太阳能电池介绍(课堂PPT).ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,章,太阳能光伏电池,何 道 清 编制,2011.12,1,第,3,章 太阳能光伏电池,太阳能光伏电池,太阳能,电能,2,3.1,太阳能光伏发电原理,3.1.1,半导体基础知识,1.,导体、绝缘体和半导体,（,1,）自由电子与自由电子浓度,物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，电子,受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。,能在晶体,中自由运动的电子，称为,“,自由电子,”,，它是导体导电的,电荷粒子。,自由电子浓度：单位体积中自由电子的数量，称为,自由,电子浓度,，用,n,表示，,它是,决定,物体导电能力的主要因素之,一。,3,（2,）晶体中自由电子的运动,由于晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章,的运动。,电流：,导体中的,自由电子,在,电场力,作用下的,定向,运动形,成电流。,迁移率：,在单位电场强度（,1V/cm,）下，定向运动的自,由电子的,“,直线速度,”,，称为自由电子的迁移率，用,表,示，,这,也是,决定,物体导电能力的主要因素。,电导率,：,表征,物体导电能力的物理量，用,表示,=,en,电阻：,导体中的,自由电子定向,运动形成电流所受到的“阻力”，它也,表征,表征物体导电能力。,导体的电阻特性用电阻,率,表示（,=1/,）。,导体电阻,3.1,太阳能光伏发电原理,4,3.1,太阳能光伏发电原理,（3,）导体、绝缘体和半导体,导体，,导电能力强的物体，电阻率为,10,-9,l0,-6,cm,；,绝缘体，,不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的,物体,，,电阻率为,10,8,l0,20,cm,；,半导体，,导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻,率为,10,-5,l0,7,cm,。,导电机理：,金属导体导电是,自由电子,（,n,恒定,）在电场力作用下的定,向运动，,电导率,基本恒定；,半导体导电是,电子,和,空穴,在电场力作用下的定向运动。电,子和空穴的浓度随温度、杂质含量、光照等变化较大，影,响其导电能力。,5,3.1,太阳能光伏发电原理,2.,硅的晶体结构,（,1,）,硅的原子,结构,硅,(Si),原子，原子序数,14,，原子核外,14,个电子，,绕,核运,动，,分层排,列：内层,2,个电子,(,满,),，第二层,8,个电子,(,满,),，第,三层,4,个电子,(,不满,),，如图,3-1,所示。,图,3-1,硅的原子结构 及其原子能级,6,3.1,太阳能光伏发电原理,（,2,）,硅的晶体结构,硅,晶体中的,硅,原子,在,空间按面心立方晶格结构无限排列，长程有,序。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个硅原子间有一对电子与这两,个原子的原子核都有相互作用，称为共价键。基于共价键作用，是硅原,子紧密地结合在一起，构成晶体。,图,3-2,硅的晶胞结构,7,3.1,太阳能光伏发电原理,硅晶体和所有的晶体都是由原子,(,或离子、分子,),在空间按,一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体,的,晶格,。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，,即,长程有序,，就称其为,单晶体,。在硅晶体中，每个硅原子,近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它,们与两个相邻原子核都有相互作用，称为,共价键,。正是靠,共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。,由许多小颗粒单晶杂乱无章地排列在一起的固体称为,多,晶体,。,非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式，,如一个硅原子仍有四个共价键，短程看是有序的，,长程无,序,，这样的材料称为,非晶体,，也叫做无定形材料。,8,3.1,太阳能光伏发电原理,3.,能级和能带,图,电子在原子中的轨道运动状态具有不同的能量,能级,(,E,),单一的电子能级，,分裂成,能量非常接近但又大小不同的许,多电子能级，形成一个,“,能带,”,。