太阳电池发展及产业化技术介绍

太阳电池发展及产业化技术介绍第1页/共51页一、西安交通大学太阳能研究所简介

西安交通大学太阳能研究所成立于1971年，先后承担了国家“六·五”、“七·五”、“八·五”、“十·五”攻关项目，目前在以下方面形成了自己的核心技术。

1太阳电池生产技术（非晶硅及晶体硅）。

2晶体硅太阳电池组件生产技术。

3电池测试技术主要业绩：到目前为止，我们已成功地为业内六十几家大企业（上海交大泰阳、常州天合、江苏林洋、西安黄河、银星能源、晶澳太阳能、BP佳阳、万向集团、北京哈博、上海超日、上海艾力克、浙江公元、深圳拓日、无锡二泉、无锡尚品、无锡佳诚、浙江太阳谷、山东力诺、南京中电、东莞光旭、东莞五星、北京中科信（CETC-48所）、西安盛唐、西安天祺、慈溪新亚、宁波启鑫等等）提供过技术支持，这在光伏业内是首屈一指的，有的公司在很短的时间一次性通过了TUV认证。第2页/共51页二、太阳能光伏产业发展现状1太阳电池发电原理第3页/共51页第4页/共51页

第5页/共51页2太阳电池的种类及效率（1）

晶硅电池：单晶硅，多晶硅，带硅，球形电池等；

（2）薄膜电池：a-Si，a-Si/c-Si,poly-Si,CIGS，CdTe，GaAs，等；

（3）其他：Grātzel（光电化学电池），有机电池。（4）新型概念电池：多结(带隙递变)电池，中间带（杂质带，量子点）电池，上转换器（低能光子合并成高能光子）电池，下转换器（高能光子分解成低能光子）热载流子电池等。第6页/共51页电池晶硅电池薄膜电池太阳级硅硅基化合物Wafer(切片)Ribbon(带硅)多晶a-Si，c-SiPECVD多晶基RTCVD等CdTeCIGSGaAs迭层

单晶多晶％%24.716-2020.313-161713-1613－158-10>1516.5～1019.510-12～3925-28产业化产业化部分产业化实验室产业化产业化聚光示范电池光电化学电池其他新概念电池染料敏化电池（如有机电池等）多结电池（太阳光谱多级利用）光子的分离（下转换）和合并（上转换）中间带或杂质带电池％115～632～3结概念证明阶段第7页/共51页3各种电池产业化技术介绍（1）晶体硅电池（见后）（2）非晶硅电池

1975年，英国的W.E.Spear等人利用SiH4的辉光放电技术成功地实现了非晶硅膜的高效率气相搀杂，使非晶硅p-n结的制备成为可能；

1976年，美国的Carlson和Wronski制成了世界上第一个光电转换效率为2.4%的可供实用的非晶硅太阳电池；

1979年，日本三洋公司开发了集成型非晶硅太阳电池和大面积实用化技术，发展了多室沉积工艺；

1980年，日本三洋公司和富士公司首次工业化生产a-Si：H电池作电源的计算器投放市场；

1982年，Catalano、Morimoto等人将非晶硅太阳电池的实验室效率提高到10.1%，同年日本三洋公司建成了100×100mm2,生产效率为5.6%，产能达1MWp的生产厂，开发卷筒式生产工艺；

1984年，美国Chronar公司研发的大面积单室生产工艺投产，产量为1MWp/年，电池面积为2790cm2,最高效率达7.2%，同年日本富士公司面积为100cm2的电池效率达到了9.3%，从此，开始了大面积非晶硅太阳电池的生产及广泛使用；

1988年，日本富士公司100cm2电池效率达到了10.1%；1990年，美国Chronar公司Eurekaa-Si：H太阳电池投产，10MWp生产线建成，面积为787mm×1549mm，稳定功率为50Wp；

1992年，日本三洋公司100cm2电池效率达到11.1%，美国Solarex公司三结电池效率达9.8%，面积大于900cm2。此后迄今，主要的研发工作主要集中在提高、稳定其光电转换效率和扩大生产规模上。第8页/共51页

