光伏基础知识.ppt

1、1,光伏知识普及日期：2012-10,多晶硅的介绍,多晶硅，是单质硅的一种形态。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。灰色金属光泽，密度2.322.34。熔点1410。沸点2355。溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。硬度介于锗和石英之间，室温下质脆，切割时易碎裂。加热至800以上即有延性，1300时显出明显变形。常温下不活泼，高温下与氧、氮、硫等反应。高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。,多晶硅的工业生产方法-改良西门子法,1、改良西门子法是目前主流的生产

2、方法（1）石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98%并生成工业硅，其化学反应SiO2+CSi+CO2（2）为了满足高纯度的需要，必须进一步提纯。把工业硅粉碎并用无水氯化氢(HCl)与之反应在一个流化床反应器中，生成拟溶解的三氯氢硅(SiHCl3)。其化学反应Si+HClSiHCl3+H2反应温度为300度，该反应是放热的。同时形成气态混合物(2,l,Sil3,SiCl4,Si)。（3）第二步骤中产生的气态混合物还需要进一步提纯，需要分解:过滤硅粉，冷凝Si13,SiC14，而气态2,1返回到反应中或排放到大气中。然后分解冷凝物Sil3,SiCl4，净化三氯氢硅（多级精馏）。（4）净化后的三氯氢硅采用高温

3、还原工艺，以高纯的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。其化学反应SiHCl3+H2Si+HCl多晶硅的反应容器为密封的，用电加热硅池硅棒（直径5-10毫米，长度1.5-2米，数量80根），在1050-1100度在棒上生长多晶硅，直径可达到150-200毫米。这样大约三分之一的三氯氢硅发生反应，并生成多晶硅。剩余部分同2,l,Si13,SiCl4从反应容器中分离。这些混合物进行低温分离，或再利用，或返回到整个反应中。气态混合物的分离是复杂的、耗能量大的，从某种程度上决定了多晶硅的成本和该工艺的竞争力。,多晶硅的工业生产方法-改良西门子法,改良西门子法图示,多晶硅的工业生产方法-硅烷、冶

4、金法,2、硅烷法硅烷法是将硅烷通入以多晶硅晶种作为流化颗粒的流化床中，是硅烷裂解并在晶种上沉积，从而得到颗粒状多晶硅。因硅烷制备方法不同，有日本Komatsu发明的硅化镁法，其具体流程如图2所示、美国UnionCarbide发明的歧化法、美国MEMC采用的NaAlH4与SiF4反应方法。硅烷热分解法与西门子法相比，其优点主要在于：硅烷较易提纯，含硅量较高（87.5%，分解速度快，分解率高达99%），分解温度较低，生成的多晶硅的能耗仅为40kWh/kg，且产品纯度高。但是缺点也突出：硅烷不但制造成本较高，而且易燃、易爆、安全l生差，国外曾发生过硅烷工厂强烈爆炸的事故。因此，工业生产中，硅烷热分解

5、法的应用不及西门子法。改良西门子法目前虽拥有最大的市场份额，但因其技术的固有缺点产率低，能耗高，成本高，资金投入大，资金回收慢等，经营风险也最大。只有通过引人等离子体增强、流化床等先进技术，加强技术创新，才有可能提高市场竞争能力。硅烷法的优势有利于为芯片产业服务，目前其生产安全性已逐步得到改进，其生产规模可能会迅速扩大，甚至取代改良西门子法。虽然改良西门子法应用广泛，但是硅烷法很有发展前途。3、冶金法冶金法制备太阳能级多晶硅（SolarGradeSilicon简称SOGSi），是指以冶金级（MetallurgicalGradeSilicon简称MG-Si）为原料（98.5%99.5%）。经过冶

6、金提纯制得纯度在99.9999%以上用于生产太阳能电池的多晶硅原料的方法。冶金法在为太阳能光伏发电产业服务上，存在成本低、能耗低、产出率高、投资门槛低等优势，通过发展新一代载能束高真空冶金技术，可使纯度达到6N以上，并在若干年内逐步发展成为太阳能级多晶硅的主流制备技术，不同的冶金级硅含有的杂质元素不同，但主要杂质基本相同。,多晶硅的等级标准,分类产品按外型分为块状、粒状、粉状和棒状多晶硅，根据纯度的差别分为3级。技术要求太阳能级多晶硅的纯度(6N级)及相关技术要求应符合下表（国标）的规定。,多晶硅的常识,问：太阳能级和电子级多晶硅有什么区别，N代表什么意思？答：N是英文nine的简写，几N就是