,图,3-3,单原子的电子能级对应的固体能带,9,3.1,太阳能光伏发电原理,4.,禁带、价带和导带,电子只能在各能带内运动，能带之间的区域没有电子态,这个区域叫做,“禁带”，,用,E,g,表示,。,完全被电子填满的能带称为,“,满带,”,，,最高的满带容纳,价,电子，,称为,“价带”,价带上面完全没有电子的称为,“,空,带,”,。,有的能带只有部分能级上有电子,一部分能级是空的。,这种部分填充的能带,在外电场的作用下,可以产生电流。,而没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为,“导带”,。,10,3.1,太阳能光伏发电原理,4.,禁带、价带和导带,(a),金属,(b),半导体,(c),绝缘体,图,3-4,金属、半导体、绝缘体的能带,11,3.1,太阳能光伏发电原理,4.,禁带、价带和导带,图,3-4,晶体的能带,12,3.1,太阳能光伏发电原理,4.,禁带、价带和导带,禁带宽度,E,g,价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参与导电运动，,必须从外界获得大于或等于,E,g,的附加能量，,E,g,的大小就是导,带底部与价带顶部之间的能量差，,称为“,禁带宽度,”或“,带,隙,”,表,3-1,半导体材料的禁带宽度,材料,Si,Ge,GaAs,Cu(InGa)Se,InP,CdTe,CdS,E,g,/eV,1.12,0.7,1.4,1.04,1.2,1.4,2.6,13,3.1,太阳能光伏发电原理,金属与半导体的区别：,金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件,下具有良好的导电性。,半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量,（,E,g,）,“,激发,”,到导带才具有导电能力。激发的能量可以,是热或光的作用。,常温下，每立方厘米的硅晶体，导带上约有,l0,10,个电子，,每立方厘米的导体晶体的导带中约有,10,22,个电子。,绝缘体禁带宽度远大于半导体，,常温下,激发到导带上的电,子非常少，固其电导率很低,。,14,3.1,太阳能光伏发电原理,5.,电子和空穴,电子从价带跃迁到导带（,自由电子,）后，,在价带中留下,一个空位，,称为,空穴，,空穴移动也可形成电流。电子的这,种,跃迁形成,电子,-,空穴对,。,电子和空穴都称为,载流子,。,电子,-,空穴对,不断,产生,，,又不断,复合,。,图,3-5,具有一个断键的硅晶体,15,3.1,太阳能光伏发电原理,6.,掺杂半导体,晶格完整且不含杂质的半导体称为,本征半导体,。,硅半导体掺杂少量的五价元素磷,(P),N,型硅,：,自由电子,数量多,多,数载流子（,多子,）；,空穴,数量很少,少数载流子（,少子,）。电子型半导,体或,n,型半导体。,掺杂少量的三价元素硼,(B),P,型硅,：,空穴,数量多,多数载流子（,多,子,）；,自由电子,数量很少,少数载流子,(,少子,),。空穴型半导体或,p,型半,导体。,图,3-6 n,型和,p,型硅晶体结构,16,3.1,太阳能光伏发电原理,6.,掺杂半导体,-,杂质能级,在掺杂半导体中，杂质原子的能级处于禁带之中，形成,杂质能级,。五价杂质原子形成,施主能级,，位于导带的下,面；三价杂质原子形成,受主能级,，位于价带的上面,(,图,3-7),。,施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跳跃到导带,（或价带）中去的过程称为,电离,。电离过程所需的能量就,是,电离能,（很小,0.04eV,），掺杂,杂质几乎全部电离,。,图,3-7,施主和受主能级,17,3.1,太阳能光伏发电原理,7.,载流子的产生与复合,由于晶格的热振动，电子不断从价带被,“,激发,”,到导,带，形成一对电子和空穴（即,电子,-,空穴对,），这就是,载流,子,产生,的过程。,电子和空穴在晶格中的运动是无规则的导带中的电子落,进价带的空能级，使一对电子和空穴消失。这种现象叫做,电子和空穴的复合，即,载流子,复合,。,一定的温度下晶体内产生和复合的电子,-,空穴对数目达到,相对平衡，晶体的总载流子浓度保持不变，,热平衡状态,。,由于光照作用，产生,光生电子,-,空穴对,，电子和空穴的产,生率就大于复合率，形成非平衡载流子，称为,光生载流子,。,18,3.1,太阳能光伏发电原理,8.,载流子的输运,半导体中存在能够导电的,自由电子,和,空穴,，这些载流子,有两种输运方式：漂移运动和扩散运动。