非晶硅太阳电池分为三大类：第一类是以玻璃为衬底的刚性非晶硅太阳电池，它的基本结构是：玻璃/TCO/P（a-SiC：H）/I（a-Si：H）/N（a-Si：H）/Al；刚性非晶硅太阳电池大多用一块一块的断续生产办法。第二类是以很薄的不锈钢板或塑料等柔性材料为衬底的柔性非晶硅太阳电池，它的基本结构是：柔性不锈钢板（或塑料板）/Al/N（a-Si：H）/I（a-Si：H）/P（a-SiC：H）/TCO，柔性非晶硅太阳电池大多用滚筒到滚筒（rolltoroll）的连续生产方法。第三类是与建筑集成的非晶硅太阳电池组件（BIPV）。第9页/共51页第10页/共51页第11页/共51页（3）化合物太阳电池

CIGS电池：MgF2/ZnO/CdS（ZnS)/CIGS/Mo/钠钙玻璃，19.9%（NREL）玻璃/SnO2/CdS/CdTe/电极第12页/共51页第13页/共51页第14页/共51页4光伏产业现状及趋势

第15页/共51页年份200120022003200420052006200720082009晶硅电池338507704113616862371365070059100薄膜电池363043651071913508951600薄膜％9.65.595.755.415.977.468.7511.315.2总计37453774712011793256240007900107002010年估计发货量在15-16GW左右第16页/共51页第17页/共51页欧洲光伏工业协会(EPIA)的预测：

2020年：光伏组件年产量：40GW

系统总装机容量：195GW

光伏发电量：274TWh,

＝2020年全球发电量的1％光伏组件成本：1美元/Wp2040年：光伏发电量：7368TWh,

＝2040年全球发电量的21％第18页/共51页三、光伏玻璃的性能及要求

1玻璃简介

玻璃的强度玻璃的理论强度很高，由奥鲁凡公式：

σ＝KEK-与物质结构和键形有关的常量（一般取K=0.1～0.2）

E-弹性模量（一般玻璃7500kg/mm2）则σ＝1000kg/mm2左右。然而玻璃的实际并不高，还不到理论强度的1％，而且玻璃的抗张强度相对来说更低，仅为其抗压强度的10％左右。究其原因主要是玻璃在常温（应变点以下）属于脆性材料，其表面有微裂纹存在，在外作用下易引起应力集中而发生脆性破坏。第19页/共51页比较理想的基础玻璃化学组成范围应该是（wt.%）：

SiO260～72B2O35～10Na2O8～14MgO5～10Al2O3(或Al2O3+ZrO2)3～6K2O30～6Li2O0～2ZnO0～6第20页/共51页2玻璃的钢化

钢化玻璃：经热处理工艺之后的玻璃，其特点是在玻璃表面形成压应力层，机械强度和耐热冲击强度得到提高，并具有特殊的碎片状态。钢化方式钢化玻璃按生产工艺分类，可分为：垂直法钢化玻璃：在钢化过程中采取夹钳吊挂的方式生产出来的钢化玻璃。水平法钢化玻璃：在钢化过程中采取水平辊支撑的方式生产出来的钢化玻璃。钢化玻璃按形状分类，分为平面钢化玻璃和曲面钢化玻璃。第21页/共51页3钢化玻璃的自爆钢化玻璃在无直接机械外力作用下发生的自动性炸裂叫做钢化玻璃的自爆，自爆是钢化玻璃固有的特性之一。钢化玻璃自爆通常往往是由于生产钢化玻璃的原片内部存在一些结石而导致的钢化玻璃破碎，在钢化玻璃自爆起始点处，会存在硫化镍结石，这些硫化镍结石在钢化玻璃生产过程中会把高温晶态（α-NiS）“冻结”并保留到常温下。由于这种高温晶态在常温状态下并不稳定，会随着时间逐步向常温晶态(β-NiS)转变，在转变的同时会伴随着一定的体积膨胀；若结石恰好存在于钢化玻璃的张应力区（玻璃板厚度方向的中部），则这种相变过程往往会导致钢化玻璃突然破碎，即我们通常所说的钢化玻璃“自爆”现象。第22页/共51页