7、指其纯度是几个九，4N就是99.99%。这是化学中高纯物质的通用表示法。主要就在于对纯度的控制，太阳能多晶硅纯度为小数点后6个9（6N）,电子级多晶硅小数点12个9(9N)问：什么是多晶硅P、N型？答：B、P含量不同，B、P的多少决定多晶硅是N还是P，前者多，P型；反之，N型；P型就是空穴导电，N型就是电子导电。问：多晶硅的电阻率大小及对质量影响？答：电阻率的公式：1/(neu),n是杂质的浓度.e是电子电量：1.6*10-19C，u是杂质例如BP的迁移速度从上述的公式就可以看出，电阻率越大，杂质浓度越小！问：少数载流子寿命是什么？答：少子，即少数载流子，相对于多子而言。半导体材料中有电子和空

8、穴两种载流子。如果在半导体材料中某种载流子占少数，导电中起到次要作用，则称它为少子。如，在N型半导体中,空穴是少数载流子，电子是多数载流子；在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。少子寿命是越大越好，少子寿命的单位是us（微秒），如果太低（如小于1us）将严重影响电池效率。现在太阳能企业要求越来越高,多晶要求大于2,单晶要求大于10。,多晶硅生产厂家,多晶硅的价格,多晶硅市场现状,当前的多晶硅价格一路下滑，以前的高利润早已被挤压得差不多了，现在的多晶硅企业是否盈利则直接取决于生产成本的高低。在多晶硅产品生产环节中，尾气能否通过闭环生产实现循环利用是决定多晶硅生产成本的重要因素。据了

9、解，美国瓦克多晶硅的生产成本已控制在16美元/公斤，韩国OCI宣布生产成本已降到20美元/公斤，国内规模企业的多晶硅生产成本在30-40美元/公斤以上，中小企业的生产成本则高于45美元/公斤，面对不利的市场环境，除主要的四五家多晶硅厂商尚保持运转外，其余多晶硅厂都已全面减产或停产，其中不乏像新光硅业、东气峨眉、乐电天威、陕西天虹这样的一些知名企业。国内产品与国外同等级产品相比，品质上仍有差距，但价格已经基本一样了，所以国内产品没有优势，2011年前9月我国累计进口多晶硅4.85万吨(含硅量不少于99.99%的多晶硅)，同比增长53.9%。尽管业内在说产能过剩，但仍有一半的多晶硅需要进口。,国内

10、多晶硅企业挣扎于成本生死线,产能疯狂扩张近半多晶硅仍需进口,对美国和韩国的多晶硅产品进行反倾销调查,多晶工艺流程图示,多晶工艺-铸锭,坩埚喷涂：其目的是为了在铸锭的过程中，防止坩埚的杂质混入硅料，喷涂的Si3N4粉起到了一个隔离杂质和防止粘锅的作用。坩埚烧结：此过程是为了使喷涂在坩埚内表面的Si3N4粉牢固附在坩埚上。装料：现在我司标准装料480公斤，装料越多，相应成本越低。装料中，体积越大的越能提高装料量，所以我司经常填大棒料。我司产品是P型，添加硼、铝、镓+3价元素母合金实现电阻率控制1-3。铸锭：分5个环节，加热；融化；长晶；退火；冷却。最高温度接近1420，整个过程55-60小时。出炉

11、：刚出炉的硅锭，温度很高，需要自然冷却，接近10小时。冷却后，坩埚敲碎废弃。,高纯度坩埚,喷涂坩埚,烧结坩埚,装料,铸锭,出炉冷却,多晶工艺-开方,喷砂：对硅锭表面喷砂，除去Si3N4粉/SiC/SiO等杂质，方便后续线据开方。硅锭粘接：把硅锭与底盘强力粘合固定。开方：6*6线据，切完后除去边皮及废气层，有25块晶砖。铸锭时杂质氧、碳、金属会上浮和下沉，所以硅锭中间最好，废气层最差。晶砖检测：测试少子寿命2s，头尾不合格部分去掉。晶砖截断：对于检测出不合格部分，截取作为头尾回收料。打磨，倒角：把晶砖四周抛光和倒角，是为了降低后续硅片的破碎和不良率，因为硅片四周毛糙和四角尖锐会易碎和损伤。,喷砂

