《新能源材料与器件》课件-任务2 硅太阳能电池

模块二

太阳能电池材料与器件任务2硅太阳能电池知识目标:1.掌握太阳能电池片的封装技术：学习太阳能电池组件的构造及其封装方式对组件性能的影响。2.了解光伏系统的组成和工作流程：掌握光伏系统的各个组成部分（如逆变器、支架等）及其协同工作方式。能力目标:分析和解决问题的能力：能够根据光伏系统的性能数据分析问题，提出改进措施。

素质目标：

培养科学素养和环保意识。

任务2硅太阳能电池任务2硅太阳能电池1.晶体硅太阳能电池2.太阳能电池片封装成太阳能电池组件3.光伏系统4.多晶硅太阳能电池5.非晶硅太阳能电池

1.晶体硅太阳能电池

沙子

单晶硅（纯硅）

硅片（切片）

硅片清洗制绒

扩散制结（PN结）

边缘刻蚀

去磷硅玻璃

制备减反射膜

制作电极

烧结

制备过程

1.晶体硅太阳能电池

1.1从沙子到单晶硅太阳能电池片

硅是地壳内第二位最丰富的元素，占地壳总质量的25.7%。提炼硅的原始材料是SiO2，它是砂子的主要成分。然而，在目前工业提炼工艺中，采用的是SiO2结晶态即石英态。为了制取硅，将石英岩在大型电弧炉中用碳(木屑、焦炭和煤的混合物)按照以下反应方程式进行还原：

SiO2+2C→Si+2CO硅定期从炉中倒出，并用氧气或氧氯混合气体吹之以进一步提纯。然后，它被倒入浅槽，在槽中凝固，随后被破成碎块。所得硅纯度约为95%一98%，称为粗硅，或冶金级硅(MG-Si)。其中含有各种杂质，如Al、Fe、C、B和P等。1.1.1提纯用于太阳能电池以及其他半导体器件的硅，其纯度比冶金级硅要更高。因此，必须经过化学提纯将冶金硅提纯到太阳能电池所需的纯度。硅的化学提纯是指采用化学反应把硅转化为中间化合物，再将中间化合物提纯至所需的高纯度，然后再将其还原成为高纯硅。中间化合物一般选用易于被提纯的化合物，曾被研究过的中间化合物有SiCl4、SiI4和SiH4等，而目前工业上广泛采用的是SiHCl3还原法，即西门子还原法。西门还原法是采用流化床工艺，用HCl把细碎的冶金级硅颗粒变成流体，用铜催化剂加速反应的进行：Si+3HCl→SiHCl3+H21.1.1提纯释放的气体经过冷凝塔形成液体，在工业上采用蒸馏塔，对所得液体经过多级蒸馏，可得到12个9纯度的三氯氢硅（SiHCl3），这是半导体和太阳能电池工业高纯多晶硅材料的原料。为了提纯半导体硅，将高纯SiHCl3液体通过高纯气体携带入充有大量氢气的还原炉中，SiHCl3在通电加热的细长的硅芯表面，经过一周或更长的反应时间，还原炉中的8mm的硅芯将生长到150mm左右。1.1.2拉单晶与切片对于单晶硅太阳能电池来说，硅不仅要很纯，而且必须是晶体结构中基本上没有缺陷的单晶形式。工业生产这种单晶硅所用的主要方法是直拉工艺。在坩埚中，将半导体多晶硅熔融，同时加入微量的期间所需的一种掺杂剂，对太阳能电池来说，通常用硼（p型掺杂）。在温度可以精细控制的情况下用籽晶能够从熔融硅中拉出大圆柱形的单晶硅。通常用这种方法能够生长直径超过12.5cm，长度1m到2m的晶体。通过线锯可将单晶硅棒切成厚度为200~300微米的硅片。在切片的过程中，会有30%~50%左右的硅因为刀槽或切割损失被浪费掉了。在切割的过程中，会在硅片表面形成一些损伤层。直拉法生长单晶示意图切片示意图目的？！保证光电稳定性，制造高品质的晶体硅、降低缺陷率，优化光电性能。1.2清洗与制绒在切片过程中，会形成表面机械切痕与损伤线切割损伤层厚度可达10微米。因此，太阳能电池制造的第一道常规工序即是去除硅片表面损伤层，目前主要采用化学腐蚀，不仅可以有效地去除由于切片造成的表面损伤，而且还可在硅片表面制作一层能减少光反射的绒面。单晶硅片通常采取碱腐蚀，因为单晶硅片具有(100)晶向，在碱腐蚀中会表现出择优性能，即(100)和(111)的腐蚀速率不同，而在表面出现金字塔构造，即形成多个(111)小面。其反应方程式为：Si+2NaOH+2H2O→Na2SiO3+2H2↑1.2清洗与制绒经过与碱液反应后，就会在硅片表面形成一个具有陷光作用的表面绒面构造，光线在这样的表面上至少会有2次机会与硅机会接触，这样可有效地减少太阳光在硅片表面的反射。硅的折射率为3.84(波长6.5微米)，光线一次与表面接触可高达30%的反射，但由于金字塔构造，第二次接触时光线反射就可降到9%以下，使太阳能电池能吸收更多的阳光。目的？！去除杂质，提高光的吸收。1.3扩散制结

