背电场的作用及制法

1、背场增加背电场是提高电池效率的有效途径。如在p型材料的电池中， 背面增加一层p+浓掺杂层，形成p+-p的结构，那么在p+-p的界面 就产生了一个由p区指向p+的内建电场。假设p+区杂质强电离，那 么这个内建电场的电压为，式中NA+和NA分别为p+区和p区的电离杂质浓度。由于这个内建电场所分离出的光生载流 子的积累，形成一个以p+端为正，p端为负的光生电压，这个光生 电压与电池结构本身的pn结两端的光生电压极性相同，从而提高了 开路电压Voc。另外，由于背电场的存在，使光生载流子受到加速， 这也可以看作是增加了载流子的有效扩散长度，因而增加了这部分少 子的收集几率，短路电流Jsc也就得到提高。另

2、外，背电场的存在 迫使少数载流子远离表面，复合率降低，使暗电流减少。制作背面场的方法较多，如蒸铝烧结、浓硼或浓磷扩散等。其中， 在电池背面采用定域扩散制背场具有较好的优越性，既产生了内建电 场，同时又减少了电极与基体接触面积，使金属与半导体界面的高复 合速率区域大大减少。并且相对于背面全扩散浓掺杂结构，定域掺杂 由于大大减少了浓掺杂面积（一般只占全背面积的12%），所以 也大大降低了背面的表面复合，因而更好地提高了太阳电池的性能。（一） 国内外多晶硅生产的主要工艺技术改良西门子闭环式三氯氢硅氢还原法改良西门子法是用氯和氢合成氯化氢（或外购氯化氢），氯化 氢和工业硅粉在一定的温度下合成三氯氢硅，

3、然后对三氯氢硅 进行分离精馏提纯，提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内进行CVD 反应生产高纯多晶硅。国内外现有的多晶硅厂绝大部分采用此法生产电子级与太阳 能级多晶硅。硅烷烷热分解法硅烷（SiH4）是以四氯化硅氢化法、硅合金分解法、氢化物还原法、硅的直接氢化法等方法制取。然后将制得的硅烷气提纯后在热分解炉生产纯度较高的棒状多晶硅。以前只有日本小松掌握此技术，由于发生过严重的爆炸事故后，没有继续扩大生产。但美国Asimi和SGS公司仍采用硅烷气热分解生产纯度 较高的电子级多晶硅产品。流化床法以四氯化硅、氢气、氯化氢和工业硅为原料在流化床内（沸腾 床）高温高压下生成三氯氢硅，将三氯氢硅再进一步歧化加氢 反

4、应生成二氯二氢硅，继而生成硅烷气。制得的硅烷气通入加有小颗粒硅粉的流化床反应炉内进行连 续热分解反应，生成粒状多晶硅产品。因为在流化床反应炉内 参与反应的硅表面积大，生产效率高，电耗低与成本低，适用 于大规模生产太阳能级多晶硅。唯一的缺点是安全性差，危险性大。其次是产品纯度不高，但基本能满足太阳能电池生产的使用。此法是美国联合碳化合物公司早年研究的工艺技术。目前世界 上只有美国MEMC公司采用此法生产粒状多晶硅。此法比较 适合生产价廉的太阳能级多晶硅。太阳能级多晶硅新工艺技术除了上述改良西门子法、硅烷热分解法、流化床反应炉法三种 方法生产电子级与太阳能级多晶硅以外，还涌现出几种专门生 产太阳能

5、级多晶硅新工艺技术。1）冶金法生产太阳能级多晶硅据资料报导1日本川崎制铁公司采用冶金法制得的多晶硅已 在世界上最大的太阳能电池厂（SHARP公司）应用，现已形 成800吨/年的生产能力，全量供给SHARP公司。主要工艺是：选择纯度较好的工业硅（即冶金硅）进行水平区 熔单向凝固成硅锭，去除硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部 分后，进行粗粉碎与清洗，在等离子体融解炉中去除硼杂质， 再进行第二次水平区熔单向凝固成硅锭，去除第二次区熔硅锭 中金属杂质聚集的部分和外表部分，经粗粉碎与清洗后，在电 子束融解炉中去除磷和碳杂质，直接生成太阳能级多晶硅。2）气液沉积法生产粒状太阳能级多晶硅据资料报导1以日本To

6、kuyama公司为代表，目前10吨试验线在运行，200吨半商业化规模生产线在2005-2006年间投入试运行。主要工艺是：将反应器中的石墨管的温度升高到1500C,流体 三氯氢硅和氢气从石墨管的上部注入，在石墨管内壁1500C高 温处反应生成液体状硅，然后滴入底部，温度回升变成固体粒 状的太阳能级多晶硅。3）重掺硅废料提纯法生产太阳能级多晶硅据美国Crystal Systems资料报导1,美国通过对重掺单晶硅 生产过程中产生的硅废料提纯后，可以用作太阳能电池生产用 的多晶硅，最终成本价可望控制在20美元/Kg以下。本文分析了首都博物馆300kW太阳能光伏系统工程设计中的安装和 并网的技术要点，