12、,硅锭粘接,开方,晶砖检测,晶砖截断,打磨倒角,多晶工艺-切片,晶砖粘接,切片,预清洗脱胶,清洗硅片,烘干,晶砖粘接：用A、B胶将晶砖与工件板粘接，因为切片时晶砖是倒挂的。切片：该工序时间7.5小时，标准的200um的片厚槽距是0.35mm，槽距越小，片厚就越薄。预清洗脱胶：切出来的硅片还是有胶粘在工件板上的，此时需要弱酸来清洗进行脱胶。清洗硅片：用碱性清洗剂进行清洗脏污等，我们日常生活清洗剂也是弱碱的。烘干：烘干后进入分选环节,多晶工艺分选（A级标准）,多晶工艺分选（等外品标准）,多晶工艺包装入库,包装：300片/盒，6盒/箱，20箱/托盘，即一盒300片，一箱1800片，一托盘3.6万片，

13、做样品时候尽量整单位。,物流装载：货车分为三种：10托内11-15托16-20托发货时可按每种情况的最大数量来安排发货。,重量：200um片厚标准硅片重量约10.8克，所以硅片厚度偏薄、尺寸偏小则较轻。,单晶与多晶差别对比,单晶用拉棒，使用单晶炉单晶坩埚表面涂层用的是氢氧化钡，买来免喷投料100多公斤保留圆棒直径（202mm）且无位错部分，截去头尾及边皮，形成方棒倒角较大，表面晶向统一成本较高，目前大约8.5元/片，效率较高，达到19.1%,多晶用多晶炉，使用铸锭多晶坩埚表面涂层用Si3N4粉，需要喷涂烧结投料480公斤开方去废气层及边皮，检测少子寿命2s截去头尾，形成晶砖倒角较小，表面晶向杂

14、乱成本较低，目前大约6.5元/片，效率较低，达到17.4%,硅片客户检验报告-开盒检验,案例-广东爱康开盒检验,硅片客户检验报告-上线表现,案例-广东爱康上线统计,硅片市场价格,硅片厂商产能统计,1.硅片是太阳能电池片的载体，硅片质量的好坏直接决定了太阳能电池片转换效率的高低，因此需要对来料硅片进行检测。该工序主要用来对硅片的一些技术参数进行在线测量，这些参数主要包括硅片表面不平整度、少子寿命、电阻率、P/N型和微裂纹等。,数片机,自动测试仪,2.检测仪器有：数片机，自动测试仪，塞尺,塞尺,3.各个电池厂的硅片检测不一，有的全检；有的抽检，抽检比例也是根据具体情况而定。目前尚德是按照抽检，以3

15、.6万为例，外观：抽出500片，按照7收8退的原则，电学性能：抽出80片，按照0收1退的原则。,电池工艺-硅片检测,1.单、多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。,制绒后放大的硅片表面,2.硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，可用的碱有氢氧化钠，氢氧化钾、氢氧化锂和乙二胺等。大多使用廉价的浓度约为1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度为70-85。为了获得均匀的绒面，还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂，以加快硅的腐蚀。制备绒面前，硅片

16、须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去约2025m，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结。,电池工艺-表面制绒,1.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。,扩散炉,2.扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。把P型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在850-900摄氏度高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。经过一定时间，磷原子从四周进入硅片的表面层，并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成了N型半导体和P型半导体的交界面，也就是

17、PN结。,PN结示意图,电池工艺-扩散制结,1.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。在扩散过程中，POCL3与O2反应生成P2O5淀积在硅片表面。P2O5与Si反应又生成SiO2和磷原子，这样就在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2，称之为磷硅玻璃。,总反应式：,2.去除磷硅玻璃工艺,电池工艺-去除磷硅玻璃工艺,1.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

18、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。通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。等离子刻蚀是在低压状态下，反应气体CF4的母体分子在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体。等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团。活性反应基团由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，在那里与被刻蚀材料表面发生化学反应，并形成挥发性的反应生成物脱离被刻蚀物质表面，被真空系统抽出腔体。,电池工艺-等离子刻蚀,1.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