,载流子在,热平衡,时作不规则的热运动，与晶格、杂质、,缺陷发生碰撞，运动方向不断改变，平均位移等于零，这,种现象叫做,散射。,散射不会形成电流。,半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定方向的,运动称为,漂移运动,。外界电场的存在使载流子作定向的漂,移运动，并形成电流。,扩散运动,是半导体在因外加因素使载流子浓度不均匀而,引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁移运动。,扩散运动和漂移运动不同，它不是由于电场力的作用产,生的，而是由于载流子浓度差的引起的。,19,3.1.2 p-n,结,n,型半导体和,p,型半导体紧密接触，在交界处,n,区中电子,浓度高，要向,p,区扩散，在,N,区一侧就形成一个正电荷的区,域；同样，,p,区中空穴浓度高，要向,n,区扩散，,p,区一侧就形,成一个负电荷的区域。这个,n,区和,p,区交界面两侧的正、负,电荷薄层区域称为“空间电荷区”，即,p-n,结,内建电场,E,电势差,U,D,电势能,电势能,=,电荷,电势,=(,q,),(,U,D,)=,qU,D,qU,D,通常称作,势垒高度,。,内建电场一方面阻止,“,多子,”,的扩散运动，另一方面增,强,“,少子,”,漂移运动，最终达到平衡状态。,3.1,太阳能光伏发电原理,20,3.1,太阳能光伏发电原理,3.1.2 p-n,结,(a)n,区电子往,P,区,(b)p,区空穴往,N,区,(c)p-n,结电场,扩散在,n,区形成带 扩散在,p,区形成带,正电的薄层,A,负电的薄层,B,图,3-8 p-n,结电子与空穴的扩散,21,3.1,太阳能光伏发电原理,3.1.2 p-n,结,(a),形成,p-n,结前载流子的扩散过程,(b),空间电荷区和内建电场,图,3-8 p-n,结,22,3.1,太阳能光伏发电原理,3.1.2 p-n,结,单向导电性,当,p-n,结加上,正向偏压,，外加电场的方向与内建电场的方,向相反，打破了扩散运动和漂移运动的相对平衡，形成通,过,p-n,结的电流（称为,正向电流,），较大；,当,p-n,结加上,反向偏压,，构成,p-n,结的,反向电流,，很小。,图,3-9 p-n,结单向导电特性,23,3.1,太阳能光伏发电原理,3.1.3,光伏效应,太阳能电池,1.,光伏效应,当太阳电池受到,光照时,，光在,n,区、空间电荷区和,p,区被吸收，分别,产生,电子,-,空穴对,。由于入射光强度从表面到太阳电池体内成指数衰,减，在各处产生,光生载流子,的数量有差别，沿光强衰减方向将形成,光生,载流子的浓度梯度,，从而产生载流子的,扩散运动,。,n,区中产生的光生载流子到达,p-n,结区,n,侧边界时，由于内建电场的,方向是从,n,区指向,p,区，静电力立即将,光生空穴,拉到,p,区，,光生电子,阻留,在,n,区。,p,区中到达,p-n,结区,p,侧边界的,光生电子,立即被内建电场拉向,n,区，,空,穴,被阻留在,p,区。,空间电荷区中产生的光生电子,-,空穴对则自然被内建电场分别拉向,n,区和,p,区。,24,3.1,太阳能光伏发电原理,1.,光伏效应,p-n,结及两边产生的,光生载流子,就被,内建电场,所,分离,，在,p,区聚集光,生空穴，在,n,区聚集光生电子，使,p,区带正电，,n,区带负电，在,p-n,结两,边产生,光生电动势,。上述过程通常称作光生伏特效应或,光伏效应,。光,生电动势的电场方向和平衡,p-n,结内建电场的方向相反。当太阳能电池,的两端接上负载，这些分离的电荷就形成电流。,图,3-10,光伏效应示意图,25,3.1,太阳能光伏发电原理,1.,光伏效应,太阳能电池,当太阳能电池的两端接上负载，光伏电动势就形成电流。,图,3-11,太阳电池的发电原理,26,3.1,太阳能光伏发电原理,2.1.4,太阳电池的结构和性能,1.,太阳电池的结构,最简单的太阳电池是由,p-n,结构成的，如图,3-142,示，其,上表面有栅线形状的上电极，背面为背电极，在太阳电池,表面通常还镀有一层减反射膜。,图,3-12,太阳电池的结构和符号,27,3.1,太阳能光伏发电原理,1.,太阳电池的结构,硅太阳电池一般制成,p,/n,型结构或,n,/p,型结构。,太阳电池输出电压的极性，,p,型一侧电极为正，,n,型一侧,电极为负。,根据太阳电池的材料和结构不同，分为许多种形式，如,p,型和,n,型材料均为相同材料的,同质结太阳电池,(,如晶体硅太阳,电池,),；,p,型和,n,型材料为不同材料的,异质结太阳电池,硫化镉,/,碲化镉,(CdS/CdTe),，硫化镉,/,铜铟硒,(CdS/CulnSe,2,),薄膜太阳,电池,；金属,-,绝缘体,-,半导体,(MIS),太阳电池；绒面硅太阳电,池；激光刻槽掩埋电极硅太阳电池；钝化发射结太阳电,池；背面点接触太阳电池；叠层太阳电池等。