晶體硅太陽能電池

1、晶體硅太陽能電池專業(yè)班級：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化13秋姓名：張正紅學(xué)號：1334001250324報(bào)告時(shí)間：2015年12月晶體硅太陽能電池摘要：人類面臨著有限常規(guī)能源和環(huán)境破壞嚴(yán)重的雙重壓力，能源己經(jīng)成為越來越值得關(guān)注的社會與環(huán)境問題。人們開始急切地尋找其他的能源物質(zhì)，而光能、風(fēng)能、海洋能以及生物質(zhì)能這些可再生能源無疑越來越受到人們的關(guān)注。光伏技術(shù)也便隨之形成并快速地發(fā)展了起來，因此近年來，光伏市場也得到了快速發(fā)展并取得可喜的成就。本文主要就晶體硅太陽能電池發(fā)電原理及關(guān)鍵材料進(jìn)行介紹，并對晶體硅太陽能電池及其關(guān)鍵材料的市場發(fā)展方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：太陽能電池；工作原理；晶體硅；特點(diǎn)；發(fā)展趨

2、勢前言開發(fā)太陽能，造福全人類”人類這一美好的愿景隨著硅材料技術(shù)、半導(dǎo)體工業(yè)裝備制造技術(shù)以及光伏電池關(guān)鍵制造工藝技術(shù)的不斷獲得突破而離我們的現(xiàn)實(shí)生活越來越近！近 20 年來，光伏科學(xué)家與光伏電池制造工藝技術(shù)人員的研究成果已經(jīng)使太陽能光伏發(fā)電成本從最初的幾美元/KWh 減少到低于 20 美分/KWh。而這一趨勢通過研發(fā)更新的工藝技術(shù)、開發(fā)更先進(jìn)的配套裝備、更廉價(jià)的光伏電子材料以及新型高效太陽能電池結(jié)構(gòu)，太陽能光伏（PV）發(fā)電成本將會進(jìn)一步降低，到本世紀(jì)中葉將降至 4 美分/KWh,優(yōu)于傳統(tǒng)的發(fā)電費(fèi)用。大面積、薄片化、高效率以及高自動化集約生產(chǎn)將是光伏硅電池工業(yè)的發(fā)展趨勢。通過降低峰瓦電池的硅材料成

3、本， 通過提升光電轉(zhuǎn)換效率與延長其使用壽命來降低單位電池的發(fā)電成本，通過集約化生產(chǎn)節(jié)約人力資源降低單位電池制造成本，通過合理的機(jī)制建立優(yōu)秀的技術(shù)團(tuán)隊(duì)、避免人才的不合理流動、充分保證技術(shù)上的持續(xù)創(chuàng)新是未來光伏企業(yè)發(fā)展的核心競爭力所在！一、晶體硅太陽能電池工作原理太陽能電池是一種把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器， 太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體 PN 結(jié)的光生伏特效應(yīng)。在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目相等。如果在硅晶體中摻入能夠俘獲電子的硼、鋁、錢或鈿等雜質(zhì)元素，就構(gòu)成了 P 型半導(dǎo)體，如果在硅晶體中摻入能夠釋放電子的磷、神或睇等雜質(zhì)元素，就構(gòu)成了 N 型半導(dǎo)體。若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在

4、交界面處便會形成 PN結(jié)，并在結(jié)的兩邊形成勢壘電場。當(dāng)太陽光照射 PN 結(jié)時(shí)，在半導(dǎo)體內(nèi)的原子由于獲得了光能而釋放電子，產(chǎn)生電子-空穴對，在勢壘電場的作用下，電子被驅(qū)向 N 型區(qū)，空穴被驅(qū)向 P 型區(qū)，從而在 PN 結(jié)的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場的一部分抵銷勢壘電場，其余使得在 N 型區(qū)與 P 型區(qū)之間的薄層產(chǎn)生了電動勢，即光生伏特電動勢，當(dāng)接通外電路時(shí)便有電能輸出。這就是 PN結(jié)接觸型單晶硅太陽能電池發(fā)電的基本原理。若把幾十個(gè)、數(shù)百個(gè)太陽能電池單體串聯(lián)、并聯(lián)起來， 組成太陽能電池組件， 在太陽光的照射下， 便可獲得輸出功率相當(dāng)可觀的電能。二、晶硅太陽能電池特點(diǎn)（一）晶硅

