毕业设计--太阳能电池及光伏发电原理.doc

31太阳能电池及光伏发电原理_引 言随着全球经济的快速发展，人类对能源的需求量持续增加，化石燃料的大量使用，导致了能源的迅速短缺、环境污染日益加剧，全球面临着一个严峻的问题：能源问题已经成为经济发展的热点和难点。当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。目前，全球太阳能电池市场竞争激烈，欧洲和日本领先的格局已被打破。尽管主要的销售市场在欧洲，但太阳能电池的生产重镇已经转移到亚洲。2010年，在光伏市场带动下，全球光伏电池产量持续增长。在世界光伏市场的强力拉动下，中国太阳能电池制造业通过引进、消化、吸收和再创新，获得了长足的发展。中国太阳能电池产业的发展大致可分为三个阶段。第一阶段为1984年以后的研究开发时期；之后迎来了2001年以后的产业形成时期，第二阶段也是尚德等太阳能电池厂商开始创业的时期；2005年至今的第三阶段是中国太阳能电池产业的快速发展时期。得益于国家对太阳能等新能源产业的政策、资金支持，2010年太阳能电池产业增长迅速，在世界10大太阳能电池生产商中有4家是中国企业。中国已在太阳能电池生产制造方面取得重要地位，也将成为使用太阳能的大市场。近年来国家陆续出台了太阳能屋顶计划、金太阳工程等诸多补贴扶持政策，在政策的支持下中国有望像美国一样，启动一个巨大的市场。1、 太阳能电池及光伏发电原理早在1839年，法国科学家贝克雷尔(becqurel)就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。太阳电池工作原理的基础是半导体pn结的光生伏打效应，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。即当太阳光或其他光照射半导体的pn结时，就会在pn结的两边出现电压，叫做光生电压，使pn结短路，就会产生电流。太阳能电池是利用光伏效应将其所吸收的能量转换为电能的器件,也称光伏电池.太阳电池是太阳能开发和利用的主要方向.光伏是一个朝阳的产业.太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 太阳能绿色能源太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。1.1 光热电转换光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。1.2 光电直接转换光电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的 太阳光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能级半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式，是当今太阳光发电的主流。时下，人们通常所说太阳光发电就是太阳能光伏发电，亦称太阳能电池发电。从上世纪70年代中期开始了地面用太阳电池商品化以来，晶体硅就作为基本的电池材料占据着统治地位。硅系列太阳能电池中，单晶硅和多晶硅电池继续占据光伏市场的主导地位，单晶硅和多晶硅的比例已超过80%，而这一发展趋势还在继续增长。 光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。“光生伏特效应”，简称“光伏效应”，英文名称：photovoltaic effect。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。2、 晶体硅太阳能电池的分类介绍以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池，铸造多晶硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害；铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定得转换的效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池则现在还只能处在研发阶段。