,28,3.1,太阳能光伏发电原理,2.,太阳电池的技术参数,（,1,）开路电压（,U,oc,）,受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累,于,p-n,结两侧产生光生电动势，这时在太阳电池两端测得的,电势差叫做开路电压，用符号,U,oc,表示。,（,2,）短路电流（,I,sc,）,如果把太阳电池从外部短路测得的最大电流，称为短路,电流，用符号,I,sc,表示。,图,3-13,硅光电池的开路电压,和短路电流与光照度关系,29,3.1,太阳能光伏发电原理,（,3,）最大输出功率（,P,）,把太阳电池接上负载，负载电阻中便有电流流过，该电,流称为太阳电池的,工作电流,（,I,），也称负载电流或输出电,流。负载两端的电压称为太阳电池的,工作电压,(,U,),。太阳电,池的,输出功率,P,=,UI,。,太阳电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将,不同阻值所对应的工作电压和电流值作成曲线，就得到太,阳电池的,伏安特性曲线,。如果选择的负载电阻值能使输出,电压和电流的乘积最大，即可获得,最大输出功率（,P,m,）,。,此时的工作电压和工作电流称为,最佳工作电压（,U,m,）和,最佳工作电流,（,I,m,），,P,m,=,U,m,I,m,。,30,3.1,太阳能光伏发电原理,（,4,）填充因子（,FF,）,太阳电池的另一个重要参数是填充因子,FF,，它是最大输,出功率与开路电压和短路电流乘积之比：,（,5,）转换效率（,）,太阳电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻,时的最大能量转换效率，等于太阳电池的最大输出功率与,入射到太阳电池表面的能量之比：,31,3.1,太阳能光伏发电原理,3.,太阳电池的伏,-,安特性及等效电路,太阳电池的电路及等效电路如图,3-14,所示。,I,D,(,二极管电流,),为通过,p-n,结的总扩散电流，与,I,s,c,反向；,R,s,串联电阻，主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电,阻和电极与硅表面接触电阻所组成，很小；,R,sh,为旁路电,阻，主要由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的，很大。,(a),光照时太阳电池的电路,(b),光照时太阳电池的等效电路,图,3-14,太阳电池的电路及等效电路,32,3.1,太阳能光伏发电原理,当,R,L,=0,时，所测的电流为电池的,短路电流,I,s,c,。,I,s,c,与电池,面积成正比，,1cm,2,太阳电池的,I,s,c,值为,1630mA,；同一块太,阳电池，,I,s,c,值与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高,时，,I,s,c,略有上升。,当,R,L,为无穷大,时，所测得的电压为电池的,开路电压,U,oc,，,U,oc,随光照度变化不大,。,(a),光照时太阳电池的电路,(b),光照时太阳电池的等效电路,图,3-14,太阳电池的电路及等效电路,33,3.1,太阳能光伏发电原理,伏安特性曲线,图,3-15,太阳电池的电流,-,电压关系曲线 图,3-16,常用太阳电池电流,-,电压特性曲线,1-,未受光照；,2-,受光照,I,-,电流；,I,sc,-,短路电流；,I,m,-,最大工作电流；,U,-,电压；,U,oc,-,开路电压；,U,m,-,最大工作电压；,P,m,-,最大功率,34,3.1,太阳能光伏发电原理,太阳电池性能的测试须在标准条件,太阳电池（组件）的输出功率取决于太阳辐照度、太阳,光谱分布和太阳电池（组件）的工作温度，因此太阳电池,性能的测试须在标准条件（,STC,）下进行。测量标准被欧洲,委员会定义为,101,号标准，其,测试条件,是：,光谱辐照度,1000W/m,2,；,大气质量为,AM1.5,时的光谱分布；,电池温度,25,。,在该条件下，太阳电池（组件）输出的最大功率称为,峰,值功率,。,35,3.1,太阳能光伏发电原理,串、并联电阻对硅太阳电池输出,(,U,oc,、,I,sc,、,FF,),性能的影,响。,(,入射光强为,l000W/m,2,，电池面积为,2cm,2,）,(a),串联电阻的影响,(b),并联电阻的影响,图,3-17,太阳电池串、并联电阻的影响,36,3.2,太阳能电池材料制备,*,硅太阳能电池（单晶、多晶和非晶硅太阳电池）是目前,使用最广泛的太阳能电池，占太阳能电池总产量的,90%,以,上。