晶硅太阳能电池发展

1、南昌大学毕 业 论 文题 目： 晶硅太阳能电池发展 专 业： 光伏材料加工技术与应用 班 级： 自考 准考证号： 056912300379 学生姓名： 马 玉 鸿 院 系： 光伏材料系 指导教师： 肖全松 日 期： 2014年10月 目 录摘 要11.单晶硅太阳能电池的发展背景和意义12.单晶硅太阳能电池的特点12.1单晶硅太阳能电池的结构22.2单晶硅太阳能电池的优点3单晶硅的直拉法53.晶体硅的优缺点63.1 单晶硅太阳能电池及其产品的优缺点73.2晶体硅太能电池产业化技术发展74. 晶体硅太阳能电池网印刷和烧结工艺84.1 晶体硅印刷和烧结工艺94.2. 晶体硅印刷和烧结工艺概述10致谢

2、12参考文献12摘 要太阳能电池是一种取之不尽，用之不竭的可再生能源。在过去的50年间，不仅太阳能电池的产业，相关的科学和技术也得到了很大的发展，一方面，硅太阳电池的效率不断的提高，在实验中达到25%左右，逐渐接近理论值；另一方面不断有新的高性能半导体材料被用于太阳能光电材料。本文首先从晶硅太阳电池发展入手，介绍了国内外太阳电池设备技术现状，分析了我国太阳电池生产与国际的差距；此后，从硅太阳电池的发电原理及制作过程,分析了单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳电池的种类和特点；最后，分析了提高晶硅太阳能电池转换效率的方法，并提出了未来太阳能电池技术的发展趋势方向。关键词：单晶硅、多晶硅、太阳能电池、成本

3、发展方向1. 单晶硅太阳能电池的发展背景和意义太阳能电池是一种取之不尽，用之不竭的可再生能源。在过去的50年间，不仅太阳能电池的产业，相关的科学和技术也得到了很大的发展，一方面，硅太阳电池的效率不断的提高，在实验中达到25%左右，逐渐接近理论值；另一方面不断有新的高性能半导体材料被用于太阳能光电材料。高速兴起的光伏产业光伏产业是兴起于世纪之交的各种可再生能源产业中最受欢迎的明星，迄今为止，人类所取得的文明和成就均是建立在规模利用的基础之上。然而，化石能源的储量有限，终将被开采用尽；同时，在现有的技术条件下，使用化石能源不可避免带来的污染排放，特别是温室气体的排放，直接威胁到地球人类生存的空间。

4、因此大力发展可再生能源，实现人与自然的可持续发展已经成为人类关注的焦点。早在上世纪70年代石油危机西方国家的经济危机开始，西方国家便加强了对新能源研究和探索；光伏发电技术由于它独特的优势，在各种新能源技术的研究的步伐，成为全球关注的新能源产业。从上世纪90年代开始，光伏产业在政府的推动下稳步发展，1999年至今，9年间光伏产业增长速率超过40%，已经是全球发展最快的。2. 单晶硅太阳能电池的特点单晶硅太阳能池是当前开发得最快的一种太阳能电池，它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅

5、棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过直拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行，这样就硅片上形成P-N结。在去除PSG后，涂覆减反射膜，以防大量的光子被硅片表面反射掉。然后采用丝网印刷法，将配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极。因此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板），

6、用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15左右，实验室成果也有20以上的。近5年来，中国光伏电池产量年增长速度为1-3倍，光伏电池产量占全球产量的比例也由2002年1.07增长到2008年的近15。商业化晶体硅太阳能电池的效率也从3年前的13-14提高到16-17。总体来看，中国太阳能电池的国际市场份额和技术竞争力大幅提高。在产业布局上，中国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的

7、太阳能产业集群。太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50以上，太阳能光伏发电将占总电力的20以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80以上，太阳能发电将占到60以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。2.1单晶硅太阳能电池的结构单晶硅太阳能的结构示意图如下；光谱射照度为1000W/m2,

