耗量 约50m3 h 41 三 主要流程介绍 外围设施氮气消耗量 纯水制备