,晶体硅太阳能电池的一般生产制造工艺：,硅材料的制备,太阳能电池的制造,太阳能电池组件的封装,硅砂,(SiO,2,),冶金硅,(MG-Si),晶体硅,(Si),硅片,光伏电池片,电池组件,电池方阵,37,3.2,太阳能电池材料制备,*,3.2.1,硅材料的优异性能,（,1,）,Si,材料丰富，易于提纯，纯度可达,12,个,9(12N),；,（电子级硅,9N,，太阳能电池硅,6N,即可）,（,2,）,Si,原子占晶格空间小（,34%,），有利于电子运动和,掺杂；,38,3.2,太阳能电池材料制备,*,（,3,）,Si,原子核外,4,个，掺杂后，容易形成电子,-,空穴对；,（,4,）容易生长大尺寸的单晶硅（,4001100mm,，重,438kg,）；,（,5,）易于通过沉积工艺制作单晶,Si,、多晶,Si,和非晶,Si,薄,层材料；,39,3.2,太阳能电池材料制备,*,（,6,）易于腐蚀加工；,（,7,）带隙适中（在室温下硅的禁带宽度,E,g,1.l2eV,），,受本征激发影响小；,（,8,）,Si,材料力学性能好，便于机加工；,（,9,）,Si,材料理化性能稳定；,（,10,）,Si,材料便于金属掺杂，制作低阻值欧姆接触；,（,11,）切片损伤小，便于可控钝化；,（,12,）,Si,材料表面,SiO,2,薄层制作简单，,SiO,2,薄层有利于减,小反射率，提高太阳能电池发电效率；,SiO,2,薄层绝缘好，,便于电气绝缘的表面钝化；,SiO,2,薄层是良好的掩膜层和阻,挡层。,Si,材料是优良的光伏发电材料！,40,3.2,太阳能电池材料制备,*,3.2.2,硅材料的制备,制造太阳电池的硅材料以,石英砂,（,SiO,2,）为原料，先把石,英砂放入电炉中用碳还原得到,冶金硅,，较好的纯度为,98%99%,。冶金硅与氯气（或氯化氢）反应得到四氯化硅,（或三氯氢硅），经过精馏使其纯度提高，然后通过氢气,还原成,多晶硅,。多晶硅经过坩埚直拉法（,Cz,法）或区熔法,（,Fz,法）制成,单晶硅,棒，硅材料的纯度可进一步提高，要,求单晶硅缺陷和有害杂质少。,石英砂,冶金硅,多晶硅,单晶硅,从硅材料到制成太阳电池组件，需要经过一系列复杂的,工艺过程，以多晶硅太阳电池组件为例，其生产过程大致,是：,硅砂,硅锭,硅片,电池片,电池,组件,41,3.2,太阳能电池材料制备,*,1.,高纯多晶硅的制备,（,1,）,硅砂,冶金硅,（,MG-Si,）：,SiO,2,+2CSi+2CO,（,2,）,冶金硅,高纯多晶硅,：,电子级硅,(EG-Si),，,9N(99.9999999%),以上纯度；,太阳能级硅,(SG-Si),，,7N,以上纯度。,四氯化硅法：,SiCl,4,+2H2Si+4HCl,三氯氢硅法（,改良西门子法）,：,SiO,2,+2CSi+2CO,2,Si+3HClSiHCl,3,+H,2,SiHCl,3,+H2Si+3HCl,图,3-19,硅砂制备高纯多晶硅工艺流程,42,3.2,太阳能电池材料制备,*,改良西门子法工艺流程,图,3-20,改良西门子法工艺流程图,43,3.2,太阳能电池材料制备,*,硅烷法,硅烷（,SiH,4,）生产的工艺是基于化学反应,2Mg+SiMgSi,，,然后将硅化镁和氯化铵进行如下化学反应,:,MgSi+4NH,4,ClSiH,4,+2MgCl,2,+4NH,3,从而得到气体硅烷。高浓度的硅烷是一种易燃、易爆气,体，要用高纯氮气或氢气稀释到,3%,5%,后充入钢瓶中使,用。硅烷可以通过减压精馏、吸附和预热分解等方法进行,纯化，化学反应式为,SiH,4,Si+2H,2,44,3.2,太阳能电池材料制备,*,2.,多晶硅锭的制备,多晶硅棒,多晶硅铸锭,（,1,）定向凝固法,（,2,）浇铸法,图,3-21,多晶硅定向凝固法原理图,45,3.2,太阳能电池材料制备,*,3.,片状硅的制备,片状硅又称硅带，是从熔体中直接生长出来，可以减少,由于切割而造成硅材料的损失，工艺也比较简单，片厚,100,200,rm,。主要生长方法有限边喂膜（,EFG,）法、枝蔓,蹼状晶（,WEB,）法、边缘支撑晶（,ESP,）法、小角度带状,生长法、激光区熔法和颗粒硅带法等。,46,3.2,太阳能电池材料制备,*,4.,单晶硅的制备,（,1,）直拉单晶法（,Cz,）,47,3.2,太阳能电池材料制备,*,直拉单晶炉,48,3.2,太阳能电池材料制备,*,（,2,）区熔法（,Fz,）,49,3.2,太阳能电池材料制备,*,内热式区熔炉结构,示意图,50,3.3,太阳能电池制造工艺,3.3.1,硅片的加工,晶体硅,硅片,硅片的加工，是将硅锭经表面整形、定向、切割、研磨、,腐蚀、抛光、清洗等工艺，加工成具有一定直径、厚度、,晶向和高度、表面平行度、平整度、光洁度，表面无缺陷、,无崩边、无损伤层，高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。