任务二：晶硅电池产业链工艺流程

光伏电池制备工艺光伏电池制备的准备任务二·晶硅电池产业链工艺流程•目录•一.相关概念•二.产业链结构•三.主要工艺流程•1.原生多晶硅•2.单晶硅拉制工艺•3.多晶铸锭工艺•4.准单晶工艺•5.电池片生产工艺•四.总结•定义:光伏组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，几乎全部由半导体物料（例如硅）制成的固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗(电池板使用寿命20年以上)。简单的光伏电池可以为手表及计算器提供能源，较复杂的光伏系统可以为房屋提供照明，并入电网供电。太阳能电池太阳能电池晶硅电池多元化合物薄膜电池单晶硅电池多晶硅电池种类非晶硅薄膜电池硫化镉砷化镓铜铟硒薄膜电池多晶硅:是单质硅的一种形态.熔融的单质硅在过冷的条件下凝固时,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,就形成多晶硅.单晶硅：熔融的单质硅在过冷的条件下凝固时,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相同的晶粒,则这些晶粒结合起来,就形成单晶硅.2019/10/37二.产业链结构硅矿石silica太阳能级多晶硅SoG:6~7N工业硅MS-Si1~2N单晶硅棒多晶铸锭化学法：改良西门子冶炼SiO2+C→Si+CO2↑Si+HCl→SiHCl3+H2SiHCl3+H2→Si+HCl铸锭炉直拉或区熔（CZorFZ）准单晶硅锭单晶硅片单晶硅太阳能电池多晶硅片铸锭炉切片机切片机多晶硅太阳能电池太阳能光伏发电系统切片机二.产业链结构1.原生多晶硅三.主要流程介绍2019/10/310三.主要流程介绍⑴三大主要生产方法多晶硅改良西门子法硅烷法冶金法注:前两种方法为化学方法,后一种为物理方法,国内改良西门子法占比95%以上2019/10/311⑵改良西门子法三.主要流程介绍①.主要反应原理：Si+HCl→SiHCl3+H2+SiCl4+SiH2Cl2（三氯氢硅合成炉）SiHCl3+H2→Si+HCl（还原炉）SiCl4+H2→SiHCl3+HCl(氢化炉)四氯化硅还原生产三氯氢硅一直是全球多晶硅生产企业广泛关注的焦点问题，此方法不但处理了副产物四氯化硅，同时还重新得到了生产多晶硅的原料三氯氢硅，氯化氢也可以自身利用，能显著地降低生产成本，各个生产企业都花费了大量的人力物力进行研究。2019/10/312氯化氢硅粉氯化分离冷凝粗馏精馏冷凝还原尾气还原氢净化多晶硅水电解四氯化硅冷凝四氯化硅氢气、三氯氢硅氯化氢三氯氢硅氢还原②改良西门工艺流程三.主要流程介绍2019/10/313③氢化方法：热氢化与冷氢化热氢化技术利用以下反应:2SiCl4+H2﹦2SiHCl3+2HCl反应温度为1200～1250℃,压力范围1.5～2.5个大气压力,三氯氢硅的单程收率大约为17%～20%左右.工艺优点：压力比较缓和,对设备要求低,安全性好,且氢气和四氯化硅比值较小,因此还原炉内四氯化硅浓度较高,保证了还原反应的速率以及充分性,且降低了后期分离的难度.工艺缺点：反应温度高，电耗高，TCS单耗2.2～3KWh/kg，加热片为易耗材料，运行费用较高，有碳污染的可能。三.主要流程介绍2019/10/314热氢化改良西门子法多晶硅生产工艺流程简图三.主要流程介绍2019/10/315冷氢化技术利用以下反应:SiCl4+2H2+3Si→4SiHCl3反应温度为450℃,压力范围1.5～1.8MPa,转化率大约为20%～25%左右.需要催化剂NiO工艺优点：反应温度低，电耗低，TCS单耗≤1KWh/kg工艺缺点：气固反应，操作压力较高，对设备密封性要求高，操作系统较复杂，提纯工作量大。三.主要流程介绍2019/10/316冷氢化改良西门子法多晶硅生产工艺流程简图TCS:三氯化硅STC：四氯化硅DCS：二氯二氢硅2019/10/318（3）硅烷法最终用硅烷热解制得多晶硅的方法其中制备硅烷的方法：硅镁合金工艺、氯硅烷歧化工艺、金属氢化物工艺三.主要流程介绍2019/10/319（4）冶金法工业硅酸洗氧化精炼真空处理凝固精炼太阳能级硅添加Ca去除Ti、Fe除B、C去除P、O、Ca、Al↓↓↓↓三.主要流程介绍2019/10/3201.光伏产业带动多晶硅产业的迅速发展，生产1MW太阳能电池约需要10吨多晶硅，晶体硅材料是主要的光伏材料，其市场占有率在80%以上，而且在今后相当长一段时期，也依然是太阳能的主流材料。2.西门子法是目前多晶硅生产的主流技术，约90%的多晶硅由此技术生产，短期内这种局面不会改变.3.多晶硅生产气体使用情况氮气的消耗量是跟你的工艺设计、用途有关，一般年产一千吨的多晶硅，经验统计，消耗每小时在500～700方，主要是用在尾气、置换气、压料气、擦洗气氩气的消耗主要是硅芯方面小结：三.主要流程介绍2019/10/3212.单晶硅拉制工艺三.主要流程介绍2019/10/322（1）拉制方法及拉制过程：直拉单晶（CZ）和区熔（FZ）化料引晶放肩等径收尾冷却装炉直拉单晶拉制过程图三.