7、最终达到了建筑与太阳能光伏系统的系统集成。 1992年6月5日联合国在斯德哥尔摩召开了第一次人类环境会议， 6月13日发表了著名的人类环境宣言，提出了“人类只有一个地 球”。如何改善生存环境、降低能源消耗、提高居住质量成为建筑设 计所面临的首要任务。1太阳能利用是建筑节能的必然趋势目前，全球建筑物自身能耗约占世界总能耗的三分之一左右。因此， 建筑应该是主要的节能领域。节能，就是探讨如何最大限度地减少能量浪费。从使用能源的目的和 方式进行划分，节能可以分成直接节能，广义节能和潜在节能三种类 型。直接节能，指的是减少不合理的需求来节约能耗。例如，白天关路灯， 风管少漏风，下雨不浇花。一句话，直接节

8、能就是根本不应该消耗的 能源坚决不消耗。广义节能，则是指在满足需要的前提下提高能源的利用率，从而减少 应该耗费的那部分能源的消耗。例如，空气热回收设备的利用，保温 墙体材料的应用，光照度的合理调控，生活用水的“二次利用”等。 潜在节能，是把能够利用的能源尽可能地利用起来。例如，美国有些 建筑利用公共走廊地毯下安装的踏板，将人体走路时的重力作用带动 发电机的中心轴，解决走廊等的照明。在可以预期的将来，潜在节能 将有极大的发展。然而，在建筑节能中存在着一种表面化现象。即简单地以能耗费用作 为节能标志。只看建筑运行的一次能耗形式，不考虑这种能耗形式在 制造、以及转换过程的总能耗。譬如，冰蓄冷技术。不

9、仅在它的设备 制造中材料提炼、加工需要能耗，在其运行中由电到冰、由冰到冷的 能量转换过程中都存在着能耗。因而，表面的舒缓高峰电力和电费开 支的多少，并不意味着资源消耗的节省。我们追求的是对全人类而言的总能源的节约。因此，新型能源形式的 弓I进是引发绿色能源革命和绿色建筑革命的交汇点，是节能的主流。 其中将太阳能光伏发电系统应用于建筑就是未来的发展方向，就像石 油形成今天的人类机会一样。太阳能光伏发电系统可以有效地利用建筑物屋顶和幕墙，无需占用宝 贵的土地资源，这对于土地昂贵的城市尤为重要。太阳能光伏发电系 统可原地发电，原地使用，减少了电力输送的线路损耗。由于太阳能 发电板阵列一般安装在屋顶及

10、墙面上直接吸收太阳能，因此太阳能光 伏发电系统同时降低了墙面及屋顶的温升，减轻了建筑的空调负荷， 降低了空调的能耗。太阳能光伏发电系统的各种彩色光伏组件，可以取代和节约昂贵的外 饰材料（如玻璃幕墙等），使建筑物的外观统一协调，美化建筑环境; 太阳能光伏发电系统正是在白天用电高峰期供电，从而舒缓高峰电力 需求，这对于高峰电力紧张地区及无电少电地区更为重要。配备蓄电 池后，太阳能光伏发电系统除了确保自身用电外，还能够满足安全用 电设施的不断电要求。我国政府十分重视太阳能的综合开发与利用。先后将太阳能列入新能 源和可再生能源技术发展的研究开发与利用战略重点。早在1999年 国家有关部门就将开发高效率

11、、低成本的太阳能集热、光伏技术列为 优先发展的高技术产业化重点领域。根据国家19962020年太阳能 光电发展计划，我国2020年的太阳能光电总容量将达到300Mw。 我国从80年代开始实验被动太阳能的热利用。然而，被动太阳能利 用只是简单地直接转换为生活用水的加温，停留在低水平应用层。它 与智能化系统也没有发生什么关系。而太阳能发电技术这个典型的主 动型潜在节能，将会对智能化系统提出更高、更深的技术要求，要求 智能化系统深化与供能设备、发电设备的系统集成，保证整个建筑内 电力的调配和平衡。2首都博物馆新馆的建筑条件 北京市位于北纬36度56分,东经116度20分地区。全年日照2,662 小时