目前，铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最主要的光伏材料。但是铸造多晶硅太阳能电池的转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池，材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是电池转换效率较低的关键原因，因此关于铸造多晶硅中缺陷和杂质规律的研究，以及工艺中采用合适的吸杂，钝化工艺是进一步提高铸造多晶硅电池的关键。另外，寻找适合铸造多晶硅表面织构化的湿化学腐蚀方法也是目前低成本制备高效率电池的重要工艺 。多晶硅太阳电池的出现主要是为了降低成本，其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，设备比较简单，制造过程简单、省电、节约硅材料，对材质要求也较低。晶界及杂质影响可通过电他工艺改善；由于材质和晶界影响，电池效率较低。电池工艺主要采用吸杂、钝化、背场等技术。 2.1 单晶硅太阳能电池 硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚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（2cm x 2cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm x 5cm）转换效率达8.6%。单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。 2.2 多晶硅薄膜太阳能电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350450m的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（lpcvd）和等离子增强化学气相沉积（pecvd）工艺。此外，液相外延法（lppe）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。 化学气相沉积主要是以sih2cl2、sihcl3、sicl4或sih4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用si、sio2、si3n4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 lpcvd在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。 多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。三、光电池的工作原理及其特性3.1电池的工作原理 在一块n形硅片表面，用扩散的方法掺入一些p型杂质，形成pn结，光这就是一块硅光电池。当照射在pn上时，如光子能量hv大于硅的禁带宽度e时，则价带中的电子跃迁到导带，产生电子空穴对。因为pn结阻挡层的电场方向指向p区，所以，任阻挡层电场的作用下，被光激发的电子移向n区外侧，被光激发的空穴移向p区外侧，从而在硅光电池与pn结平行的两外表而形成电势差，p区带正电，为光电池的正极，n区带负电，为光电池的负极。照在pn结上的光强增加，就有更多的空穴流向p区，更多的电子流向n区，从而硅光电池两外侧的电势差增加。如上所述，在光的作用下，产生一定方向一定大小的电动势的现象，叫作光生伏特效应。3.2 硅光电池特性 3.2.1 光照特性 不同强度的光照射在光电池上，光电池有不同的短路电流isc和开路电在voc，如图1所示。由图1可知短路电流isc光强ev特性是一条直线，即短路电流在很宽的光强范围内，与光强成线性关系，而开路电压是非线性的，而且，在当光强较小，约20mwcm2时，短路电压就趋于饱和。因此，要想用光电池来测量或控制光的强弱，应当用光电池的短路电流特性。3.2.2 硅光电池的光谱特性 图2是硅光电池、硒光电池的光谱特性曲线。