主要流程介绍化料引晶放肩等径收尾装炉直拉单晶炉2019/10/324三.主要流程介绍2019/10/325（2）氩气使用情况：整个热场系统，包括两大部分，加热器发热，其它部分主耍是保温、导流，形成一定的温度梯度，使座落在石墨托里的石英坩埚中的熔料能按要求的晶向结晶生长。SiO2﹢2C＝SiC﹢2COSiC﹢SiO2＝SiO﹢CO+SiSiO2→si﹢O2拉制单晶需全程通氩，一边抽空,炉内压力控制在20乇左右。通过合理的热场结构，能迅速带走挥发物。减压有利于sio的挥发及防止co返回熔体，达到降氧和降碳的目的。氩气流量：35-55L/min(联创炉)，投料公斤，耗气量约170立方三.主要流程介绍2019/10/3263.多晶铸锭工艺（1）多晶铸锭炉发展趋势：a装料多b周期短C品质高d功率低三.主要流程介绍2019/10/327（2）工艺周期加热熔化长晶退火冷却出炉1540℃约10-15h1430℃1370℃900℃约4h整个工艺周期三.主要流程介绍加热熔化长晶退火2019/10/329（3）多晶铸锭炉主要生产厂家国外主要厂商：美国GTSOLAR、德国ALD、普法拓普等，其中GT占据中国多晶铸锭炉市场约50%。国内主要厂商：绍兴精工、中电48所、华盛天龙、京运通等三.主要流程介绍氩气主要使用量：不需全程吹氩，450铸锭炉单锭氩气耗量为70～90方2019/10/3304.准单晶工艺（1）准单晶定义：准单晶（MonoLike）是基于多晶铸锭的工艺，在长晶时通过部分使用单籽晶，获得外观和电性能均类似单晶的多晶硅片。三.主要流程介绍2019/10/331（2）籽晶铺设方式三.主要流程介绍（3）工艺线路三.主要流程介绍2019/10/333（4）准单晶产品的优势1.转换效率高于普通多晶，接近直拉单晶电池片18.3%。2.直拉单晶投料量约为100KG，准单晶铸锭投料量达430KG.3.比起普通多晶，组件功率提升明显，单位成本降低。4.可封装250瓦（60片排布），或300瓦（72片排布）的大组件。5.工艺成本上，直拉单晶成本为160元人民币/公斤，准单晶铸锭的成本仅为60人民币/公斤三.主要流程介绍2019/10/334(5)准单晶技术研发要点1.温度梯度改进。针对热场研发以改良温度梯度，同时还要注意热场2.晶种制备。研究发现，准单晶晶种制备方向将朝着超大超薄的方向发展3.精确熔化控制。这一环节非常难以控制，它决定准单晶是否能够稳定生产，因此需要一个与之对应的精准熔化控制设备。据了解，为获得稳定的控制工艺，凤凰光伏开发了一套针对准单晶专用的晶种融化控制设备，可以在0.5mm的时候进入长晶阶段；4.位错密度。在很多生产过程中，效率衰减总是不可避免，为此把位错密度控制到最低，是此项工艺的关键；5.籽晶的重复利用技术6.铸锭良率提升。目前良率大约在40%~60%之间，还有待提高。三.主要流程介绍2019/10/3356.电池片生产工艺硅片检测表面绒面丝网印刷烧结扩散制结去磷硅玻璃镀减反射膜等离子刻蚀三.主要流程介绍硅片检测表面绒面扩散制结去磷硅玻璃等离子刻蚀2019/10/336表面绒面：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。工艺槽提通过氮气鼓泡来搅拌溶液以满足工艺要求，100MW生产线氮气消耗量约24m3/h（1）工艺所需氮气环节三.主要流程介绍•扩散工艺：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。在进舟、升温、稳定、通源、恒温、冷却、出舟过程中氮气消耗量约28m3/h(100MW)三.主要流程介绍•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。•氮气作为动力源之一，消耗量为12m3/h三.主要流程介绍三.主要流程介绍•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。•此工艺消耗的氮气主要是用于抽真空后工作腔内压力平衡和真空泵的氮气保护，氮气消耗量约8m3/h三.主要流程介绍•甩干机氮气耗量：•在清洗制绒和去磷硅玻璃之后都需要使用甩干机，氮气主要用于甩干的过程中将硅片吹干，此过程氮气的消耗量约100m3/h三.主要流程介绍•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设备有四处需要使用氮气：第一是进出舟是需要用氮气吹扫，防止石墨舟被污染，第二是抽真空后平衡工艺管内外压力，第三是稀释尾气中硅烷的浓度，第四是真空泵的氮气保护。•氮气消耗量：约50m3/h三.主要流程介绍•外围设施氮气消耗量:纯水制备系统的的氮气封水箱需要氮气保护、特气系统中，硅烷的氨气气柜的真空发生器需要氮气驱动等环节氮气消耗量在25m3/h.总结：•随着太阳能行业的发展，多晶硅产业已经告别暴利时代，已进入产业过剩时期，在竞争日益激烈的今天，产业结构进入了深度调整期，只有技术领先、管理先进、成本优势明显的太阳能企业才能有机会度过光伏寒冬。作业自己对于太阳能电池的认识以及展望要求：字数不限，以电子稿形式统一发到邮箱[e-mail]延伸可自行百度了解行业动态，禁照抄。