,图,3-23,硅片加工工艺流程,51,3.3,太阳能电池制造工艺,3.3.1,硅片的加工,1.,切片工艺技术的原则要求：,（,1,）切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差,小；,（,2,）断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹；,（,3,）提高成品率，缩小刀,(,钢丝,),切缝，降低原材料损,耗；,（,4,）提高切割速度，实现自动化切割。,2.,切片方法：,外圆切割、内圆切割、线切割以及激光切割等。,52,3.3,太阳能电池制造工艺,内圆切割：,用内圆切割机将硅锭切割成,0.20.4mm,的薄片。其刀体的,厚度,0.1mm,左右，刀刃的厚度,0.200.25mm,，刀刃上黏有金,刚砂粉。切割过程中，每切割一片，硅材料有,0.30.35mm,的厚度损失，因此硅材料的利用率仅为,4050%,。内圆切割,刀片的示意图，如图,3-24,所示。,图,3-24,内圆切割刀片示意图,53,3.3,太阳能电池制造工艺,内圆切割方法，可分为,4,类：,（,a,）刀片水平安装，硅料水平方向送进切割；,（,b,）刀片垂直安装，硅料水平方向送进切割；,（,c,）刀片垂直安装，硅料垂直方向送进切割；,（,d,）刀片固定，硅片垂直方向送进切割。,图,3-25,内圆式切割机切割分类方法示意图,54,3.3,太阳能电池制造工艺,线切割机切片,一根长达几千米的线两头缠绕在转鼓上，这根线在带磨,料的悬浮液中切割硅晶体。切片更快，硅片更薄,（,0.180.2mm,），硅损,失更少（,30%,）。,图,3-26,硅片线切割示意图,55,3.3,太阳能电池制造工艺,表,3-2,线切割与内圆切割特征的比较,性 能,线切割,内圆切割,切割方法,自由磨削加工,固定研磨加工,切片表面,线锯痕迹,切痕、裂纹、碎屑,损伤深度,/,m,515,2030,切片效率,/(cm,2,/h),110220,1030,每次切片数,/,片,200400,1,损耗,/,m,150210,300500,可切片最薄厚度,/,m,180200,350,可切硅锭最大直径,/mm,300,以上,200,切片翘曲度,轻微,严重,56,3.3,太阳能电池制造工艺,激光切片机,57,3.3,太阳能电池制造工艺,3.3.2,硅太阳能电池的制造,硅片,电池片,制造晶体硅太阳能电池包括绒面制备、扩散制结、制作,电极和制备蒸镀减反射膜等主要工序。,常规晶体硅太阳能,电池的一般生产制造工艺流程如图3-,2,7,所示。,图,3-27,晶体硅太阳能电池生产制造工艺流程,58,3.3,太阳能电池制造工艺,3.3.2,硅太阳能电池的制造,1.,硅片的选择,硅片通常加工成方形、长方形、圆形或半圆形，厚度为,0.180.4mm,。,2.,硅片的表面处理,（,1,）化学清洗去污，高纯水，有机溶剂，浓酸，强碱。,（,2,）硅片的表面腐蚀去除,3050,m,表面厚的损伤层。,酸性腐蚀,浓硝酸与氢氟酸的配比为（,10:1,）,（,2:1,）；,硝酸、氢氟酸与醋酸的一般配比为,5:3:3,或,5:1:1,或,6:1:1,。,碱性腐蚀,氢氧化钠、氢氧化钾等碱溶液,。,59,3.3,太阳能电池制造工艺,3.,绒面制备,单晶硅绒面结构的制备，就是就是利用硅的各向异性腐,蚀,(NaOH,，,KOH),，在硅表面形成金字塔结构。,绒面结构，使,入射光在硅片表面多次反射和折射，,有助于,减少光的反射，增加光,的吸收，提高电池效率。,图,3-28,绒面结构,减少光的反射,60,3.3,太阳能电池制造工艺,4.,扩散制结,制结过程：,在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散,层。,制结方法：,热扩散法、离子注入法、薄膜生长法、合金,法、激光法和高频电注入法等。,热扩散法制结：,采用片状氮化硼作源，在氮气保护下进行,扩散。扩散前，氮化硼片先在扩散温度下通氧,30min,，使其,表面的三氧化二硼与硅发生反应，形成硼硅玻璃沉积在硅,表面，硼向硅内部扩散。扩散温度为,950l000,，扩散时间,为,1530min,，氮气流量为,2L/min,。,扩散要求：,获得适合于太阳能电池,p-n,结需要的,结深,(0.30.5,m),和,扩散层方块电阻,R,(,平均为,20l00,/,囗,),。