单晶硅电池材料

单晶硅电池材料俞亮周小雄❶硅的介绍❷单晶硅生产流程❸单晶硅太阳能电池的生产流程❹单晶硅太阳能电池的应用【❶】硅的介绍硅材料是半导体行业中最重要且应用最广的元素半导体，是微电子工业和太阳能光伏工业的基础材料。由于硅材料的独特性质，成为现代电子工业和信息社会基础，其发展是20世纪材料和电子领域的里程碑，它的发展和应用直接促进了20世纪全球科技和工业的高速发展，因而被称为进入了“硅时代”。硅具有元素含量含量丰富、化学稳定性好、无环境污染等优点，又具有良好的半导体特性。半导体特性：①添加杂质——导电性能↑②光照↑导电能力↑，光照↓导电能力↓，无光照不导电③温度↑导电能力↑；温度↓导电能力↓单晶硅——硅片——电池片——组件硅材料有多种晶体形式，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅，应用于太阳电池工业领域的硅材料包括直拉单晶硅、薄膜非晶硅、铸造多晶硅、带状多晶硅和薄膜多晶硅，他们有各自的优缺点，其中直拉单晶硅和铸造多晶硅应用最为广泛，占太阳能光电材料的90%左右。石英砂(SiO2)金属级硅（99%左右）焦炭反应作为单晶硅原料的高纯多晶硅三氯氢硅氢还原法硅烷热分解法四氯化硅还原法二氯二氢硅还原法【❷】单晶硅的生产流程高纯多晶硅原料熔化种晶缩颈放肩等径收尾圆柱状单晶硅直拉单晶硅的制备工艺一般工作流程多晶硅的装料→熔化→种晶→缩颈→放肩→收尾太阳能电池的发展历史•1839年法国物理学家贝克勒尔首次发现光伏效应。•1954年美国贝尔实验室制成第一个单晶硅太阳能电池。•1958年我国研制出了首块硅单晶，研发出的电池主要用于空间领域。•70年代末，我国与国际同期开展了砷化镓太阳能电池研究，该电池具有很高的光吸收系数，1999年，2×2cm2电池的转换效率达22％。•1975年宁波、开封先后成立太阳电池厂，电池制造工艺模仿早期生产空间电池的工艺，太阳能电池的应用开始从空间降落到地面。•80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，生产能力由原来的几百KW（千瓦）一下子提升到4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。•1999年，保定天威英利新能源有限公司承建了“多晶硅太阳能电池及应用系统示范工程”项目，2003年12月正式通过国家验收，全线投产，填补了我国不能商业化生产多晶硅太阳能电池的空白。•2002年9月，尚德第一条10MW太阳电池生产线正式投产，产能相当于此前四年全国太阳电池产量的总和，一举将我国与国际光伏产业的差距缩短了15年。•2004年1月19日，中国第一台12对棒多晶硅高效节能大还原炉在中硅高科试验成功，各项技术指标均达到国际先进水平。至此，中国人掌握了由美国、日本、德国等国垄断20余年的多晶硅生产核心技术。•2005年，国内第一个300吨多晶硅生产项目在洛阳中硅建成投产，拉开了中国多晶硅大发展的序幕。•2005年12月14日，无锡尚德在美国纽约证券交易所挂牌，成为中国内地首家在纽交所挂牌上市的民营高科技企业。从此，国内太阳能电池的生产和研发也驶入了快车道。•2007年，我国太阳能电池产量约占世界总产量的三分之一，成为世界第一大太阳能电池生产国。•尽管我国从2007年开始成为世界生产太阳能电池最多的国家，但与国外还有不少的差距。而且，在各种新型太阳能电池的开发上，我们还处在起步的阶段，而国外已经有了很大的发展，因此，我国太阳能电池的发展任重而道远。•目的：增加照射到太阳能电池片表面光的吸收，减少反射。•实现方法：利用酸碱对硅片表面进行腐蚀，在硅片表面腐蚀出“倒金字塔”形状的凹凸，增加光在表面的反射次数从而达到增加光吸收的目的。【❸】单晶硅太阳电池的制造工艺制绒扩散刻蚀二次清洗PECVD丝网印刷烧结测试分选制绒及一次清洗反射+吸收+散射+透射=100%•单晶制绒：NaOH、Na2SiO3、IPA(异丙醇)•清洗：HCl、HF•IPA：消泡剂•Na2SiO3：控制反应速度•HCl：去除硅片表面的金属离子•HF：去除硅片表面的硅酸钠和氧化物单晶硅太阳电池的制造工艺制绒扩散刻蚀二次清洗PECVD丝网印刷烧结测试分选2322H2SiONaOHNaOH2SiOH2SiFHHF6SiO2622•目的：制备PN结•实现方法：通过高温扩散，在p型硅片表面扩散一n层，形成pn结。