8、光谱为AM 1.5，电池温度为25。填充因子：最大输出功率与电池的短路电流和开路电压的最大乘积的比值。转换效率：在外电路连接最佳负载电阻R时，得到最大转换效率。太阳电池的光谱效应：是指一定量的单色光照到太阳电池上，产生的广晟载流子被光吸收后形成的光生电流的大小。在光照条件下，具有足够能量的光子进入p-n区附近才能产生电子对空穴对。对于晶体硅太阳来说。太阳光谱中的波长小于1.1mm，的光线都可能产生光伏效应。对与不同材料的太阳能来说，尽管光谱相应的范围不同，但光电转化的原理是一致的。最后造成在太阳能电池受光有大量的负荷积累，而电池背光面有大量的正电荷积累。如在电池上、下表面做上金属电极，并用导线

9、接上负载，在负载上就有电流通过。只有太阳光照射下负载才能有电流通过。背板：作用，密封、绝缘、防水（一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化，组件厂家都质保25年，钢化玻璃，铝合金一般都没问题，关键就在与背板和硅胶是否能达到要求钢化玻璃：其作用为保护发电主体（如电池片），透光其选用是有要求的：1.透光率必须高（一般91%以单晶硅太阳能电池上）；2.超白钢化处理EVA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，从而影响组件的透光率，从而影响组件的发电质量除了EVA本身的质量外，组件厂家的层压工艺影响也是非常大的，如EVA胶连度

10、不达标，EVA与钢化玻璃、背板粘接强度.2.2单晶硅太阳能电池的优点降低生产成本，地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。单晶硅太阳能电池将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米。硅片经过抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就硅片上形成P>N结。然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防

11、大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，实验室成果也有20%以上的。1可供应太阳电池的头尾料愈来愈少；2对太阳电池来讲，方形基片更合算，通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料；3多晶硅的生产工艺不断取得进展，全自动浇铸炉每生产周期（50小时）可生产200公斤以上的硅锭，

12、晶粒的尺寸达到厘米级；4由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产，例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极，采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到50微米，高度达到15微米以上，快速热退火技术用于多晶硅的生产可大大缩短工艺时间，单片热工序时间可在一分钟之内完成，采用该工艺在100平方厘米的多晶硅片上的电池转换效率超过14。据报道，目前在5060微米多晶硅衬底上制作的电池效率超过16。利用机械刻槽、丝网印刷技术在100平方厘米多晶上效率超过17，无机械刻槽在同样面积上效率达到16，采用埋栅结构，机械刻槽在130平方厘米的多晶上电池效率达到

13、15.8。（1）单晶硅太阳能电池：目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%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，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。晶硅太阳电池制作工艺与单晶硅太阳电池差晶硅太阳能电池光电转换效率则要降低少其光电转换效率约12%左右(2004年7月1本夏普市效率14.8%世界高效率晶硅太阳能电池)制作本讲比单晶硅太阳能电池要便宜些材料制造简便节约电耗总产本较低量发展.2.2.1单晶硅的直拉法单晶硅中直拉法热传导示意图如下；

14、直拉法，目前98%的电子元件都是用硅材料制作的，其中约85%是用直拉单晶硅制作的。直拉硅单晶由于具有较高的氧含量，机械强度要高，在制作电子仪器过程中不容易变形。目前300mm的硅单晶已普遍使用，直径450mm的硅单晶也已制造成功，直径的增大有利于制作电子元件的单位成本。主要有：炉体、晶体及坩埚的升降和转动部分、电气控制部分和气体控制部分，还有热场的配置组成。1温度梯度与单晶生长横向排列，单晶就逐渐形成了，但是要求一定的过冷度，才有利于二维晶核的不断形成，同时不允许其他地方的产生新的晶核，热场的温度梯度必须满足这个要求。2单晶硅生长时，热场中存在着不同的温度梯度，Ta为结晶度，热场的径向温度梯度