太阳能电池的“心脏”就是p-n结，因此扩散制结是太阳能电池制造的核心工序。大多数厂家都选用p型硅片来制作太阳能电池，为了形成p-n结一般采用的是磷扩散。三氯氧磷(POC13)是目前磷扩散用得较多的一种杂质源，进行磷扩散形成n型层。扩散过程的反应式为：4POC13+3O2(过量)→2P2O5+6C12↑2P2O5+5Si→5SiO2+4P扩散设备可用横向石英管或链式扩散炉，扩散的最高温度可达到850-900℃。这种POC13液态源扩散方法制出的p-n结均匀、平整，方块电阻的不均匀性小于10%，少子寿命可达10微秒以上，生产效率较高，这对于制作具有大的结面积的太阳能电池是非常重要的。目的？！在硅片表面掺杂形成PN结。在扩散过程中，硅片的所有表面(包括边缘)都将不可避免地扩散上磷。p-n结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘含磷的区域流到p-n结的背面，而造成短路，因此边缘的扩散层必须除去，如下图所示。目前很多企业采用的是等离子边缘刻蚀，也称为干法刻蚀。1.4边缘刻蚀

目的？！为了减少硅片边缘的光反射，提高光的吸收效率。1.5去磷硅玻璃

在磷扩散过程中，P2O5和硅反应生成磷原子和SiO2，这样会在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2，称之为磷硅玻璃(phosphosilieateglass，PSG)。用化学方法可去除扩散层SiO2，SiO2与氢氟酸(HF)反应能生成易挥发且可溶于水的气体四氟化硅(SiF4)，若HF过量，SiF4会进一步与HF反应生成可溶性络合物六氟硅酸(H2SiF6)，从而使硅表面的磷硅玻璃溶解，化学反应方程式为：SiO2+4HF→SiF4↑+2H2OSiF4↑+2HF→H2SiF6SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O目的？！提高电池的光电转换效率。1.6制备减反射膜

在真空或大气中，光照射在硅片表面时，因为反射会使光损失约1/3：长波范围的入射光损失总量为34%，短波范围为54%。即使在硅表面制作了绒面，由于入射光产生多次反射而增加了吸收，但也有约11%的反射损失。如图所示，如果在硅表面制备一层减反射膜(antireflectioneoating，ARC)，由于膜的两个界面上的反射光相互干涉，可以使光的反射大为减少，电池的短路电流和输出就有很多的增加，效率也有相当的提高。目的？！减少光的反射损失，提高光的透过率。1.7制作电极