单晶硅太阳电池的制造工艺制绒扩散刻蚀二次清洗PECVD丝网印刷烧结测试分选扩散制结•POCl3在高温下（600℃），有充足的氧气时，其反应式如下：•生成的P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，其反应式如下：单晶硅太阳电池的制造工艺制绒扩散刻蚀二次清洗PECVD丝网印刷烧结测试分选25223ClOPC600OPOCl4P5SiO5SiO2P252•目的：去除硅片边缘的PN结，防止短路•实现方法：利用辉光放电过程中等离子体所引起的化学反应，产生挥发性的产物对硅的腐蚀特性，达到边缘腐蚀去除周边扩散层的目的单晶硅太阳电池的制造工艺制绒扩散刻蚀二次清洗PECVD丝网印刷烧结测试分选等离子刻蚀磷硅玻璃磷硅玻璃P型硅N型硅N型硅•目的：去除扩散所产生的表面磷硅玻璃层，为PECVD镀膜做准备•实现方法：利用SiO2与HF生成可溶于水的络合物SiF6的性质，用酸使硅片表面的磷硅玻璃溶解单晶硅太阳电池的制造工艺制绒扩散刻蚀二次清洗PECVD丝网印刷烧结测试分选二次清洗PSGN-SiliconP-Silicon•氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸能与二氧化硅作用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。••总反应式为：单晶硅太阳电池的制造工艺制绒扩散刻蚀二次清洗PECVD丝网印刷烧结测试分选][SiFH2HFSiFO2HSiF4HFSiO624242O2H][SiFH6HFSiO2622O2H][SiFH6HFSiO2622•目的：在扩散后的硅片表面沉积一层折射率低于硅片本身折射率的薄层，可以减少光入射到硅片时的表面反射，因此该薄层被称为减反射膜。•实现方法：采用等离子体增强化学气相沉积（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition）技术在电池表面沉积一层氮化硅减反射膜，在成膜的同时还有加氢作用，因此在增强对光的吸收性的同时，对太阳电池起到很好的表面和体内钝化作用，同时提高短路电流和开路电压。单晶硅太阳电池的制造工艺制绒扩散刻蚀二次清洗PECVD丝网印刷烧结测试分选PECVD•等离子体增强化学气相沉积中所发生的化学反应为：•SiH4+NH3=SiN:H+H2单晶硅太阳电池的制造工艺制绒扩散刻蚀二次清洗PECVD丝网印刷烧结测试分选SiO2N-SiliconP-SiliconSiN•目的：在硅片背面制备能够与硅片形成良好欧姆接触的电极。•实现方法：利用丝网印刷技术，所用浆料为银铝浆，在背面刷两条与硅片形成互联焊接的正电极。在以后的高温烧结炉烧结后，与硅片表面形成良好的欧姆接触。•制作过程：浆料搅拌----印刷----烘干单晶硅太阳电池的制造工艺制绒扩散刻蚀二次清洗PECVD丝网印刷烧结测试分选丝网印刷第一道：背电极印刷背电极•目的：通过Al背场的反型作用，将背表面的n层变为p层，从而将背表面的PN结去除•实现方法：通过背表面纯铝浆丝网印刷技术和烧结，可以在硅片的背表面形成一层重掺杂P型层，从而覆盖扩散过程形成的N型掺杂层。重掺杂P型层可以增加p-n结对于光生载流子的收集，提高太阳电池的开路电压，通常称为背表面（电）场。•制作过程：浆料搅拌----印刷----烘干单晶硅太阳电池的制造工艺制绒扩散刻蚀二次清洗PECVD印刷丝网烧结测试分选丝网印刷第二道：背电场印刷背电场•目的：在硅片正面制备能够与硅片形成良好欧姆接触的电极。•实现方法：利用丝网印刷技术，所用浆料为纯银浆，在正表面刷与硅片形成互联焊接的正电极。在以后的高温烧结炉烧结后，与硅片表面形成良好的欧姆接触。正电极包括主栅线和副栅线。•制作过程：浆料搅拌----印刷----烘干单晶硅太阳电池的制造工艺制绒扩散刻蚀二次清洗PECVD丝网印刷烧结测试分选丝网印刷第三道：正电极印刷主栅线副栅线•目的：使得前道工序丝网印刷所制备的电极可以与硅片形成良好的欧姆接触•实现方法：利用烧结炉，在烧结过程中需要烧穿减反射膜层，又不至于使上电极金属烧穿p-n结致使p-n结损坏，同时要使背表面的铝浆与硅片形成良好的金属化。单晶硅太阳电池的制造工艺制绒扩散刻蚀二次清洗PECVD丝网印刷烧结测试分选烧结•目的：将生产的太阳能电池片按照性能结果（转换效率）进行优差分档•实现方法：通过模拟太阳灯光照射到电池片表面测试太阳电池的电性能参数单晶硅太阳电池的制造工艺制绒扩散刻蚀二次清洗PECVD丝网印刷烧结测试分选测试分选单晶硅电池优缺点•优点：结晶完整，自由电子与空穴在内部移动不受限制，产生电子空穴复合几率低，太阳电池效率高。•缺点：将晶棒切割成晶柱的过程中，浪费一半的材料，成本高，价格昂贵。•控制成本方法•提高单晶生长良率与产率。•使用生产废料降低原料使用。•降低线切割成本•发展更薄硅片【❹】太阳能电池的应用太阳能作为一种无污染、用之不竭的新能源，在近几十年来得到的极大的发展。其中以太阳能电池为代表的太阳能利用，使得这种绿色能源在人们生活的能耗中扮演着一个重要的角色。目前，太阳能电池已广泛应用于工业、农业、商业、通信、军事、航天等领域，还包括家用电器以及公用设施。太阳能电池的应用主要可分为3种类型：并网型、离网型和消费类电子产品。太阳能电池的应用举例①通讯：太阳能公用电话亭、太阳能汽车站GPS指示牌、高速公路故障求助电话、太阳能水位远传系统、太阳能测温远传仪器等。②交通：火车道口的太阳能警示信号仪、高速公路护栏上的太阳能护栏灯、江河湖海上的航标灯等③农业及日常生活用品：太阳能洗衣机、太阳能便携电源、太阳能手机充电器、太阳能人体感应路灯、太阳帽上装上太阳能电池板及小型风扇、太阳能电池供电的通风设备、太阳能汽车、太阳能电池草坪灯、公共场所的大型电子钟、太阳能用户系统等【