15、，油加热器共给的热能、结晶潜热的散发决定。固液交界面处，晶体上部，中心温度较低，晶体边缘温度较高，固液界面对晶体而言呈凹形。（1）所用的晶粒必须经过清洗才可以使用。（2）装炉，把晶粒固定在晶相轴上。（3）抽空，将炉子封闭（4）加热熔化，检查通入氩气，使用压力保持温度一定的范围。（5）晶劲生长，硅料熔化完后，将加热功率引颈位置（6）放肩，晶体生长完后，降低温度和拉速（7）等径生长，升温生拉进行生长。3. 晶体硅的优缺点缺点：近年来环境问题已经变得越来越严重,太阳能电池作为一种清洁能源也越来越受重视,近十年来以高达25%-40%的年增长率高速发展。晶体硅太阳电池是首先被发展和依然得到最广泛应用的太

16、阳电池,现在世界太阳电池产量中超过90%的是晶体硅太阳电池。在实际工作情况的太阳能电池组件的效率将比组件标准测试条件下的效率低,组件准测试条件下效率是在标准测试条件(STC)下给出的,即:电池温度25±2,光源辐照度为1000W/m2,并具有AM1.5太阳光谱辐照度分布条件。这是晴朗冬季的太阳电池工作温度,夏季的太阳辐照度,春季的太阳光谱分布,因此太阳电池组件户外的实际工作条件与。近年来环境问题已经变得越来越严重,太阳能电池作为一种清洁能源也越来越受重视,近十年来以高达25%40%的年增长率高速发展。晶体硅太阳电池是首先被发展和依然得到最广泛应用的太阳电池,现在世界太阳电池产量中超过

17、90%的是晶体硅太阳电池。在实际工作情况的太阳能，醋酸对太阳电池的腐蚀特性以及对太阳电池组件性能的影响。实验结果表明：（1）稀醋酸使涂锡铜焊带发生电化学腐蚀，产生氧化黄变，此腐蚀对其电阻率影响较小；（2）稀醋酸腐蚀电池片表面银电极和铝背场，使银电极变黑，铝背场与硅片的附着力下降，对电池片造成损害影响其电性能；（3）组件在湿热试验过程中EVA发生老化反应，产生的醋酸会有腐蚀封装其中的涂锡铜焊带和太阳电池，使串联电阻Rs增大，填充因子FF降低，组件输出功率降低。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具

18、活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。为此，人们研制和开发了太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：1、半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率：3、材料本身对环境不造成污染；4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太

19、阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它村料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。本文简要地综述了太阳能电池的种类及其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展及趋势。的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过23%，是大值可达233。Kyocera公司制备的大面积（225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为1944%，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池。3.1 单晶硅太阳能电池及其产品的优缺点扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样

20、就硅片上形成P>N结。然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。最后用框架和材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，实验室成果也有20%以上的。3.2晶体硅太能电池产业化技术发展1、太阳能电池产业化技术在电池背面生长一层10

21、30nmSiN膜以期最大限度对电池进行钝化与缺陷的修复从而提高电池的效率是如何减少电磁波对电池表面PN结辐射损伤以及损伤的有效修复是该工艺的核心技术，处理不好往往导致电池效率一致性较差丝网印刷技术是低成本太阳能电池产业化生产的关键技术，其主要技术进步与电极浆料及网版制版技术紧密相联。根据电池表面扩散薄层方块电阻、扩散结深以及表面减反射膜厚度与密度等开发相对应的浆料已经成为国际一流光伏企业领先同行的一个有力武器：如掺P的正银浆料实现低成本的选择性发射极技术；向浆料中添加添加剂实现80100um细栅技术；配合超薄片的低翘曲背铝浆料等等。2.设备方面：目前国内外各制造厂商设备缺乏统一接口标准，导致上下道工序之间无法有效衔接，导致较大的时间与资源浪费！物化新工艺的装备滞后于市场的发展！3、发展展望：以硅片为载体的光伏电池制造技术，其理论极限效率为29。近年来由于一系列新技术的突破，硅太阳能电池转换效率产业化水平单晶16%18、多晶15%17，按目前的晶体硅电池效率路线图与电池技术，提升效率的难度已经非常大。可以预见通过中国广大“光伏人”的努力，今后这些革命性的技术突破将会在我们中国本土企业与科研机构中产生！致谢感谢我的导师肖老师，他们严谨细致、一丝不苟的作