5、電池包括單晶硅和多晶硅，在硅系列太陽能電池中，單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的， 技術(shù)也最成熟， 在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍舊占據(jù)主導(dǎo)地位。雖然晶體硅太陽能電池被廣泛應(yīng)用，但晶體硅的禁帶寬度 Eg=1.12eV,太陽能光電轉(zhuǎn)換理論效率相對較低；硅材料是間接能帶材料，在可見光范圍內(nèi)，硅的光吸收系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它太陽能光電材料，如同樣吸收 95%以上的太陽光，GaAS 太陽電池只需要 510pm,而硅太陽電池在 150200 小 m 以上，才能有效地吸收太陽能； 高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)成熟的加工工藝基礎(chǔ)上。提高轉(zhuǎn)換效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。由于受單

6、晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本據(jù)高不下；硅太陽電池尺寸相對較小，若組成光伏系統(tǒng)，要用數(shù)十個(gè)相同的硅太陽電池連接起來，造成系統(tǒng)成本較高。這些因素嚴(yán)重影響了其廣泛應(yīng)用。為解決單晶硅太陽能電池的制造過程復(fù)雜、能耗大的缺點(diǎn)，用澆鑄法或晶帶法制造的多晶硅太陽能電池的開發(fā)取得了進(jìn)展。但是多晶硅材料質(zhì)量比單晶硅差，有許多品界存在，電池效率比單晶硅低； 晶向不一致， 表面織構(gòu)化困難。 但多晶硅太陽能電池經(jīng)過不斷的努力，目前其能量轉(zhuǎn)換效率與單晶硅太陽能電池已基本上在同一個(gè)數(shù)量級。 特別是多晶硅電池可以制成方形，在制作太陽能電池組件時(shí)面積利用率高。今后，在如何開發(fā)新技術(shù)以得到低價(jià)格的多晶硅材

7、料， 如何得到高效率、 大面積多晶硅太陽能電池等方面還有許多工作可做。（二）晶硅太陽能的發(fā)展趨勢高效電池是光伏的突圍之匙，近年來晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率取得重大進(jìn)展，漿料及絲網(wǎng)印刷技術(shù)進(jìn)步最快； 但隨之而來的是銀的消耗日益突出， 其成本已占到電池成本的 17%左右，如圖21為量產(chǎn)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。2520151050單晶硅多晶硅非晶硅儲化錨銅鈿硒圖21量產(chǎn)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率晶體硅電池發(fā)展的趨勢是低成本、高效率，這是光伏技術(shù)的發(fā)展方向。低成本的實(shí)現(xiàn)途徑包括效率提高、成本下降及組件壽命提升三方面。效率的提高依賴工藝的改進(jìn)、材料的改進(jìn)及電池結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。成本的下降依賴于現(xiàn)有材料成本的下降、工藝的

8、簡化及新材料的開發(fā)。組件壽命的提升依賴于組件封裝材料及封裝工藝的改善。因而，晶體硅電池發(fā)電的平價(jià)上網(wǎng)時(shí)間表除了與產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大有關(guān)外，最重要的依賴于產(chǎn)業(yè)技術(shù)（包括設(shè)備和原材料）的改進(jìn)。僅靠工藝水平的改進(jìn)對電池效率的提升空間已經(jīng)越來越有限，電池效率的進(jìn)一步提升將依賴新結(jié)構(gòu)、新工藝的建立。具有產(chǎn)業(yè)化前景的新結(jié)構(gòu)電池包括選擇性發(fā)射極電池、異質(zhì)結(jié)電池、背面主柵電池及 N 型電池等。這些電池結(jié)構(gòu)采用不同的技術(shù)途徑解決了電池的柵線細(xì)化、選擇性擴(kuò)散、表面鈍化等問題，可以將電池產(chǎn)業(yè)化效率提升 23 個(gè)百分點(diǎn)。為了進(jìn)一步降低成本、提高效率，各國光伏研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)商不斷改善現(xiàn)有技術(shù)，開發(fā)新技術(shù)。如新南威爾士大學(xué)研

