太阳能电池介绍

1、多晶硅太阳能电池介绍 Part One 太 阳 能 电 池 简 介01 太阳能电池利用半导体材料的电子特性， 把光能直接转换为电能。 太阳能电池是指利用太 阳光的能量发电的电磁 种类。相对于普通电池 和可循环充电电池来说， 太阳能电池属于更节能 环保的绿色产品。 Part Two 太 阳 能 电 池 基 本 原 理02 太阳能电池是由电性质不同的n型半导体和p型半导体连接合成， 一边是p区,一边是 n 区，在两个相互接触的界面附近形成一个 结叫p - n结，结区内形成内建电场，成为电荷运动的势垒。 当太阳光入射到太阳电池表面上后,所吸收得能量大于禁带 宽度，在p-n结中产生电子-空穴对，在p-

2、n结内建电场作用 下，空穴向p区移动，电子向n区移动，从而在p区形成空穴 积累，在n区形成电子积累。若电路闭合，形成电流。 太 阳 能 电 池 结 构 太 阳 能 电 池 结 构 1、无机太阳能电池 2、有机太阳能电池 3、光化学太阳能电池 太阳能电池分类 1、无机太阳能电池 2、有机太阳能电池 3、光化学太阳能电池 太阳能电池分类 薄膜 块状多晶硅 单晶硅 化合物半导体薄膜型 硅薄膜型 非晶硅 多晶硅 碲化镉 砷化镓 铜铟镓硒 1、光化学太阳能电池 光化学电池是通过光 的催化作用促进电池的 正负极反生电化学反应 生成电。而太阳电池正 负极之间没有化学反应， 只是光激发电子和空穴 的产生，经过

3、外电路后， 电子与空穴复合。 2、有机化合物太阳能电池 以酞菁、卟啉、苝、 叶绿素等为基体材料的 太阳能电池。如有机PN 结太阳能电池，有机肖 特基太阳能电池等。 如 聚乙烯太阳能电池、共 轭聚合物/C60复合体系太 阳能电池等。 3、无机化合物太阳能电池 (1)薄膜太阳能电池 指利用薄膜技术将很薄的半导体光电材料铺在非半导 体的村底上面构成的光伏电池。 这种电池可大大地减少半导 体材料的消耗（薄膜厚度以 m计）从而大大地降低了 光伏电池的成本。 可用于构成薄膜光伏电 池的材料有很多种主要包 括多晶硅、非晶硅、碲化镉 以及CIGS等。 (2)单晶硅物太阳能电池 单晶硅是硅的单晶体，具有基本完整

4、的点阵结构的晶 体,晶体排列整齐，可以由多晶硅熔炼而来。 单晶硅太阳能电池的光电转换效 率比多晶硅高，光电转换效率为 17%左右，最高的达到24，这 是目前所有种类的太阳能电池中 光电转换效率最高的，单晶硅使 用寿命使用寿命最高可达25年。 (3)多晶硅太阳能电池 熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，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，就结晶成多晶硅。 由于结构特点，转换效率 较略低，约为15%，从制 作成本上来讲，比单晶硅 太阳能电池要便宜一些， 材料制造简便，节约电耗， 总的生产成本较低，因此 得到大量发展。 多晶硅电池的结构和多晶硅

5、 工艺 02 Part Two 多晶硅太阳能电池板构成及各部分功能： 总体结构图 （1）钢化玻璃 其作用为保护发电主体（电 池片），且透光率高，延长 电池片寿命 （2） EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）： 用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片）。（透明EVA材质的优 劣直接影响到组件的寿命，暴露在空气中的EVA易老化发黄， （3）多晶硅太阳能电池板：是多晶硅太阳能电池板的主体，主要作用就是 发电。 （4） 背板：作用是用来 密封、绝缘、防水。 （5）接线盒：其作用是 保护整个发电系统，起到 电流中转站的作用。 （6） 铝合金：保护层压 件，起一定的密封、支撑 作用。 （7） 硅胶：密封作用。

6、 目前，在工业中以及试验中主要的技术有： 高纯多晶硅硅料主要生产方法 三氯氢硅氢还原法 （改良西门子法） 硅烷法 流化床法 经过化学提纯得到的高纯 多晶硅的基硼浓度应小于 0.05ppba(十亿分之一原子 比)， 基磷浓度小于0.15ppba， 金属杂质浓度小于1.0ppba。 冶金法 三氯氢硅氢还原法于1954年由西门子公司研究成功，因此又 称为西门子法。主要化学反应主要包括以下2个步骤： 1、三氯氢硅（ ）的合成； 2、高纯硅料的生产： 西门子法 3i S HCI 32 3 ii SHCIS HCIH 32 3 ii S HCIHSHCI 问题：副产品HCl 污染大，产 物无法得到有效利用