19、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即等离子增强型化学气相沉积。它的技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体SiH4和NH3，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜即氮化硅薄膜。一般情况下，使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法沉积的薄膜厚度在70nm左右。这样厚度的薄膜具有光学的功能性。利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大为减少，电池的短路电流和输出就有很大增加，效率也有相当的提高。,化学方程式:3SiH4+4NH3Si3N4+12H2,电池工艺-镀减

20、反射膜PECVD,1.太阳电池经过制绒、扩散及PECVD等工序后，已经制成PN结，可以在光照下产生电流，为了将产生的电流导出，需要在电池表面上制作正、负两个电极。制造电极的方法很多，而丝网印刷是目前制作太阳电池电极最普遍的一种生产工艺。丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上，该设备由电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部分组成。其工作原理为：利用丝网图形部分网孔透过浆料，用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网另一端移动。油墨在移动中被刮刀从图形部分的网孔中挤压到基片上。由于浆料的粘性作用使印迹固着在一定范围内，印刷中刮板始终与丝网印版和基片呈线性接触，接触

21、线随刮刀移动而移动，从而完成印刷行程。,电池工艺-丝网印刷,1.经过丝网印刷后的硅片，不能直接使用，需经烧结炉快速烧结，将有机树脂粘合剂燃烧掉，剩下几乎纯粹的、由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极。当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去，从而形成上下电极的欧姆接触，提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数，使其具有电阻特性，以提高电池片的转换效率。烧结炉分为预烧结、烧结、降温冷却三个阶段。预烧结阶段目的是使浆料中的高分子粘合剂分解、燃烧掉，此阶段温度慢慢上升；烧结阶段中烧结体内完成各种物理化学反应，形成电阻膜结构，使其真正具有电阻特性，该阶段温

22、度达到峰值；降温冷却阶段，玻璃冷却硬化并凝固，使电阻膜结构固定地粘附于基片上。,多晶电池片,单晶电池片,电池工艺-快速烧结,电池厂商排名TOP10,2011年TOP10晶硅和薄膜电池厂商在排名,中国大陆和台湾占据了8席,电池价格走势,自2012.1至今，电池价格与上下游一样一路走铁，跌幅超过25%,光伏组件介绍,电池组件定义：具有外部封装及内部连接、能单独提供直流电输出的最小不可分割的太阳能电池组合装置，叫太阳能电池组件，即多个单体太阳能电池互联封装后成为组件。作用：单个太阳能电池往往因为输出电压太低，输出电流不合适，晶体硅太阳能电池本身又比较脆，不能独立抵御外界恶劣条件，因而在实际使用中需要

23、把单体太阳能电池进行串、并联，并加以封装，接出外连电线，成为可以独立作为光伏电源使用的太阳能电池组件(SolarModule或PVModule，也称光伏组件)。太阳能电池组件通过吸收阳光，将太阳的光能直接变成用户所需的电能输出。光伏组件输出功率：从零点几瓦到数百瓦不等,太阳能组件封装结构图,光伏组件介绍,光伏组件工艺流程,流程图,电池分选：通过测试电池的输出参数（电流和电压）的大小对其进行分类，以提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。单焊：是将汇流带焊接到电池正面（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，焊带的长度约为电池边长的2倍。多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连。串焊：

24、背面焊接是将N张片电池串接在一起形成一个组件串，电池的定位主要靠一个膜具板，操作者使用电烙铁和焊锡丝将单片焊接好的电池的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上，这样依次将N张片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。叠层：背面串接好且经过检验合格后，将组件串、玻璃和切割好的EVA、背板按照一定层次敷设好，准备层压。敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，为层压打好基础。（敷设层次：由下向上：玻璃、EVA、电池、EVA、玻璃纤维、背板）。组件层压：将敷设好的电池放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA熔化将电池玻璃和背板粘接在一起；最后冷却

25、取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度层压时间根据EVA的性质决定。我们使用福斯特EVA时，层压循环时间约为17分钟。层压温度为142。,光伏组件工艺流程,修边：层压时EVA熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应将其切除。装框：类似与给玻璃装一个镜框；给玻璃组件装铝框，增加组件的强度，进一步的密封电池组件，延长电池的使用寿命。边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂填充。各边框间用角键连接。粘接接线盒：在组件背面引线处粘接一个盒子，以利于电池与其他设备或电池间的连接。组件测试：测试的目的是对电池的输出功率进行标定，测试其输出特性，确定组件的质量等级。高压测试：高压测试是指在组件边