显而易见，不同的光电池，光谱曲线峰值的位置不同，例如硅光电池峰值波长在0.8m左右，硒光电池在0.54m左右。硅光电池的光谱范围宽，在0.451.1m之间，硒光电池的光谱范围在0.340.75m之间，只对可见光敏感。 值得注意的是，光电池的光谱曲线形状，复盖范围，不仅与光电池的材料有关，还与制造工艺有关，而且还随着环境温度的变化而变化。 3.2.3 光电池的温度特性光电池的温度特性如图3所示。由图可知，开路电压随温度的升高而快速下降，短流电流随温度升高而缓缓增加。所以，用光电池作传感器制作的测量仪器，即使采用iscev特性，在被测参量恒定不变时，仪器的读数也会随环境温度的变化而漂移，所以，仪器必须采用相应的温度补偿措施。四、硅光电池的结构及工作原理 硅光电池是一种能将光能直接转换成电能的半导体器件,其结构图所示.它实质上是一个大面积的半导体pn结.硅光电池的基体材料为一薄片p型单晶硅,其厚度在0.44mm以下,在它的表面上利用热扩散法生成一层n型受光层,基体和受光层的交接处形成pn结.在n型层受光层上制作有栅状负电极,另外在受光面上还均匀覆盖有抗反射膜,它是一层很薄的天蓝色一氧化硅膜,可以使电池对有效入射光的吸收率达到90%以上,并使硅光电池的短路电流增加25%-30%. 以硅材料为基体的硅光电池,可以使用单晶硅、多晶硅、非晶硅来制造.单晶硅光电池是目前应用最广的一种,它有2cr和2dr两种类型,其中2cr型硅光电池采用n型单晶硅制造,2dr型硅光电池则采用p型单晶硅制造. 硅光电池的工作原理是光生伏特效应.当光照射在硅光电池的pn结区时,会在半导体中激发出光生电子空穴对.pn结两边的光生电子空穴对,在内电场的作用下,属于多数载流子的不能穿越阻挡层,而少数载流子却能穿越阻挡层.结果,p区的光生电子进入n区,n区的光生空穴进入p区,使每个区中的光生电子一空穴对分割开来.光生电子在n区的集结使n区带负电,光生电子在p区的集结使p区带正电.p区和n区之间产生光生电动势.当硅光电池接入负载后,光电流从p区经负载流至n区,负载中即得到功率输出. 4.1. 太阳能光伏发电系统的组成 太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏电池组，光伏系统电池控制器，蓄电池和交直流逆变器是其主要部件。其中的核心元件是光伏电池组和控制器。各部件在系统中的作用是： 光伏电池：光电转换。控制器：作用于整个系统的过程控制。光伏发电系统中使用的控制器类型很多，如2点式控制器，多路顺序控制器、智能控制器、大功率跟踪充电控制器等，我国目前使用的大都是简单设计的控制器，智能型控制器仅用于通信系统和较大型的光伏电站。蓄电池：蓄电池是光伏发电系统中的关键部件，用于存储从光伏电池转换来的电力。目前我国还没有用于光伏系统的专用蓄电池，而是使用常规的铅酸蓄电池。交直流逆变器：由于它的功能是交直流转换，因此这个部件最重要的指标是可靠性和转换效率。并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度地把光伏电池转换的电能送入电网。4.2 太阳能光伏电池板太阳能电池主要使用单晶硅为材料。用单晶硅做成类似二极管中的p-n结。工作原理和二极管类似。只不过在二极管中，推动p-n结空穴和电子运动的是外部电场，而在太阳能电池中推动和影响p-n结空穴和电子运动的是太阳光子和光辐射热（*）。也就是通常所说的光生伏特效应原理。目前光电转换的效率，也就是光伏电池效率大约是单晶硅1315，多晶硅1113。目前最新的技术还包括光伏薄膜电池。 1839年，法国物理学家aebecquerel在实验室中发现液体的光生伏特效应（由光照射在液体蓄电池的金属电极板上使得蓄电池电路中的伏特表产生微弱变化）至今，在所有能找到的材料中，由单晶硅做成的p-n结光伏电池是光电转换效率最高的材料。 4.3 薄膜太阳能电池结构原理分析光伏发电就是利用半导体技术，直接将太阳光转化为电能。太阳能是一种清洁、高效的可再生能源，能广泛应用于家庭发电系统和大型商业光伏项目等诸多领域。晶体硅是太阳能电池大规模生产中最常用的原材料，通常包括单晶硅和多晶硅。目前晶体硅太阳能电池约占整个太阳能市场90%左右的市场份额。