7、 改良西门子法多晶硅制备工艺原理图 改良西门子法 工业硅 硅粉 氯气 氯化氢合成 三氯氢硅合成 氯化氢气体 三氯氢硅提纯 干法回收 四氯化硅 氢化 三氯氢硅三氯氢硅 多晶硅 还原 还原尾气 氢气 氢气 西门子法 改进 能耗比较 0 50 100 150 200 250 改良西门子法硅烷法流化床冶金法 能耗/Kw*h/kg 改良西门子法 200 180 160 120 100 70 0 50 100 150 200 250 能耗/KW.h/kg 改良西门子法不断改进，能耗不断下降，目 前，国外先进工艺可达70KW.h/kg 几种制备方法的比较 方法方法原料原料 产品用途产品用途副产品副产品/ /

8、环环 境是否有境是否有 害害 优点优点缺点缺点 改良西门子 法（产量占 全球80%以上） 三氯氢硅太阳能级， 电子级 无污染最为成熟、最容易扩 建的工艺 相比较，能耗较高 硅烷法（产 量占全球12% 左右） 硅烷电子级， 太阳能级 氢气/基本 无害 成本低，环境友好 硅烷气体无腐蚀性， 热分解率高，产品纯 度高，产量高 硅烷气体是一种易燃易爆的气体，对系 统的气密性要求较高，所以系统的硬件 建设标准要求较高。 冶金法（国 内实验状态） 冶金硅太阳能级氢气/基本 无害 成本低、建设周期短、 无化学污染 纯度问题是致命伤 流化床法 （国内实验 状态） 硅烷，三 氯氢硅 太阳能级少/基本无 害 能耗

9、低，单台设备生 产量大(一般可以达到 年产500 吨以上) 设备复杂，维护费用高，需要解决炉内 热损失，炉壁重金属污染等问题 改良西门子法依然“综合素质”最 优的多晶硅生产工艺，短时间内被 其他工艺替代的可能很小。 四大多晶硅供应商（保利协鑫、德 国Wacker、美国Hemlock、韩国OCI） 03 Part Three 多晶硅太阳能电池制备工艺 一次清洗 扩散 湿法刻蚀 镀氮化硅 丝网印刷 烧结 测试 工艺流程 多晶硅片 单片电池 一次清洗工序 主要目的是去除硅片表面的脏污和机械损伤层，在硅片表面形成绒面 结构（俗称制绒），增强太阳能电池的陷光作用，即减弱太阳能电池 的反射。 主要工艺：化

10、学腐蚀法，电化学腐蚀，反应离子刻蚀法，激光刻蚀 陷光作用影响电池效 率 一次清洗工序 化学腐蚀法具体的总反应方程式 如下 3Si+4 HNO33SiO2+2H2O+4NO SiO2 +6HFH2(SiF6)+2H2O 太阳能级Si HNO3(强氧化剂） 致密的SiO2 促进HNO3和 Si反应，不断 腐蚀Si 阻止Si和HNO3反应 可溶于水的H2SiF6虫孔结构 扩散工序 扩散实际上就是物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀分 布的现象。其实质是形成太阳能电池的心脏-PN 结。 三氯氧磷（POCl3）液态源扩散的原理： 总化学反应方程式为： 4POCl3 +5O22P2O5 +6Cl

11、2 2P2O5+5Si5 SiO2+4P4 湿法刻蚀工艺 目的：采用湿法刻蚀方法将电池背面的 PN结去除，以达到分 离 PN 结的效果，从而减小漏电流。 原理：总反应化学方程式和制绒过程一样，其区别在于控制 HF和HNO3的浓度，来决定是制绒腐蚀还是抛光腐蚀 工艺关键参数：酸碱槽溶液浓度 等离子体增强化学气相沉积（PEVCD)工序 目的：在硅片表面沉积一层氮化硅薄膜 原理：在真空压力下，利用射频电场给电子加速并给予其能量，增 加反应气体的活性，和硅基分子发生反应。 两束反射光 R1、R2 产生相 消干涉 丝网印刷工艺 目的：就是在镀膜后硅片的正反两面印刷电极、背电场，经过烧结后使其能 够很好的