12、，平均标准日照时间为4-5小时。理论上每平方米日照面积可达1,000W能量，属太阳能资源丰富地区。首博新馆作为北京的标志性建筑物，是市政府奥运工程配套项目中的 重点工程。为了更好地将建筑与艺术、建筑与高新技术相结合，配合 北京2008年奥运会，突出“绿色北京、绿色奥运”理念，努力创造绿 色、环保、节能城市整体形象，首都博物馆新馆建设工程业主委员会 在市领导和有关部门的支持下，决定在首博新馆建筑屋顶安装太阳能 光伏发电装置，使首博新馆建设成集节能、环保与高科技为一体的、 充满现代气息的博物馆，具体而形象地表现太阳能资源利用，起到“可 持续发展”的教育示范作用。首博新馆屋顶设计为平顶挑檐结构，有利

13、于太阳能发电板的布置与安 装。根据屋顶平面部分设计，安装太阳能发电板的面积5,000平方米 强、峰值发电量达300kW。3太阳能光伏系统的工程风险建筑是建筑技术与艺术的结晶，在建筑中应用高新技术必须服从建筑 的整体设计理念。首博新馆不是为建设太阳能系统盖一个建筑，而原 来首都博物馆新馆建设任务书中并没有提出安装太阳能系统的要求。目前的建筑设计和结构设计也没有考虑屋面上再架设太阳能电池板 的结构与荷载、根本没有设计安装太阳能电池板的支架接点。从建筑 外观、造型的角度，我们也不希望在屋面上再加出一层太阳能屋面。 因此，太阳能光伏发电系统的结构形式必须服从首博新馆建筑的整体 设计理念、符合首博新馆屋

14、顶结构设计等各种条件要求。而且太阳能 光伏发电系统的安装不能破坏首博新馆建筑造型，不能破坏装饰性屋 面轻盈、通透的艺术风格。太阳能电池板与屋面结合的抗风负荷问题是最大的工程风险。如何解 决太阳能光伏发电板在屋面安装时对屋面负荷、造型的影响等问题， 一直是建设首博太阳能光伏发电系统的核心问题。工程要保证能够成 功地满足功能要求，不能够出事故。尤其不能够出重大事故。一旦刮 下一片太阳能玻璃板就会酿成大祸，甚至出人命！太阳能工程必须保证建筑物的安全，太阳能系统不仅仅要保证自身系 统的安全可靠，同时要确保建筑的安全可靠。必须考虑安装条件和安 装方式、安装强度。包括太阳能光伏电池板在屋面安装时对屋面负荷

15、 的影响问题，包括太阳能电池板自身载荷和抗风能力、抗冰雹冲击等 工程应用问题。以往的太阳能组件安装需要采用平架或者斜撑架安装方式，这种安装 方式不仅会破坏建筑物的完整性和建筑外观造型，而且对屋面防水存 在不利影响。特别是需要承受屋面空气层流所产生的很大的风力。根据气象资料，中国海平面的基本风速，按照30年一遇的10分钟 平均风速统计值可以得到若干城市的风压系数。主要城市北京上海天津济南杭州广州风压 kg/m 235503540605表1、我国主要城市风压表不同高度的风压值与海平面风压之间又有一个风压高度系数KH, 离海平面高度m1020304050陆上风压系数 KH11.251.411.541

16、.63表2、陆上风压系数表当然，建筑屋面不同的建筑形态和结构所产生的空气层流作用是各部 相同的。为了检测首都博物馆新馆屋面的空气动力学特性，特地委托 北京大学进行了专门的风洞试验，按照风洞试验的数据推算，首都博 物馆新馆“屋面的空气层流会产生上下表面压力代数和-2.2以上。”计算结果(屋面升力F)F/m2 = 35kg/m2 x 1.54 x (-2.2) = -118.58kg/m2ZF = -118.58kg/m2 x 5000m2 = 592,900kg 593 T综合上述因素，首都博物馆新馆采用了非晶体柔性太阳能发电板、以 特种粘合剂直接粘贴在屋面板的技术形式。这样既不会影响建筑造 型

17、，也不需要对屋面结构进行重新计算和加固。特别重要的是，以特 种粘合剂直接粘贴在屋面板的技术形式不再存在太阳能发电板和屋 面之间的空气腔，从根本上解决了空气层流作用的发生。另外，在建筑天棚上嵌装太阳能光伏发电板时，一般都需要考虑天棚 屋顶会否产生漏水问题。直接粘贴方式从根本上杜绝了渗漏问题。 常见的以玻璃为基板的太阳能光伏发电板则还有一个玻璃破碎问题。即在极端的气候条件下，常常会有玻璃破碎情况发生。直接粘贴的非 晶体柔性太阳能发电板以不锈钢为基板，不会因为冰雹等自然灾害发 生破碎。当然，采用粘结方式，对粘合剂的性能和粘贴工艺需要特别注意。如 果粘贴当时的屋面自然气温过高或者过低，都会影响到粘贴的