26、框和电极引线间施加一定的电压，测试组件的耐压性和绝缘强度，以保证组件在恶劣的自然条件（雷击等）下不被损坏。包装入库,光伏组件工艺流程,光伏组件主要材料,玻璃：采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)，采用厚度为3.2mm0.2mm，钢化性能符合国标：GB9963-88，或者封装后的组件抗冲击性能达到国标GB9535-88地面用硅太阳电池组件环境实验方法中规定的性能指标，在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm)透光率达91%以上，对于大于1200nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。玻璃要清洁无水汽、不得裸手接触玻璃两表面。用作光伏组件封装材料的钢

27、化玻璃，对以下几点性能有较高的要求a).抗机械冲击强度b).表面透光性c).弯曲度d).外观EVA晶体硅太阳电池封粘材料是EVA，它是乙烯与醋酸乙烯脂的共聚物，EVA是一种热融胶粘剂，常温下无粘性而具抗粘性，以便操作，经过一定条件热压便发生熔融粘接与交联固化，并变的完全透明，长期的实践证明：它在太阳电池封装与户外使用均获得相当满意的效果。固化后的EVA能承受大气变化且具有弹性，它将晶体硅片组“上盖下垫”，将硅晶片组包封，并和上层保护材料玻璃，下层保护材料TPT（聚氟乙烯复合膜），利用真空层压技术粘合为一体。另一方面，它和玻璃粘合后能提高玻璃的透光率，起着增透的作用，并对太阳电池组件的输出有增益

28、作用。EVA厚度在0.4mm0.6mm之间，表面平整，厚度均匀，内含交联剂，能在140固化温度下交联，采用挤压成型工艺形成稳定胶层。,TPT：即聚氟乙烯复合膜，用在组件背面，作为背面保护封装材料，厚度0.17mm0.35mm，纵向收缩率不大于1.5%，用于封装的TPT至少应该有三层结构：外层保护层PVF具有良好的抗环境侵蚀能力，中间层为聚脂薄膜具有良好的绝缘性能，内层PVF需经表面处理和EVA具有良好的粘接性能。封装用Tedlar必须保持清洁，不得沾污或受潮，特别是内层不得用手指直接接触，以免影响EVA的粘接强度。互连条与汇流条：互连条与汇流条即涂锡铜合金带，简称涂锡铜带或涂锡带。分含铅和无铅

29、两种，其中无铅涂锡带因其良好的焊接性能和无毒性，是涂锡带发展的方向。无铅涂锡带是由导电优良、加工延展性优良的专用铜及锡合金涂层复合而成。具有如下特性：1、可焊性好；2、抗腐蚀性能好；3、在-40C至+100C的热振情况下（与太阳能电池使用环境同步），长期工作不会脱落。硅胶：主要用来粘接、密封。粘接铝合金和层压好的玻璃组件并起到密封作用，粘接接线盒与TPT，起固定接线盒的作用。,光伏组件主要材料,边框：铝合金边框主要作用有：a)保护玻璃边缘b)铝合金结合硅胶打边加强了组件的密封性能c)大大提高了组件整体的机械强度d)便于组件的安装，运输。铝型材的表面处理（先喷沙后氧化）太阳组件要保证长达25年的使用寿命，铝合金表面必须经过钝化处理阳极氧化，表面氧化层厚度大于12m。用于封装的边框应无变型，表面无划伤。目前组件厂家铝边框的平均氧化层处理厚度在15m2m。接线盒:组件电池的正，负极从TPT引出后需要一个专门的电气盒来实现与负载的连接运行。接线盒的作用：a)电极引出后一般为四条镀锡条，不方便与负载之间的电气连接，需要将电极焊接在成型的便于使用的电接口上。b)引出电极时密封性能被破坏，这时需涂硅胶弥补，接线盒同时起到了增加连接强度，美观的作用。通过接线盒内的电导线引出了电源正负极，避免了电极与外界直接接触老化。,光伏组件主要材料,光伏组件厂商TOP10,据IMS报告显示，中国尚