12、收集光生电流并顺利导出，实现电能与光能之间的高效转化。 原理图 丝网印刷的原理，就 是将带有图案的模板 附着在丝网上，利用 图案部分网孔透过浆 料，而非图案部分不 透浆料的特征来进行 印刷。 烧结工艺 目的：使硅片和电极间形成良好的欧姆接触 步骤步骤目的目的影响因素影响因素 将半导体多晶硅和金属电 极加热到共晶温度 使硅原子将按某快速向熔融的合金电 极中扩散 体积越大，温度越高， 硅原子数目越多 在某点突然降温使固态硅原子从金属和硅界面处的合 金中析出，生长出外延层 杂质成分决定，杂质 成分足够，则接触良 好 测试 测试硬件框图 地面用太阳能电池的国际标准测试条件为： 辐照度：1000W/m2

13、；光线的辐照度为1000W/m2； 电池温度：25； 光谱分布：AM1.5(就是光线通过大气的实际距离为大气垂直厚度的1.5 倍)。 多晶硅太阳能电池和其他电池比较多晶硅太阳能电池和其他电池比较 Part Four04 多晶硅 单晶硅 非晶硅 转换效率转换效率 25% 20% 13% 20% 15% 10% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 单晶硅多晶硅非晶硅 几种材料电池效率比较几种材料电池效率比较 单电池模块效率组合电池模块 近年来多晶单晶（平均）效率对比 17.60% 17.80% 18.30% 18.60% 18.80% 19.10% 16.20% 16.40% 16

14、.70% 17.00% 17.30% 17.60% 14.50% 15.00% 15.50% 16.00% 16.50% 17.00% 17.50% 18.00% 18.50% 19.00% 19.50% 200920102011201220132014 单晶多晶 多晶始终和单晶差一 截 工艺进步降低成本 多晶的最大优势：成本 近年来随着工艺进步，成本 优势减小 多晶硅产业规模优势依然巨大 39% 36% 29%29% 30% 31% 33% 35% 61% 64% 71%71% 70% 69% 67% 65% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 201020

15、11201220132014201520162017 单晶硅多晶硅 全球光伏电站，单晶硅约占30% 目前，国内市场，多晶硅和单晶硅约为4:1，国际上 约为3:1 ，该比例今后有望缩小 我国多晶硅产业发展05 Part Five 2001-2011年 一路狂奔 50 200 400 1088 2600 4011 10800 5% 11.76% 21% 54% 37% 57% 64% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 2004200520062007200820092

16、010 光伏产量/MW 世界新增装机容量/MW 比例 中国多晶硅电池产业自2004年疯狂扩张，不到 10年，规模全球第一 然而，好景不长，2011 年，欧债危机和双反危 机使中国光伏遭遇寒冬 2013年3月，无锡尚德破产重组 痛定思痛：我国光伏产业问题 1.国内产能过剩问题依然存在 41 63 80 90 97 102 16.8 29.7 40.2 41.4 52.2 62.1 0 20 40 60 80 100 120 201020112012201320142015 全球光伏产量和需求 产能/GW需求/GW 2.技术水平低，原材料依赖进口 2.04 4.5 8.28 5.64 8.41 1

17、3.6 4.574.57 6.39 8.28 6.07 10.22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 200920102011201220132014 我国多晶硅产量和进口量 我国多晶硅产量进口产量 多晶硅产量 逐年增加， 但依然依赖 进口 3.严重依赖国际市场，国内市场开发迟缓 中国, 43% 美国, 19% 韩国, 16% 德国, 17% 日本, 4% 其他, 1% 2014全球多晶硅产量 中国美国韩国德国日本其他 中国大陆 76% 中国台湾 9% 韩国 5% 日本 3% 东南亚 3% 欧洲 2% 其他 2% 2014全球硅片生产 中国大陆中国台湾韩国日本 东南亚欧洲其他 中国大陆, 70% 中国台湾, 5% 日本, 5% 东南亚, 10% 欧洲, 6% 其他, 4% 全球组件生产 中国大陆中国台湾日本 东南亚欧洲其他 我国光伏展望：前景良好 优势1：产业规模大 2.政策补贴，应用加速 30 16 6 14 10 4 05101520253035 2014 2013 2012 新增装机量/GW累计装机量/GW 国内对于光伏电站的补贴政策不断出台