18、牢固 度。而且，所用的粘结剂必须能够经受得住自然气候的变化。不因为 四季变化、日晒和积雪积雨而影响粘结度。平架/斜撑方式粘贴方式抗风能力弱抗风能力强影响屋面造型与屋面一体化易引起渗水等问题不存在渗水问题与屋面材料热膨胀的匹配问题与屋面材料热膨胀的匹配问题4太阳能光伏系统的运行风险根据并网光伏系统是否允许通过供电区的变压器向主电网馈电，分为 可逆流和不可逆流并网光伏发电系统。通常太阳能光伏发电系统有二种不同的运行模式，即根据并网光伏系 统是否与公共电网并网连接，分为目前常见的通过电池储能、与公共 电网分路的“独立供电方式”和与公共电网并联的“并网供电方式”。“独立供电方式”是先将太阳能光伏发电系

19、统所发出的电能储存到电 池组，转换成为化学能。然后从电池组把化学能转换成为直流电，通 过逆变器变换成为交流电独立输出供给低压负载。“独立供电方式” 突出的优点就是发电与用电可以不同步。太阳能光伏发电系统所发出 的电能可以存储起来，不在发电当时使用。或者说，白天发电晚上用。 “并网供电方式”时，太阳能光伏发电系统所发出的直流电无论是否经 过化学电池组，最终通过逆变器变换产生的交流电，或者向电网发送 电能，或者与电网端接同时输出到低压负载。也就是当时发电当时使 用。目前，美国、德国等西方先进国家大多采取，并网供电方式”。而 我国绝大多数还是采用电池储能的“独立供电方式”，太阳能光伏发电 系统发出的

20、电能独立供给负载，不与公共电网连接。前些年上海某幢 大楼曾经打算采用太阳能光伏发电系统“并网供电方式”，但是由于供 电部门担心影响电网的稳定性未予许可，最终未能投入运行。近年来， 北京电力公司会同相关单位在如何保证并网光伏发电系统的安全和 运行管理方面进行了积极的探索，取得了一些经验，在北京地区出现 了多个并网光伏发电系统应用工程。为什么供电部门对并网太阳能光伏发电系统如此谨慎呢？众所周知， “并网供电方式”中太阳能光伏发电系统的逆变器输出与电网并联。而 当一组电源与另一组并联时，必须保持二组电源电压、相位、频率等 电气特性的一致，否则就会产生二组电源相互之间的充放电，造成整 个电源系统的内耗

21、和不稳定。首都博物馆的初衷是利用太阳能光伏发电系统解决博物馆内白天公 共区域的人工照明用电，也就是白天发电白天用，因此，采用并网太 阳能光伏发电系统是最直接、最有效的供能方式。而经过电池的“独 立供电方式”则会增加二次电能-化学能-电能转换损耗。采用“并网供电方式”需要解决得根本问题是，从技术角度保证并网的 太阳能光伏发电系统从电能质量和并网保护等方面采取措施，保证太 阳能光伏系统向本身交流负载提供电能和向公共电网发送电能时的 质量处于始终受控状态，保证在电网低压接入时对外供电网的影响最 小。首先是并网光伏发电系统在与公共电网联接时通过变压器等进行电 气隔离，形成与公共电网市政供电线路之间明显

22、的分界点。并且保证 并网太阳能光伏发电系统的发电容量在上级变压器容量的 20%以内；同时实现直流隔离，使逆变器向电网馈送的直流电流分量不超过 其交流额定值的1%。其次，要使太阳能光伏发电系统的输出电压、相位、频率、谐波和功 率因数等参数在满足实用要求的同时，能够随动公共电网的相关参 数。再就是设置相应的并网保护装置，一旦出现光伏系统和电网发电异常 或故障时，能够自动将光伏系统与电网分离。这里，关键在于太阳能光伏系统的逆变器输出端与公共电网在低压端 并接时，自控装置对公共电网的电压、相位、频率等参数进行采样， 并以采样值实时调整逆变器的输出，保证并网光伏发电系统与公共电 网的同步运行。首都博物馆通过研究太阳能光伏发电系统的电气特性，为了解决太阳 能光伏系统在低压端并网的切换与自动补偿，在太阳能光伏系统中采 取了二方面的措施。首先是在负荷设计上采用三台逆变器和保证多运 行模式下光伏系统三相输出的平衡，取得三相电压的最大不平衡度不 超过4%。另外采用了交流电源跟踪技术。当公共电网供电端的电 压和频率等参数在正常范围内变化时，并网光伏发电系统的输出可跟 踪公共电网的电压和频率、相位等的变化，随时调整其交流输出功率、 交流输出电流（高次谐波）、频率和相位，使之与电网相匹配。光伏系 统的输出电压总谐波畸变率小