光伏行业基础知识(硅片、电池、组件)

主要内容光伏产品的应用光伏产业链的介绍产业链各环节介绍光伏产品的应用什么是光伏？1839年，法国Becqueral第一次发现，在光照条件下，某些系统的两端具有电压，用导线将两端连接起来后，有电流输出，这就是光生伏特效应（photovoltaics，简称PV）。1954年,贝尔实验室Chapin等人开发出效率为6％的单晶硅太阳电池，现代硅太阳电池时代从此开始。光伏发电的应用神州五号飞船上的太阳能帆板空间站上的太阳能帆板太阳能飞行器太阳能汽车光伏发电的应用光伏发电站光伏发电的应用通过光伏供电的通讯基站太阳能电池充电器光伏发电的应用太阳能路灯光伏发电的应用从2006、2007年全球光伏市场结构来看，欧洲市场占全球份额高居70%以上，日本市场逐渐下降，美国市场稳步攀升，这与各地区的光伏产业政策的扶持力度直接相关。2006年全球光伏市场结构2007年全球光伏市场结构全球光伏市场结构光伏产业链的介绍光伏产业链中国的光伏行业产业链中国的光伏行业产业链产业链各环节介绍（一）硅片硅片硅材料硅片多晶硅硅锭硅片单晶硅硅棒硅片目前晶体硅太阳电池硅片分为单晶硅硅片和多晶硅硅片。单晶硅主要是125×125mm。多晶硅主要是125×125mm和156×156mm两种规格。硅片单晶硅硅片硅片多晶硅硅片硅片外观区别多晶硅硅片相对于单晶硅硅片，有明显的多晶特性，表面有一个个晶粒形状，而单晶硅硅片表面颜色一致。单晶硅硅片因为使用硅棒原因，四角有圆形大倒角，而多晶硅硅片一般采用小倒角。硅片单晶硅硅棒CZ法FZ法多晶硅硅锭浇铸热交换法及（HEM）布里曼法（Bridgeman）电磁铸锭法生产方法硅片CZ法是利用旋转着的籽晶从坩埚中的熔体中提拉制备出单晶的方法，又称直拉法。目前国内太阳电池单晶硅硅片生产厂家大多采用这种技术。多晶硅硅料置于坩埚中经加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶硅锭的拉制。炉内的传热、传质、流体力学、化学反应等过程都直接影响到单晶的生长及生长成的单晶的质量，拉晶过程中可直接控制的参数有温度场、籽晶的晶向、坩埚和生长成的单晶的旋转及提升速率，炉内保护气体的种类、流向、流速、压力等。切克劳斯基法（CZ法）硅片直拉单晶炉及其基本原理示意图硅片区域熔化是对锭条的一部份进行熔化，熔化的部分称为熔区，当熔区从头到尾移动一次后，杂质随熔区移到尾部。利用这种方法可以进行多次提纯，一次一次移动熔区以达到最好的提纯效果，但由于液固相转变温度高，能耗大，多次区熔提纯成本高。区熔法有水平区熔和悬浮区熔，前者主要用于锗提纯及生长锗单晶，硅单晶的生长则主要采用悬浮区熔法，生长过程中不使用坩埚，熔区悬浮于多晶硅棒和下方生长出的单晶之间。由于悬浮区熔时，熔区呈悬浮状态，不与任何物质接触，因而不会被沾污。此外，由于硅中杂质的分凝效应和蒸发效应，可获得高纯单晶硅。目前航天领域用的太阳电池所用硅片主要用这种方式生长。区熔法（FZ）法硅片区熔法生产单晶示意图硅片浇铸法将熔炼及凝固分开，熔炼在一个石英砂炉衬的感应炉中进行，熔融的硅液浇入一个石墨模型中，石墨模型置于一个升降台上，周围用电阻加热，然后以1mm/min的速度下降。其特点是熔化和结晶在两个不同的坩埚中进行，这种生产方法可以实现半连续化生产，其熔化、结晶、冷却分别位于不同的地方，可以有效提高生产效率，降低能源消耗。缺点是因为熔融和结晶使用不同的坩埚，会导致二次污染，此外因为有坩埚翻转机构及引锭机构，使得其结构相对较复杂。浇铸硅片铸造法硅锭炉示意图硅片热交换法及布里曼法都是把熔化及凝固置于同一坩埚中（避免了二次污染），其中热交换法是将硅料在坩埚中熔化后，在坩埚底部通冷却水或冷气体，在底部进行热量交换，形成温度梯度，促使晶体定向生长。下图为一个使用热交换法的结晶。炉示意图该炉型采用顶底加热，在熔化过程中，底部用一个可移动的热开关绝热，结晶时则将它移开以便将坩埚底部的热量通过冷却台带走，从而形成温度梯度。