在各类薄膜太阳能电池中，预计能实现规模化生产的是硅基薄膜，cis和cdte，其中cis薄膜太阳能电池制造过程中由于要用到稀有金属硒，使得大规模的生产的成本比较高，而且cis的生产工艺十分复杂，给大规模生产也造成了一定的困难，所以目前时机还未完全成熟。至于cdte薄膜太阳能电池，由于其原材料中的“镉”被证实是一种致癌物质，所以与太阳能电池的绿色能源特性有些许冲突，另外其原材料中的“碲”，价格也比较贵。所以相比来说，硅基薄膜电池更适合大规模化生产。五、太阳电池用晶硅材料 51单晶硅材料 单晶硅材料制造要经过如下过程：石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。 硅主要以sio2形式存在于石英和砂子中。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。该过程能量消耗很高，约为14kwhkg，因此硅的生产通常在水电过剩的地方（挪威，加拿大等地）进行。这样被还原出来的硅的纯度约98一99，称为冶金级硅（mg一si）。大部分冶金级硅用于制铁和制铝工业。目前全世界冶金级硅的产量约为50万吨年。半导体工业用硅占硅总量的很小一部分，而且必须进行高度提纯。电子级硅的杂质含量约10-10以下。典型的半导体级硅的制备过程：粉碎的冶金级硅在硫化床反应器中与hci气体混合并反应生成三氯氢硅和氢气，si3hcisihc13h2。由于sihc13在30以下是液体，因此很容易与氢气分离。接着，通过精馏使sihc13与其它氯化物分离，经过精馏的sihcl3，其杂质水平可低于10-10的电子级硅要求。提纯后的sihc13通过cvd原理制备出多晶硅锭。 基于同样原理可开发出另一种提纯方法，即在硫化床反应器中，用si烷在很小的si球表面上原位沉积出si。此法沉积出的si粉未颗粒只有十分之几毫米，可用作cz直拉单晶的投炉料或直接制造si带。 拉制单晶有cz法（柑祸拉制）和区熔法两种。cz法因使用石英柑蜗而不可避免地引入一定量的氧，对大多数半导体器件来说影响不大，但对高效太阳电池，氧沉淀物是复合中心，从而降低材料少子寿命。区熔法可以获得高纯无缺陷单晶。常规采用内圆切割（id）法将硅锭切成硅片，该过程有50的硅材料损耗，成本昂贵。现在已经开发出多线切割法，可以切出很薄（100pm）的硅片，切割损失小（30），硅片表面切割损伤轻，有利于提高电池效率，切割成本低。52多晶硅材料 由于硅材料占太阳电池成本中的绝大部分，降低硅材料的成本是光伏应用的关键。浇铸多晶硅技术是降低成本的重要途径之一，该技术省去了昂贵的单晶拉制过程，也能用较低纯度的硅作投炉料，材料及电能消耗方面都较省。 （1）铸锭工艺 铸锭工艺主要有定向凝固法和浇铸法两种。定向凝固法是将硅料放在柑塌中加以熔融，然后将柑塌从热场中逐渐下降或从增蜗底部通上冷源以造成一定的温度梯度，使固液界面从柑蜗底部向上移动而形成晶锭。定向凝固法中有一种称为热交换法（hem），在柑祸底部通入气体冷源来形成温度梯度。浇铸法是将熔化后的硅液从增祸中倒入另一模具中凝固以形成晶锭，铸出硅锭呈方形，切成的硅片一般尺寸为10cmxl0cm，平均晶粒尺寸从毫米到厘米。 铸锭法中需要解决的主要问题是：（1）盛硅容器的材质。国为硅熔体冷凝时会牢固地粘附在柑祸的内壁，若两者的膨胀系数不同，硅固化时体积增加9，会使硅锭产生裂纹或破碎。此外，熔化硅几乎能与所有材料起化学反应，因而柑祸对硅料的污染必须控制在太阳级硅所允许的限度以内。（2）晶体结构。用调整热场等方法控制晶体结构，以生长出大小适当（数毫米）的具有单向性的晶粒，并尽量减少晶体中的缺陷，这样才有可能制成效率较高的电池。 近年来，铸锭工艺主要朝大锭的方向发展。技术先进的公司生产的铸锭多在55cmx55cm（锭重150kj左右，目前65cmx65cm（锭重230kj的方形硅锭也已被铸出，铸锭时间在3一43h范围，切片前硅材料的实收率可达到838。大型铸锭炉多采用中频加热，以适应大形硅锭及工业化规模。与此同时，硅锭质量也得到明显的改进，经过工艺优化和柑蜗材质改进，使缺陷及杂质、氧、碳含量减少。在晶体生长中固液界面的形状会影响晶粒结构的均匀性与材料的电性能，一般而言，水平形状的固液界面较好。由于硅锭整体质量的提高，使硅锭的可利用率得到明显提高。 