9、究了近 20 年的先進(jìn)電池系列 PESGPERCPERL 電池，2001 年，PERL 電池效率達(dá)到 24.7%,接近理論值，是迄今為止的最高記錄。后來由此衍生了南京中電的 SE 電池與尚德的 PLUTOt 池，PLUTCfc 池的本質(zhì)即是將實(shí)驗(yàn)室 PERL電池進(jìn)行量產(chǎn)，SE 電池可以算是尚德 PLUTOt 池的一個(gè)簡化版，它們都是從 PE 系列電池演變而來，因?yàn)闊o論是 PESCPERC 還是 PERL 電池均含有 SE 電池最典型的選擇性發(fā)射極技術(shù)，SE 技術(shù)只選取 PE 系列收益最明顯、同時(shí)產(chǎn)業(yè)化相對容易的前表面結(jié)構(gòu)部分。相對于尚德 PLUTOOtPERLM術(shù)的“高仿”電池，中電 SE 電

10、池可視為“低仿”，如圖2-2PERL電池結(jié)構(gòu)是PERL電池結(jié)構(gòu)圖。FITaxitoa2020酰的怵4M-450167029跳W靴35040013-162008ISO*-24012-132010150780202080-100870（三）晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的損失機(jī)理太陽能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、載流子輸運(yùn)、載流子收集的限制?，F(xiàn)有的影響太陽能電池效率的因素主要有電學(xué)損失和光學(xué)損失，光學(xué)損失主要是表面反射、遮擋損失和電池材料本身的光譜效應(yīng)特性；電量轉(zhuǎn)換損失包括載流子損失和歐姆損失。太陽光之所以僅有很少的百分比轉(zhuǎn)換為電能， 原因歸結(jié)于不管是哪一種材料的太陽能電池都不能將全部的太陽光轉(zhuǎn)換為電流，晶體

11、硅太陽電池的光譜敏感最大值沒有與太陽輻射的強(qiáng)度最大值完全重合， 在光能臨界值之上一個(gè)光量子只產(chǎn)生一個(gè)電子一空穴對，余下的能量又被轉(zhuǎn)換為未利用的熱量，光的反射引起陽光中的一部分不能進(jìn)入電池中。如硅的帶隙 Eg=1.12eV,對應(yīng)波長大于 1.1 小的光透過， 不能被吸收； 波長小于 1.1pm 的光子能量如果大于 Eg,一個(gè)光子只產(chǎn)生一個(gè)電子，多余能量不能利用，以熱的形式損失；硅表面反射率 35%,造成較大的反射損失；其他如二極管非線性損失、復(fù)合損失、接觸電阻損失都造成硅電池效率的下降。對于單晶硅硅太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率的理論最高值是 28%。只有盡量減少損失才能開發(fā)出效率足夠高的太陽能電池。影響

12、晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的原因主要來自兩個(gè)方面，如圖 2-3 所示：（1）光學(xué)損失，包括電池前表面反射損失、接觸柵線的陰影損失以及長波段的非吸收損失。（2）電學(xué)損失，它包括半導(dǎo)體表面及體內(nèi)的先生載流子復(fù)合、半導(dǎo)體和金屬柵線的接觸電阻，以及金屬和半導(dǎo)體的接觸電阻等的損失。這其中最關(guān)鍵的是降低先生載流子的復(fù)合，它直接影響太陽能電池的開路電壓。 光生載流子的復(fù)合主要是由于高濃度的擴(kuò)散層在前表面引入大量的復(fù)合中心。止匕外，當(dāng)少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度與硅片的厚度相當(dāng)或超過硅片厚度時(shí)，背表面的復(fù)合速度對太陽能電池特性的影響也很明顯。（四）提高晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的方法圍繞提高晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，目前正