一般情况下，由于原片玻璃中或多或少都会有硫化镍结石存在，因此钢化玻璃都有一定的自爆现象；从生产角度出发,可以通过控制玻璃原片质量或二次热处理引爆来大大降低钢化玻璃自爆率,但无法完全消除钢化玻璃的自爆。判断是否属于自爆时需要破碎的钢化玻璃仍保留于框中，找到起爆点的“蝴蝶斑”后从厚度方向往往能够看到小黑点，这就是硫化镍结石。此外，应力分布的不均匀也可能会造成自爆，这就需要通过改进钢化工艺过程来提高加热、冷却均匀性；钢化时应特别关注与模具有接触部位玻璃的冷却均匀性，以尽可能减少该部位由于阻挡冷却而形成的表面张应力，这种应力的存在也会导致玻璃日后的破碎第23页/共51页第24页/共51页4低铁钢化玻璃的检验第25页/共51页第26页/共51页四、具有竞争力的晶体硅电池太阳电池产业技术1太阳电池片生产工艺流程分选测试一次清洗二次清洗烧结印刷电极PECVD等离子刻蚀检验入库扩散第27页/共51页太阳电池片生产工艺流程主要工序分选测试一次清洗二次清洗烧结印刷电极PECVD等离子刻蚀检验入库扩散第28页/共51页清洗、制绒NaOH去除表面损伤层和制备绒面（陷光）HCL去除硅片表面的金属离子HF去除硅片表面的硅酸钠和氧化物第29页/共51页多线切割会在硅片表面产生损伤层，其厚度大概有10-20μm，这一层必须要去除。单晶硅去除损伤层用的是NaOH溶液，其后的制绒步骤用的是NaOH，异丙醇和硅酸钠的混合溶液。后面的HF清洗的作用是去除硅表面的硅酸钠和氧化物，化学反应式为：Si+2NaOH+H2O→NaSiO3＋2H2↑用HCL是为了去除硅片表面的金属离子，盐酸具有酸和络和剂的双重作用，氯离子能与Pt­2+,Au3+,Ag+,Cu+,Hg2+等金属离子形成可溶于水的络和物。多晶硅制绒用的是硝酸和氢氟酸的混合溶液。第30页/共51页第31页/共51页扩散扩散的目的：形成PN结第32页/共51页POCl3在高温下（﹥600℃）分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷(P2O5),其反应式如下：

5POCl3→3PCl5+P2O5

生成的P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，其反应式如下：

2P2O5+5Si=5SiO2+4P↓

由上面反应式可以看出，POCl3热分解时，如果没有外来的氧（O2）参与其分解是不充分的，生成的PCl5是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。但在有外来O2存在的情况下，PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气（Cl2）其反应式如下：

4PCl5+5O2→2P2O5+10Cl2↑第33页/共51页第34页/共51页等离子体刻蚀目的：去除边缘PN结，防止上下短路第35页/共51页磷硅玻璃的去除氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸能与二氧化硅作用生成易挥发的四氟化硅气体。若氢氟酸过量，反应生成的四氟化硅会进一步与氢氟酸反应生成可溶性的络和物六氟硅酸。总反应式为：第36页/共51页PECVD

在太阳电池表面沉积深蓝色减反膜SiNxHy膜。其还具有卓越的抗氧化和绝缘性能，同时具有良好的阻挡钠离子、掩蔽金属和水蒸汽扩散的能力；它的化学稳定性也很好，除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外，其它酸与它基本不起作用。第37页/共51页背电极印刷在太阳电池背面丝网印刷印上引出电极使用浆料是银铝浆背电极第38页/共51页背电场印刷在太阳电池背面丝网印刷铝浆通过烧结穿透背面PN结和P型硅形成良好的接触背电场第39页/共51页前电极印刷主栅线副栅线在太阳电池正面丝网印刷银浆，形成负电极正面电极有主栅线和副栅线组成第40页/共51页分选检测光强：1000W/m2光谱分布：AM1.5电池温度：25℃第41页/共51页太阳电池电性能参数第42页/共51页太阳电池电性能参数短路电流（Isc）：理想情况下，等于光生电流IL。影响因素：面积、光强、温度

125太阳电池5A左右

156太阳电池8A左右开路电压（Voc）：影响因素：光强、温度、材料特性晶体硅太阳电池610mV左右填充因子（FF）：最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比

FF=Pm/VOCISC=VmIm/VOCISC

影响因素：串联电阻、并联电阻转换效率（η）：

第43页/共51页2组件制造工艺第44页/共51页电池片分选：电池片分选是将性能相近的单体电池组合成组件，最大限度地降低串联损失，通常一个低功率的电池将是整个组件的输出功率降低。单片焊接：将互连带焊接在电池的负极上。片间互连：将已焊接好的