由于铸锭中采用低成本的柑祸及脱模涂料，对硅锭的材质仍会造成影响。近年来电磁法（emc）被用来进行铸锭试验，方法是投炉硅料从上部连续加到熔融硅处，而熔融硅与无底的冷柑涡通过电磁力保持接触，同时固化的硅被连续地向下拉。冷增涡用水冷的铜涡来形成。目前该工艺已铸出截面为220mmx220mm的长硅锭，铸锭的材质纯度比常规硅锭高。生产性的铸锭炉已铸造出500kg的硅锭，锭的截面为350mmx350mm，2 2m长，固化率为1mmmin。固化及冷却时所产生的热应力是影响硅锭质量的主要参数，应不断优化和改进。该法能否正式进入工业化生产仍在实验评估中。 六、太阳能电池片生产制造工艺6.1 一次清洗作业规程1、目的 去除硅片表面的污染物；在硅片表面腐蚀出绒面；络合硅片表面沾污的金属离子。2适用范围 适用于125、156多晶硅片一次清洗工位。清洗制绒（超声波清洗减薄喷淋绒面）（喷淋酸洗喷淋漂洗喷淋甩干）扩散（合片扩散卸片） 刻蚀（叠片上夹具刻蚀插片)洗磷（去磷硅玻璃喷淋甩干）pecvd丝网印刷 丝印1（背极）丝印2（背场）丝印3（栅极）烧结（试烧批量烧结）超声波清洗机械切片以后会在硅片表面形成1040微米的损伤层，且表面有油脂、松香、石蜡、金属离子等杂质。工艺目的；主要是去除油脂、松香、石蜡等杂质。工艺原理；超声振动使油珠滚落，物理去油。条件；去离子水一定量，温度6090，时间1040min。超声波清洗机设备要求：稳定性好，精确度高（温度、时间），操作方便（换水方便）。减薄工艺目的；去除表面损伤层和部分杂质。工艺原理；利用硅在浓naoh溶液中的各向同性腐蚀除去损伤层。 si+2naoh+h2o=na2sio3+2h2工艺条件；生产常用naoh溶液质量分数为20%左右，温度855，时间0.23min 具体据原始硅片的厚度和表面损伤情况而定。绒面目的；制作绒面，减少反射，提升硅片对光吸收效率。原理；利用si在稀naoh溶液中的各向异性腐蚀，在硅片表面形成无数个36微米的金字塔结构，这样光照在硅片表面便会经过多次反射和折射，增加了对光的吸收。条件；生产常用naoh质量分数1%左右，na2sio3 1.5%2%，乙醇或异丙醇每次约加200400ml(50l混合液）。温度855,时间1545min，具体工艺据硅片种类、减薄后厚度和上次生产情况而定。质量目标：绒面后硅片表面颜色深灰无亮点、均匀、气泡印小，无篮脚印、白花等现象。400倍显微镜下大小符合标准，倒金字塔结构均匀酸洗目的；去除硅片表面金属离子和绒面后的残留药液，原理；主要利用的是酸碱中和反应。条件；10%盐酸，时间10min漂洗目的；去除氧化层（sio2）。原理；sio2+6hf=h2sif6+2h2o条件；hf溶液8%10%，时间10min。注清洗工艺每个小环节之后，均需用去离子水将硅片冲洗干净，以免残留药液影响倒下个小环节的正常进行。去离子水是指纯水，指的是将水中的强电解质去除并且将弱电解质去除到一定程度的水。其电阻率越大，电导率约小则级别越高。清洗机设备要求：稳定性好，精确度高，密闭性能好，有抽风装置，便于标准化生产，操作简单安全。烘干目的：烘干。原理：热吹风（75 ）去除硅片表面残留的水。扩散目的；形成pn结。原理；（pocl3液态源高温扩散），pocl3在高温下经过一系列化学反应生成单质p，p在高温下扩散进入硅片表面，与本已经掺b的硅形成pn结。 4pocl3+3o22p2o5+6cl2 2p2o5+5si5sio2+4p 扩散工艺步骤及条件 进舟：速度230280mm/min。通大氮：时间5min， 流量270005000ml/min。通小氮和氧气：时间35min，o2流量40040ml/min，n2流量240040ml/min通大氮和氧气：时间5min，流量270005000ml/min。出舟：速度230280mm/min。温度：800900质量目标：扩散后表面颜色均匀，方块电阻大小一般在405欧姆之间.扩散炉设备要求：精确度高可准确控制反应管的实际工艺温度 和气流量。用于长时间连续工作、高精度、高稳定性、自动控制。 刻蚀目的；去除周边短路环。原理：在辉光放电条件下，cf4和o2生成等离子体，交替对周边作用，使周边电阻增大。 cf4c4+4f- o22o2- f+sisif4 sif4挥发性高，随即被抽走。 