热交换法及布里曼法硅片热交换法及布里曼法热交换法结晶炉炉内结构示意图硅片布里曼法则是在硅料熔化后，将坩埚或加热元件移动使结晶好的晶体离开加热区，而液硅仍然处于加热区，这样在结晶过程中液固界面形成比较稳定的温度梯度，有利于晶体的生长。其特点是液相温度梯度dT/dX接近常数，生长速度受工作台下移速度及冷却水流量控制趋近于常数，生长速度可以调节。实际生产所用结晶炉大都是采用热交换与布里曼相结合的技术。热交换法及布里曼法硅片下图为一个热交换法与布里曼法相结合的结晶炉示意图。图中，工作台通冷却水，上置一个热开关，坩埚则位于热开关上。硅料熔融时，热开关关闭，结晶时打开，将坩埚底部的热量通过工作台内的冷却水带走，形成温度梯度。同时坩埚工作台缓慢下降，使凝固好的硅锭离开加热区，维持固液界面有一个比较稳定的温度梯度，在这个过程中，要求工作台下降非常平稳，以保证获得平面前沿定向凝固。热交换法与布里曼法结合示意图(坩埚移动)硅片热交换法与布里曼法结合示意图(坩埚移动)硅片下图为另一类型的热交换法与布里曼法结合的炉子，这种类型的结晶炉加热时保温框和底部的隔热板紧密结合，保证热量不外泄。开始结晶时，坩埚不动，将石墨加热元件及保温框往上慢慢移动。坩埚底部的热量通过保温框和隔热板间的空隙散发出去，形成温度梯度。热交换法与布里曼法结合示意图(热源及保温框移动)硅片HEM+Bridgeman法示意图(热源及保温框移动)硅片这种方法的特点是不使用坩埚，硅料通过加料装置进入加热区，通过感应加热使硅料熔融，当硅液向下移离开加热区后，结晶生长，如此通过不断加料，不断将结晶好的硅锭往下移，就可以实现连续生长，锭子高度可达1～2m。但用这种方法生产的硅锭晶粒尺寸小，横截面小，因此容量也不大。电磁铸锭法硅片总体来说，单晶和多晶硅锭的生长方法各有所长，单晶的转换效率高，但产能低、能耗大；多晶的转换效率相对较低，但能耗低、产能大，适合于规模化生产。单晶的FZ及CZ方法与多晶定向凝固生长方法的比较如下表所示。单晶和多晶硅锭的生长方法比较硅片单晶和多晶硅锭的生长方法比较硅片多晶硅硅片加工工艺流程硅片硅片生产相关设备硅片破锭硅片硅片切割硅片1、型号（P型和N型，P型多晶硅是掺B，N型多晶硅是掺P）2、电阻率3、少数载流子寿命4、硅片边长5、对角线长度6、倒角7、厚度8、总厚度变化硅片性能参数硅片周期表中III或V族元素,如硼（B）、磷（P）等电离能低，对电导率影响显著,作掺杂剂P型掺硼（受主），N型掺磷（施主）I副族和过渡金属元素,如Fe、Zn、Mn、Cr等电离能高，起复合中心的作用破坏PN结特性，少子寿命降低，转换效率下降碳、氧、氮等形成化合物,结晶缺陷,性能不均匀，硅片变脆硅片中杂质的行为硅片杂质元素浓度对电池转换效率的影响产业链各环节介绍（二）电池电池单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池多晶硅太阳电池与单晶硅太阳电池的最大差别在于硅片，多晶硅片是许多硅晶粒的集合体晶体硅太阳电池背面电极正面电极减反射膜pn结n型硅p型硅背面电极正面电极减反射膜pn结n型硅p型硅正面电极减反射膜pn结n型硅p型硅正面和背面的金属电极用来收集光激发的自由电子和空穴，对外输出电流；减反射薄膜的作用是减小入射太阳光的反射率；pn结的作用是将光激发的自由电子输送给n型硅，将自由空穴输送给p型硅。晶体硅太阳电池结构电池单晶硅的晶体结构。单晶硅体内的每个硅原子（Si）最近邻有四个Si原子。未掺杂的硅称为本征硅。掺磷原子（P）掺硼原子（B）P杂质原子最外层的电子数比硅原子多一个。P杂质原子多余的电子很容易挣脱原子核的束缚，成为自由移动的电子。掺P杂质的Si半导体主要依靠电子导电，称为n型Si，P杂质称为施主杂质。B杂质原子最外层的电子数比硅原子少一个，相当于B杂质原子最外层多了一个空穴。在常温条件下，B杂质原子多余的空穴很容易挣脱原子核的束缚。掺B杂质的Si半导体主要依靠空穴导电，称为p型Si，B杂质称为受主杂质。pn结电池＋＋＋＋－－－－pn结Si原子P杂质B杂质电子空穴内建电场n型硅中有数量较多的电子，p型硅中有数量较多的空穴。