13、在采用的有效技術(shù)有：1、優(yōu)化晶體硅材料：太陽電池的效率與硅材料的電阻率及少子壽命有著極其密切的聯(lián)系，理論和實(shí)踐都證明 0.53Qcm 左右的工業(yè)生產(chǎn)直拉單晶硅片及鑄錠多晶硅片都可以有很好的效果。為了降低光致衰減，目前單晶有向高電阻率發(fā)展的趨勢。2、高方阻技術(shù)：采用均勻高方阻技術(shù)，高方阻 PN 結(jié)具有高表面活性磷濃度、低非活性磷濃度、深結(jié)的特點(diǎn)。3、先進(jìn)的金屬化技術(shù)：金屬柵線由不透光的銀顆粒及玻璃體組成。為了降低柵線遮擋造成的電池效率損失，可以縮小細(xì)柵的寬度、采用超細(xì)主柵或無主柵、背面接觸、柵線內(nèi)反卜rentSidr0a1h11ghlSimlrervntaihm-TPnk圖 23 普通硅太陽能電

14、池的多種損失機(jī)制射、選擇性擴(kuò)散技術(shù)、激光刻槽埋柵電池。4、光陷阱結(jié)構(gòu)：一般高效單晶硅電池采用化學(xué)腐蝕制絨技術(shù)，制得絨面的反射率可達(dá)到 10%以下。目前較為先進(jìn)的制絨技術(shù)是反應(yīng)等離子蝕刻技術(shù)（RIE）,該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是和晶硅的晶向無關(guān)，適用于較薄的硅片。5、減反射膜：它的基本原理是位于介質(zhì)和電池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光產(chǎn)生的各級反射相互間進(jìn)行干涉從而完全抵消。單晶硅電池一般可以采用 TiO2、SiO2、SnO2ZnSMgF2 單層或雙層減反射膜。在制好絨面的電池表面上蒸鍍減反射膜后可以使反射率降至 2%左右。6、鈍化層：鈍化工藝可以有效地減弱先生載流子在某些區(qū)域的復(fù)合。一般高效太陽電池

15、可采用熱氧鈍化、原子氫鈍化，或利用磷、硼、鋁表面擴(kuò)散進(jìn)行鈍化。7、增加背場：如在 P 型材料的電池中，背面增加一層 P+濃摻雜層,形成 P+/P 的結(jié)構(gòu)，在 P+/P 的界面就產(chǎn)生了一個(gè)由 P 區(qū)指向 P+勺內(nèi)建電場。由于內(nèi)建電場所分離出的先生載流子的積累，形成一個(gè)以 P+端為正，P 端為負(fù)的光生電壓，這個(gè)光生電壓與電池結(jié)構(gòu)本身的 PN 結(jié)兩端的光生電壓極性相同，從而提高了開路電壓 Voc。同時(shí)由于背電場的存在，使光生載流子受到加速，這也可以看作是增加了載流子的有效擴(kuò)散長度，因而增加了這部分少子的收集幾率，短路電流 Jsc也就得到提高。8、改善襯底材料：選用優(yōu)質(zhì)硅材料，如 N 型硅具有載流子壽

16、命長、制結(jié)后硼氧反應(yīng)小、電導(dǎo)率好、飽和電流低等。進(jìn)一步提高硅電池效率的一些技術(shù)方法有1.電池背表面的鈍化和PERCfc術(shù)2.三氧化二鋁膜對 P 型表面的鈍化 3.增加光譜的吸收范圍 4.用離子注入來改善發(fā)射結(jié)的性能等。三、晶體硅太陽能電池發(fā)電的特點(diǎn)與風(fēng)力發(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電等發(fā)電技術(shù)相比， 太陽能發(fā)電是最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的發(fā)電技術(shù)，故晶體硅太陽能電池發(fā)電具有很多優(yōu)點(diǎn)。如結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕，便于運(yùn)輸和安裝；使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠；操作、維護(hù)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠；太陽能資源取之不盡用之不竭，且隨處可得，可就近供電等。當(dāng)然，其也有它的不足和缺點(diǎn)，能量密度過低；占地面積大；轉(zhuǎn)換效率低；受氣候影