工艺条件：cf4o2=101 板流：0.350.4a 板压：1.52kv 压强：80120pa 刻蚀时间：1016min质量目标;刻边电阻大于5k，刻边宽度12mm间。等离子体刻蚀机设备要求：工艺重复性好，刻蚀速度快、均匀性好 。密封性能好、操作安全洗磷目的：去除硅片表面氧化层及扩散时形成的磷硅玻璃(磷硅玻璃是指p2o5与sio2的混合物）。原理：p2o5溶于hf酸 sio2+6hf=h2sif6+2h2o h2sif6可溶于水条件：hf浓度8-10洗磷后需用去离子水将硅片冲洗干净并甩干。 pecvd（等离子体增强化学气相沉积）目的：表面钝化和减少光的反射，降低载流子复合速度和增加光的吸收。原理：硅烷与氨气反应生成氮化硅淀积在硅片表面形成减反射膜。反应过程中有大量的氢离子注入，使硅片中悬挂键饱和，达到表面钝化和体钝化的目的，有效降低了载流子的复合，提高了电池的短路电流和开路电压。sih4+nh3si3n4+10h2pecvd（德）工艺步骤及条件工艺步骤：分17步。进舟慢抽真空快抽真空调压恒温恒压检漏调压淀积淀积淀积抽真空稀释尾气清洗抽真空抽真空充氮退舟。条件：温度480，淀积压强200pa，射频功率1800w，抽空设定压强0.5pa，进出舟设定15%。质量目标：淀积后表面颜色深蓝且均匀。管式pecvd设备要求：管内气氛 均匀、恒温区温度均匀稳定。气路系统、工艺管、真空系统密封可靠，使用安全 。工艺稳定性和重复性好，精确度高，射频频率稳定。丝网印刷目的；印刷电极和背场，使电流能够输出，提升电池转换效率。原理：给硅片表面印刷一定图形的银浆或铝浆，通过烧结后形成欧姆接触，使电流有效输出。正面电极通常印成栅线状，是为了克服扩散层的方块电阻且使光线有较高的透过率。背面电极布满大部分或整个背面，目的是克服由于电池串联而引起的电阻。丝网印刷工艺步骤及要求工艺步骤：背极（银浆） 烘干背场（铝浆） 烘干栅极（银浆) 烘干。要求：背极厚度小于20微米，烘干温度设定160 200。背场厚度2035微米，具体根据片源而定。烘干温度160240，具体根据浆料确定。栅极要求印刷图案完整、清晰、均匀、对称，无 漏浆及较大断线。烘干温度160240，具体据浆料确定。印刷达标的电池片烧结目的：形成烧结合金和欧姆接触及去除背结。原理： 烧结合金是指高温下金属和硅形成的合金，主要有正栅的银硅合金、背场的铝硅合金、背电极的银铝合金。 烧结过程实际上是一个高温扩散过程，是一个对硅掺杂的过程，需加热到铝硅共熔点（577）以上。经过合金化后，随着温度的下降，液相中的硅将重新凝固出来，形成含有少量铝的结晶层，它补偿了n层中的施主杂质，从而得到以铝为受主杂质的p层，达到了消除背结的目的。烧结工艺条件烧结工艺较为灵活，设定时应考虑以下因素：烧结炉的特点，如烧结温区数目，高温区长度，带速设定等等。原始硅片的电阻率。绒面后硅片厚度。扩散后方块电阻印刷背场厚度。太阳能电池的品质要求太阳能电池片的生产尽可能高的转换效率表面状况良好（颜色均匀，图案完整、清晰、对称）。低损耗（硅片破损率低）。弯曲度小。生产高效率电池片应具备的条件工艺有优良的工艺并且与设备匹配。设备稳定性好，维修频率低，日损耗小精确度高，便于标准化生产，操作简单安全，配套设施齐全。环境净化级别达标，避免产品污染。操作按照sop操作，避免污染。原材料及辅助用料用料品质达标。生产管理的需求工艺需求能够不断优化工艺，持续改进。品质需求成本需求安全需求标准化生产的需求操作简单方便的需求保护环境的需求。工艺流程分为硅片检测表面制绒扩散制结去磷硅玻璃等离子刻蚀镀减反射膜丝网印刷快速烧结等。具体介绍如下：一、硅片检测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。该组设备分自动上下料、硅片传输、系统整合部分和四个检测模块。其中，光伏硅片检测仪对硅片表面不平整度进行检测,同时检测硅片的尺寸和对角线等外观参数；微裂纹检测模块用来检测硅片的内部微裂纹；另外还有两个检测模组，其中一个在线测试模组主要测试硅片体电阻率和硅片类型，另一个模块用于检测硅片的少子寿命。在进行少子寿命和电阻率检测之前，需要先对硅片的对角线、微裂纹进行检测，并自动剔除破损硅片。硅片检测设备能够自动装片和卸片，并且能够将不合格品放到固定位置，从而提高检测精度和效率。