当n型硅和p型硅结合在一起后，n型硅中有部分电子往p型硅中扩散，p型硅中有部分空穴往n型硅中扩散，使得n型硅在交界处附近留下带正电的离子实，p型硅在交界处附近留下带负电的离子实。这两种离子实在交界处附近的区域内产生电场，称为内建电场，电场方向由n型硅指向p型硅。n型硅和p型硅交界处附近的区域称为pn结。pn结电池p型半导体n型半导体电子空穴pn结p型半导体p型半导体n型半导体n型半导体电子空穴pn结光生伏特效应电池阳光阳光阳光＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－阳光阳光＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－在太阳光的照射下，硅片中激发出自由电子和自由空穴。自由电子和空穴扩散到p-n结附近，受到内建电场的作用，电子往n型硅中漂移，空穴往p型硅中漂移。电子带负电，空穴带正电。漂移到n型硅中电子使n型硅带多余的负电荷，对外表现出负电性；漂移到p型硅中的空穴使p型硅带多余的正电荷，对外表现出正电性。n型硅和p型硅之间对外具有一定的电势差，称为光生电压或者光生电动势。光生伏特效应电池当太阳光照射到太阳电池表面时，由于光生伏特效应，太阳电池的正面电极和背面电极之间产生光生电压，用金属导线接上电灯、电器等负载，可为这些负载提供电流。太阳电池工作原理电池化学表面处理磷扩散周边及背结刻蚀PECVD丝网印刷烧结分档测试化学表面处理磷扩散周边及背结刻蚀PECVD丝网印刷烧结分档测试晶体硅太阳电池生产的工艺流程电池硅片机械损伤层约10微米清洗硅片机械损伤层约10微米清洗在硅片的切割生产过程中会形成厚度达10微米左右的损伤层，且可能引入一些金属杂质和油污。如果损伤层去除不足，残余缺陷在后续的高温处理过程中向硅片深处继续延伸，会影响到太阳电池的性能。晶体化学表面处理（清洗制绒）电池电池清洗的目的：清除硅片表面的机械损伤层；清除表面油污和金属杂质；形成起伏不平的绒面，减小太阳光的反射。晶体化学表面处理（清洗制绒）单晶硅片的清洗采用碱液腐蚀的技术，碱液与硅反应生成可溶于水的化合物，同时在表面形成“金字塔”状的绒面结构。多晶硅片的清洗则采用酸液腐蚀技术，酸液与硅反应生成可溶于水的化合物，同时形成的绒面结构是不规则的半球形或者蚯蚓状的“凹陷”。晶体化学表面处理（清洗制绒）电池由于绒面结构的存在，入射光经绒面第一次反射后，反射光并非直接入射到空气中，而是遇到邻近绒面，经过邻近绒面的第二次甚至第三次反射后，才入射到空气中，这样对入射光就有了多次利用，从而减小了反射率。表面没有绒面结构的硅片对入射光的反射率大于30%，有绒面结构的硅片对入射光的反射率减小到了12%左右。晶体化学表面处理（清洗制绒）电池清洗设备电池p型硅片石英炉磷化合物分子磷原子n型硅p型硅p型硅片石英炉磷化合物分子磷原子n型硅p型硅磷扩散电池电池把p型硅片放在一个石英容器内，同时将含磷的气体通入这个石英容器内，并将此石英容器加热到一定的温度，这时施主杂质磷可从化合物中分解出来，在容器内充满着含磷的蒸汽，在硅片周围包围着许许多多的含磷的分子。磷化合物分子附着到硅片上生成磷原子。由于硅片的原子之间存在空隙，使磷原子能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。如果扩散进去的磷原子浓度高于p型硅片原来受主杂质浓度，就使得p型硅片靠近表面的薄层转变成为n型。n型硅和p型硅交界处就形成了pn结。磷扩散电池磷扩散的目的：制备太阳电池的核心－－pn结；吸除硅片内部的部分金属杂质。磷扩散电池磷扩散的方法三氯氧磷（POCl3）液态源扩散喷涂磷酸水溶液后链式扩散丝网印刷磷浆料后链式扩散目前行业上普遍采用第一种方法，这种方法具有生产效率较高，得到的pn结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，非常适合制作大面积的太阳电池。磷扩散管式扩散炉磷扩散电池扩散后的硅