制作电极，即在电池的正背面镀上导电金属电极。最早采用的是真空蒸镀或化学电镀，而目前普遍采用丝网印刷，即通过丝网印刷机和网版在太阳能电池的正背面印刷上银浆、铝浆，形成正、负电极。太阳能电池的背面因为无需接受光照，可在整个背面制作上一层薄的金属层，现在一般为铝。但太阳能电池的正面必须要尽可能接受更多的光照，因此，电池的正面的电极通常呈梳子状形式或丝网状。正面电极的形状要保证两方面因素的平衡：一方面要保证透光率尽可能高；另一方面要保证金属电极与半导体硅片的接触电阻尽可能小。目的？！收集由太阳能电池产生的电流，并有效地将其导出。1.8烧结

烧结是制造太阳能电池片的最后一步，其目的是干燥硅片上的浆料，燃尽浆料的有机组分，使浆料和硅片形成良好的欧姆接触。高温烧结结束后，整个太阳能电池制造过程也就完成了。在光照下将太阳能电池正、负极连上导线，就有电流通过了。目的？！提高效率和可靠性。2太阳能电池片封装成太阳能电池组件

太阳能电池片的工作电压只有0.4-0.5V，而且由于制作太阳能电池的硅片的尺寸通常是固定的，使得单个太阳能电池片的功率很小，远不能满足很多用电设备对电压、功率要求，因此需要根据要求将一些太阳能电池片进行串、并联。此外，太阳能电池片机械强度很小，很容易破碎。太阳能电池若是直接暴露制作大气中，水分和一些气体会对电池片产生腐蚀和氧化，时间长了甚至会使电极生锈或脱落，而且还可能会受到酸雨、灰尘等的影响，这使得太阳能电池片需要与大气隔绝。因此，太阳能电池片需要封装成太阳能电池组件。太阳能电池组件的封装即是将太阳能电池片的正面和背面各用一层透明、耐老化、抗剥离性好的热熔型EVA胶膜包封；用透光率高且耐冲击的低铁钢化玻璃做上盖板，用耐湿抗酸的聚氟乙烯复合膜(TPT)或玻璃等其它材料做背板，

通过相关工艺使EVA胶膜将电池片、上盖板和背板整合为一个整体，从而构成一个实用的太阳能电池发电器件，即太阳能电池组件或光伏组件，俗称太阳能电池板。太阳能电池组件的制造过程主要有以下一些步骤：激光划片~串焊(将电池片焊接成串)~手工焊(焊接汇流条)~层叠(玻璃-EVA-电池-EVA-TPT/TPE/玻璃)~中测~层压~固化~装边框(双玻组件没有铝框，则不需要此步骤)、接线盒~终测。3光伏系统3.1光伏系统概述3光伏系统太阳能电池片封装成太阳能电池组件后，仍然不能直接用来发电，因为太阳能电池有着自身的一些特点：在光线良好的白天发电多，阴天发电少，夜晚或无光照时不发电，因此需要把白天产生的电能储存下来，而在不发电的时候将电能释放出来，这样又可能需要控制器或其它辅助设备。这样，能直接发电使用的太阳能电池的应用产品就叫光伏系统，光伏系统由以下三部分组成：太阳能电池组件(阵列)；充放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备；蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。3.1光伏系统概述相对于其它发电形式，光伏系统具有以下特点：(l)基本上无噪声；(2)不产生废气，不排放废水；(3)没有燃烧过程，不需要燃料；(4)维修保养简单，维护费用低；(5)可靠性、稳定性良好；(6)太阳能电池板组件为光伏系统核心部件，使用寿命很长，晶体硅太阳能电池寿命可达到25年以上；3光伏系统3.1光伏系统概述光伏系统的规模跨度很大，小到0.3~2W的太阳能草坪灯，大到MW级的光伏电站。其应用形式也多种多样，在无电缺电地区供电、交通、通信、国防、军事、太空航天器、微波中继站、家用电、水泵、小型玩具、装饰和等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管规模和形式繁杂，但其工作原理和组成结构基本相同，光伏系统所包含的主要部件有：

(1)光伏组件方阵：由光伏组件按照系统需求串、并联而成，在光照时将太阳能转换成电能，是光伏系统的核心部件。

(2)蓄电池：当光伏组件产生的电能大于负载所需电能时，将光伏组件产生的电能储存起来；当在光照不足或夜晚时，或是负载所需电能大于光伏组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的电量需求，是光伏系统的储能件。目前光伏系统常用的是铅酸蓄电池。