17、響大；地域依賴性強(qiáng)；成本高等。盡管其存在上述的不足和缺點(diǎn)，但在當(dāng)今的能源和環(huán)境條件下， 發(fā)展這樣的可再生能源利用是勢不可擋的， 我們只能去提高技術(shù)經(jīng)行改造。麥1各種大廉電池技術(shù)怵太陽能電池旅最高懶解%優(yōu)點(diǎn)單晶624.70.5轉(zhuǎn)換率高、技術(shù)唐樂壽命長成本高部曲長聃、技搬阪轉(zhuǎn)換群較高魅睜晶挑但也極高145（嬲聞J12.8便定網(wǎng)；重量輕、工藝簡氧轉(zhuǎn)獺率氤成木穩(wěn)定性差、有觸效率棘多晶璃雕16砒4成林愿螂較高,卷定的眇工藝需要雕熱的翩悔（CGIS）19,5垃6腦蜒效糕退就機(jī)轉(zhuǎn)換率技航虢性蛇工前單錮神聊域稀有標(biāo)索、蝌版貶商化霸冊屯帆mCdTe電池16,5卻5群債也嗨林打大颼生產(chǎn)期毒而在國內(nèi)單晶硅太陽能電池

18、市場份額占 1520%,多晶硅太陽能電池市場份額占 70%,非晶硅太陽能電池市場份額占 5%10%左右。四、晶體硅太陽能電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢為了進(jìn)一步的適應(yīng)市場的要求， 電池板的光電轉(zhuǎn)換率會不斷地提高， 并且會加大系統(tǒng)容量，以滿足大功率室外照明燈的要求。目前，一套太陽能照明燈（全套）所需費(fèi)用是普通照明燈（全套）的幾倍，大大地影響了太陽能照明的推廣使用，而隨著技術(shù)的不斷提高，其成本也會逐漸地降下來。同時(shí)延長蓄電池等器件的壽命，從而延長太陽能照明系統(tǒng)的壽命；減小電池板、 蓄電池等的體積， 美化桿型。 人們也會逐步淘汰嚴(yán)重污染的鉛酸蓄電池、 Ni-Cd蓄電池等，加快開發(fā)研制無污染蓄電池，實(shí)現(xiàn)真正

19、意義的環(huán)保。不難看出太陽能電池在經(jīng)過技術(shù)進(jìn)步和降低價(jià)格后，將成為新世紀(jì)的主導(dǎo)能源之一。2003 以后，全球太陽能電池產(chǎn)量以年均 40%左右的速度增長。其中，中國的年增長率則局達(dá) 100%以上。2008 年，中國超過了之前一直居全球市場份額首位的日本，成為全球第一大生產(chǎn)國。100%的年增長率，意味著每年產(chǎn)量都翻倍，10 年將達(dá) 1000。用圖表表示這一增長速度，需要使用對數(shù)軸。中國的太陽能電池產(chǎn)量增長率在 2001 年以后的 8 年內(nèi)超過了主位數(shù)”。在此期間，日本也實(shí)現(xiàn)了一位數(shù)增長，但從對數(shù)圖表上看，二者的差別十分明顯（圖 1）。圖 1:迅速崛起至全球首位的中國太陽能電池產(chǎn)量而作為最主要的光伏制造商，中國在世界光伏市場中幾乎完全缺席。但是，隨著總數(shù)達(dá) 12GW 的項(xiàng)目開始籌備，中國將有望迅速成為亞洲和世界的主要市場。高日照時(shí)長和電力需求激增，使得中國光伏潛力巨大，但如何發(fā)展主要取決于政府決定。根據(jù)中國 2009 年能源計(jì)劃，2020 年光伏發(fā)電至少達(dá)到 20GW,但實(shí)施細(xì)節(jié)和路線一直含糊不清，同時(shí) FIT 仍未公布。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示 2012 年