,61,3.3,太阳能电池制造工艺,5.,去除背结,在扩散过程中，硅片的背面也形成,了,p-n,结，所以在制,作电极前需要去除背结。,去除背结的常用方法，主要有化学腐蚀法、磨片法和蒸,铝或丝网印刷铝浆烧结法等。,（,1,）,化学腐蚀法,掩蔽前结后用腐蚀液蚀去其余部分的扩散层。该法可同,时除去背结和周边的扩散层，因此可省去腐蚀周边的工,序。腐蚀后，背面平整光亮，适合于制作真空蒸镀的电,极。前结的掩蔽一般用涂黑胶的方法。硅片腐蚀去背结后,用溶剂去真空封蜡，再经浓硫酸或清洗液煮沸清洗，最后,用去离子水洗净后烤干备用。,62,3.3,太阳能电池制造工艺,（,2,）磨片法,用金刚砂磨去背结。也可将携带砂粒的压缩空气喷射到,硅片背面以除去背结。背结除去后，磨片后背面形成一个,粗糙的硅表面，适用于化学镀镍背电极的制造。,（,3,）蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法,前两种方法对,n,+,/p,型和,p,+,/n,型电池制造工艺均适用，本,法则仅适用于,n,+,/p,型电池制造工艺。此法是在扩散硅片背,面真空蒸镀或丝网印刷一层铝，加热或烧结到铝,-,硅共熔,点,(577),以上使它们成为合金。经过合金化以后，随着降,温，液相中的硅将重新凝固出来，形成含有少量铝的再结,晶层。实际上是一个对硅掺杂过程。在足够的铝量和合金,温度下，背面甚至能形成与前结方向相同的电场，称为背,面场。,63,3.3,太阳能电池制造工艺,6.,制备减反射膜,硅表面对光的反射损失率高达,35%,左右。,减反射膜,作用,：减反射膜不但具有减少光反射的作用，,而且对电池表面还可起到钝化和保护的作用。,制备,方法,：采用真空镀膜法、气相生长法或其它化学方,法等，在已制好的电池正面,蒸镀,一层或多层二氧化硅或二,氧化钛或五氧化二钽或五氧化二铌,减反射膜,。,技术,要求,：膜对入射光波长范围的吸收率要小，膜的理,化能稳定，膜层与硅粘接牢固，膜耐腐蚀，制作工艺简,单、价格低廉。,二氧化硅膜,，镀一层减反射膜可将入射光的反射率减少,到,10%,左右，镀两层则可将反射率减少到,4%,以下。,64,3.3,太阳能电池制造工艺,7.,腐蚀周边,在扩散过程中，硅片的周边表面也有扩散层形成。硅片,周边表面的扩散层会使电池上下电极形成短路环，必须将,其去除。周边上存在任何微小的局部短路，都会使电池并,联电阻下降，以致成为废品。,去边的方法：主要有腐蚀法和挤压法。腐蚀法是将硅片,两面掩好，在硝酸、氢氟酸组成的腐蚀液中腐蚀,30s,左右；,挤压法则是用大小与硅片相同而略带弹性的耐酸橡胶或塑,料与硅片相间整齐地隔开，施加一定压力阻止腐蚀液渗入,缝隙，以取得掩蔽的方法。,65,3.3,太阳能电池制造工艺,8.,制作上、下电极,所谓,电极,，就是与电池,p-n,结形成紧密欧姆接触的导电材,料。通常,对电极的要求,有：接触电阻小；收集效率,高；遮蔽面积小；能与硅形成牢固的接触；稳定性,好；宜于加工；成本低；易于引线，可焊性强；,体电阻小；污染小。,制作方法,：,真空蒸镀法、化学镀镍法、银,/,铝浆印刷烧结,法等。所用,金属材料,：,铝、钛、银、镍等。,电池光照面的电极称为,上电极,（,窄细的栅线状,，有利于,收集光生电流，并保持较大受光面积,）,，制作在电池背面,的电极称为,下电极,或背电极,（全部或部分布满背面，,减小,电池的串联电阻,）,。,n,+,/,p,型电池上电极是负极，下电极是正极；,p,+,/n,型电池上,电极是正极，下电极是负极。,66,3.3,太阳能电池制造工艺,铝浆印刷烧结法,工艺：把硅片置于真空镀机的钟罩内，,当真空度抽到足够高时，便凝结成一层铝薄膜，其厚度控,制在,30l00nm,；然后，再在铝薄膜上蒸镀一层银，厚度为,25,m,，为便于电池的组合装配，电极上还需钎焊一层锡,-,铝,-,银合金焊料；此外，为得到栅线状的上电极，在蒸镀铝,和银时，硅表面需放置一定形状的金属掩膜。上电极栅线,密度一般为,24,条,/cm,，多的可达,1019,条,/cm,，最多的可达,60,条,/cm,。,丝网印刷技术,制作上电极，是用涤纶薄膜等制成所需电,极图形的掩膜，贴在丝网上，然后套在硅片上，用银浆、,铝浆印刷出所需电极的图形，经过在真空和保护气氛中烧,结，形成牢固的接触电极。,成本低，便于自动化连续生产,67,3.3,太阳能电池制造工艺,9.,检验测试,太阳电池制作经过上述工艺完成后，在作为成品电池入,库前，必须通过测试仪器测量其性能参数，以检验其质量,是否合格。一般需要测量的参数有最佳工作电压、最佳工,作电流、最大功率,(,也称峰值功率,),、转换效率、开路电,压、短路电流、填充因子等，通常还要画出太阳电池的伏,安（,I,-,U,）特性曲线。