(3)控制器：对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电量需求控制光伏组件和蓄电池对负载的电能输出，是光伏系统的核心控制部件。

(4)逆变器：如果需要对交流负载供电，那么就要使用逆变器将太阳能电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载所需的交流电。太阳能光伏发电系统的基本工作原理就是在光照下，光伏组件产生的电能直接给负载供电，若有多余的电能，则输送给蓄电池进行充电，如果在日照不足的时候或者在夜间则由蓄电池给负载供电，对于含有交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器，将直流电转换成交流电。光伏系统的应用具有多种形式，一般将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。3.2并网系统

并网系统(grid-eonneetedsystem)，它最大的特点就是不采用蓄电池作为电能储存设备，而是用将光伏组件所发的电力接入了公共电网。即光伏组件产生的电力除了供给交流负载外，多余的部分输送给电网；而光伏组件不产生电力或者其电力不足以供给负载时，则由公共电网为负载供电。因为省掉了蓄电池充放电的过程，便更充分地利用了光伏组件的电力，减小了能量损耗，降低了系统成本。最初的并网系统是安装在私家房的屋顶上，目前并网系统的安装逐渐扩展到任何种类的建筑(如：公寓楼、学校以及农业和工业厂房)。另外，并网系统也应用到越来越多的其它机构上(如高速公路隔音屏障和火车站台顶)。3.3独立系统

独立系统(stand一alonesystem)，独立系统因为没有并网，一般都需要有蓄电池，在零负载或低负载时，光伏组件的过剩电能为蓄电池充电，而在无光照或弱光照时，蓄电池放电以供应负载。充电控制器能对充/放过程进行管理以保证蓄电池的长寿命。在必需的时候，也要用逆变器将直流电转换为交流电。在远离电网的偏僻地带或经常无人问津的特殊用电点，如山区、灯塔、航标等，独立系统是最有效的选择；其成本能与电网连接其它供电途径的成本相竞争。此外，独立系统的应用非常广泛：通信基站、交通灯、水泵、节能灯、收音机、计算器、装饰品等等。3.4混合系统混合系统(hybridsystem)，在混合系统中，除了使用太阳能电池组件阵列外，还使用了其它发电设备作为备用电源。使用混合系统供电的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。其普遍的备用电源为风力发电机或柴油发电机，光伏组件与水力发电机结合的混合系统则一般比较少见。风光混合系统更多用在北纬地区，夏天阳光充足，由太阳能电池组件供电，冬季光照减弱而风力充足，则由风力涡轮机供电。在这种系统中，两个控制器分别控制太阳能电池组件和风力发电机的系统更为普遍。在风能潜力很大的海岸或丘陵地区，风光混合系统也得到了较多的应用。3.4混合系统除了风力发电机外，混合系统也可以使用燃油发电机作为备用电源，独立系统有对天气的依赖程度很大的缺点，综合使用柴油发电机和光伏组件的混合系统与单一能源的独立系统相比所提供的能源对天气的依赖性要小得多。很多在偏远无电地区的通信电源和民航导航设备电源，因为对电源的要求很高，都采用混合系统供电，以求达到最好的性价比。我国新疆、云南建设的很多乡村光伏电站就是采用光柴混合系统。多晶硅太阳能电池的主要优势是降低成本。由于单晶硅太阳能电池需要高纯硅材料，其材料成本占电池总成本的一半以上。相比之下，多晶硅电池材料制备方法简单、耗能少，可连续化生产。但多晶硅太阳能电池的光电转化效率较低，目前仅为18％左右。多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池的不同之处在于电池的表面存在多种界面，与单晶硅的<100>晶面相比，得到理想的绒面结构比较困难，因此要有多种形式的减反射处理。3.4多晶体硅太阳能电池因此要有多种形式的减反射处理。多晶硅太阳能电池板由厚度350~450μm的高质量硅片组成，下图展