二、表面制绒单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。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。三、扩散制结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。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成。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pn结。这种方法制出的pn结均匀性好,方块电阻的不均匀性小于百分之十,少子寿命可大于10ms。制造pn结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。因为正是pn结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。四、去磷硅玻璃该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中，通过化学腐蚀法也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。去磷硅玻璃的设备一般由本体、清洗槽、伺服驱动系统、机械臂、电气控制系统和自动配酸系统等部分组成，主要动力源有氢氟酸、氮气、压缩空气、纯水，热排风和废水。氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸与二氧化硅反应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。五、等离子刻蚀由于在扩散过程中，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。六、镀减反射膜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。七、丝网印刷太阳电池经过制绒、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，接触线随刮刀移动而移动，从而完成印刷行程。八、快速烧结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。九、外围设备在电池片生产过程中，还需要供电、动力、给水、排水、暖通、真空、特汽等外围设施。消防和环保设备对于保证安全和持续发展也显得尤为重要。一条年产50mw能力的太阳能电池片生产线，仅工艺和动力设备用电功率就在1800kw左右。工艺纯水的用量在每小时15吨左右，水质要求达到中国电子级水gb/t11446.1-1997中ew-1级技术标准。工艺冷却水用量也在每小时15吨左右，水质中微粒粒径不宜大于10微米，供水温度宜在15-20。真空排气量在300m3/h左右。同时，还需要大约氮气储罐20立方米，氧气储罐10立方米。考虑到特殊气体如硅烷的安全因素，还需要单独设置一个特气间，以绝对保证生产安全。另外，硅烷燃烧塔、污水处理站等也是电池片生产的必备设施。晶体硅太阳能电池的技术解析1.1表面织构 减少入射光学损失是提高电池效率最直接方法。化学腐蚀工艺是最成熟的产业化生产技术，也是行业内最广泛使用的技术，工艺门槛低、产量大；但绒面质量不易控制、不良率高，且减反射效果有限（腐蚀后的反射率一般仍在11%以上），并产生大量的化学废液和酸碱气体，非环境友好型生产方式。反应离子刻蚀技术（rie）是最有发展前景的技术，它首先在硅片表面形成一层mask（掩膜）再显影出表面织构模型，然后再利用反应离子刻蚀方法制备表面织构。用这种方法制备出的减反射绒面非常完美，表面反射率最低可降至0.4，单多晶技术统一，生产工艺与设备都可移植于ic工业，如果生产成本能够进一步降低可望取代化学腐蚀方法而大规模使用。 1.2发射区扩散 pn结特性决定了太阳能电池的性能！传统工艺对太阳能电池表面均匀掺杂，且为了减少接触电阻、提高电池带负载能力表面掺杂浓度较高。