,现代测试方法：,图,3-29,太阳电池测试,设备系统框图,68,3.3,太阳能电池制造工艺,典型晶硅电池片技术参数,尺寸：,156mm,156mm,0.5mm,厚度（,Si,）：,190,m,20,m,正面（,）：氮化硅减反膜；,1.9mm,银栅线,背面（,+,）：,AL,背场；,3mm,银背极,开路电压,(V),：,0.62,5%,短路电流,(A),：,9.01,5%,最大功率点电压：,0.515 V,最大功率点电流：,7.914 A,温度系数：,Tk Voltage,0.349%/K,Tk Current,0.033%/K,Tk Power,0.44%/K,69,3.3,太阳能电池制造工艺,3.3.3,新型太阳能电池简介,1.,新型高效单晶硅太阳电池,（,1,）发射极钝化及背表面局部扩散太阳电池,(PERL),图,3-30 PERL,太阳电池,70,3.3,太阳能电池制造工艺,（,2,）埋栅太阳电池,(BCSC),采用激光刻槽或机械刻槽。激光在硅片表面刻槽，然后,化学镀铜，制作电极。如图,3-31,所示。批量生产这种电池,的光电效率已达,17%,，我国实验室光电效率为,19.55%,。,图,3-31 BCSC,太阳电池,71,3.3,太阳能电池制造工艺,（,3,）高效背表面反射器太阳电池,(BSR),这种电池的背面和背面接触之间用真空蒸镀的方法沉积,一层高反射率的金属表面（一般为铝）。背反射器就是将,电池背面做成反射面，它能发射透过电池基体到达背表面,的光，从而增加光的利用率，使太阳电池的短路电流增,加。,（,4,）高效背表面场和背表面反射器太阳电池,(BSFR),BSFR,电池也称为漂移场太阳电池，它是在,BSR,电池结构,的基础上再做一层,p+,层。这种场有助于光生电子,-,空穴对的,分离和少数载流子的收集。目前,BSFR,电池的效率为,14.8%.,72,3.3,太阳能电池制造工艺,2.多晶硅薄膜太阳电池,多晶硅薄膜是由许多大小不等和具有不同晶面取向的小,晶粒构成，其特点是在长波段具有高光敏性，对可见光能,有效吸收，又具有与晶体硅一样的光照稳定性，因此被认,为是高效、低耗的理想光伏器件材料。,目前多晶硅薄膜太阳电池光电效率达16.9%，但仍处于,实验室阶段，如果能找到一种好的方法在廉价的衬底上制,备性能良好的多晶硅薄膜太阳电池，该电池就可以进入商,业化生产，这也是目前研究的重点。多晶硅薄膜太阳电池,由于其良好的稳定性和丰富的材料来源，是一种很有前途,的地面用廉价太阳电池。,73,3.3,太阳能电池制造工艺,3.,非晶硅太阳电池,（,1,）非晶硅的优点,有较高的光学吸收系数，在,0.3150.75,m,的可见光波长范围内，其吸收系数比单晶硅高一个数量级，因此，很薄,(1,m,左右,),的非晶硅就能吸收大部分的可见光，制备材料成本也低；,禁带宽度为,1.52.0eV,，比晶体硅的,1.l2eV,大，与太阳,光谱有更好的匹配；,制备工艺和所需设备简单，沉积温度低,(300400),，,耗能少；,可沉积在廉价的衬底上，如玻璃、不锈钢甚至耐温,塑料等，可做成能弯曲的柔性电池。,74,3.3,太阳能电池制造工艺,（,2,）非晶硅太阳电池结构及性能,非晶硅太阳电池结构,性能较好的非晶硅太阳电池结构有,p-i-n,结构，如图,3-32,所示。,图,3-32,非晶硅太阳电池结构,75,3.3,太阳能电池制造工艺,非晶硅太阳电池的性能,a.,非晶硅太阳电池的电性能,非晶硅太阳电池的实验室光电转换效率达,15%,，稳定效,率为,13%,。商品化非晶硅太阳电池的光电效率一般为,6%7.5%,。温度升高，对其效率的影响比晶体硅太阳电池,要小。,b.,光致衰减效应,非晶硅太阳电池经光照后，会产生,10%,30%,的电性能,衰减,光致衰减效应,，此效应限制了非晶硅太阳电池作,为功率发电器件的大规模应用。为减小这种光致衰减效应,又开发了双结和三结的非晶硅叠层太阳电池，目前实验室,光致衰减效应已减小至,10%,。,76,3.3,太阳能电池制造工艺,4.,化合物薄膜太阳电池,薄膜太阳电池由沉积在玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷衬底,或薄膜上的几微米或几十微米厚的半导体膜构成。由于其,半导体层很薄，可以大大节省太阳电池材料，降低生产成,本，是最有前景的新型太阳电池。,（,1,）化合物多晶薄膜太阳电池,除上面介绍过的,a-Si,太阳电池和多晶,Si,薄膜太阳电池,外，目前已开发出化合物多晶薄膜太阳电池，主要有：硫,化镉,/,碲化镉,(CdS/CdTe),、硫化镉,/,铜镓铟硒,(CdS/CuGalnSe2).,硫化镉,/,硫化亚铜,(CdS/Cu2S),等，其中,相对较好