但研究发现表面杂质浓度过高导致扩散区能带收缩、晶格畸变、缺陷增加、“死层”明显、电池短波响应差。pn结技术是国际一流电池制造企业与国内电池企业的主要技术差距。为了在提高电池的填充因子的同时避免表面“死层”，选择性扩散发射极电池技术是最有望获得产业化生产的低成本革命性高效电池技术，其技术原理简单且通过现有装备已经在实验室实现，但如何降低制造成本是该技术产业化过程中所面临的主要挑战。目前国内某些大公司对外宣传的超过17.6%以上的高效电池其技术核心均来源于此，相信随着配套装备与辅助材料的及时解决近二年内将会迅速普及与推广。 1.3去边技术 产业化的周边pn结去除方式是等离子体干法刻蚀，该方法技术成熟、产量大，但存在过刻、钻刻及不均匀的现象，不仅影响电池的转换效率，而且导致电池片蹦边、色差与缺角等不良率上升。激光开槽隔离技术根据pn结深度而在硅片边缘开一物理隔离槽，但与国外情况相反，据国内使用情况来看电池效率反而不及等离子体刻蚀技术，因此该方法有待进一步研究。目前行业出现的另外一种技术化学腐蚀去边与背面腐蚀抛光技术集刻蚀与去psg一体，背面绒面的抛光极大降低了入射光的透射损失、提高电池红光响应。该方法工艺简单、易于实现inline自动化生产，不存在“钻刻”与刻蚀不均匀现象，工艺相对稳定，因此尽管配套设备昂贵但仍引起业内广泛关注。 1.4表面减反射膜生长技术 在电池背面生长一层1030nmsin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目前的一个热点课题，由于该技术牵涉到与后面的丝网印刷技术、电极浆料技术及烧结工艺的配合目前尚处于实验研究阶段，但它肯定是今后的一个发展趋势。 匹配封装材料对光谱的折射率定制减反射膜以获得最佳的实际使用效果是光伏企业技术实力的体现！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。 1.5丝网印刷与金属浆料技术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。电极浆料技术进步是提升电池效率的捷径，也是一些实验室技术向产业化转换的关键。硅片厚度不断减薄、电池面积不断增大，如何降低碎片率与电池片的翘曲度成为设备制造厂商与电池制造企业共同关注的焦点问题。设备方面已经出现能适应120um厚度硅片的全自动印刷设备。7、 二十一世纪晶硅电的发展趋势和展望 90年代以来，在可持续发展战略的推动下，可再生能源技术进入了快速发展的阶段。7.1 晶体硅太阳能电池的发展趋势随着我们对半导体材料与光伏技术研究的不断深入，必将会不断诞生一些突破性的技术来巅覆传统、提升太阳能电池的效率、降低系统发电成本，实现光伏发电从补充能源向主流能源的跃进！只是以前这些技术都由国外企业与机构产生。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！ 电池行业是世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。现代工业的发展，一方面加大对能源的需求，引发能源危机；另一方面在常规能源的使用中释放出大量的二氧化碳气体，导致全球性的“温室效应”。为此各国力图摆脱对常规能源的依赖，加速发展可再生能源。作为最理想的可再生能源，太阳能具有“取之不尽，用之不竭”的特点，而利用太阳能发以在发达国家得到了高度重视，电具有环保等优点，而且不必考虑其安全性问题。在能源短缺，环境保护问题日益严重的我国，低成本高效率地利用太阳能尤为重要。7.2 非晶硅薄膜电池 非晶硅薄膜太阳能电池由于其成本优势而具有很大的市场潜力，因此受到投资者青睐。薄膜太阳能电池作为一种新型太阳能电池，由于其原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产，因而具有广阔的市场前景。近年来，以玻璃为基板的非晶硅薄膜太阳能电池凭借其成本低廉、工艺成熟、应用范围广等优势，逐渐从各种类型的薄膜太阳能电池中脱颖而出，在全球范围内掀起了一波投资热潮。大尺寸玻璃基板薄膜太阳能电池投入市场，必将极大地加速光伏建筑一体化、屋顶并网发电系统以及光伏电站等的推广和普及。非晶硅薄膜太阳能电池优势渐显由于晶体硅太阳能电池的成本随着