晶體硅太陽能電池資料

1、晶體硅太陽能電池專業(yè)班級：機械設(shè)計制造及其自動化13秋姓 名:張正紅學(xué) 號:1334001250324報告時間:2015 年12月晶體硅太陽能電池能源己經(jīng)成為越人類面臨著有限常規(guī)能源和環(huán)境破壞嚴重的雙重壓力，摘要：而光能、人們開始急切地尋找其他的能源物質(zhì)，來越值得關(guān)注的社會與環(huán)境問題。 光伏技海洋能以及生物質(zhì)能這些可再生能源無疑越來越受到人們的關(guān)注。風(fēng)能、 光伏市場也得到了快速發(fā)展因此近年來，術(shù)也便隨之形成并快速地發(fā)展了起來， 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)展方向進行了展望。太陽能電池；工作原理；晶體硅；特點；

2、發(fā)展趨勢關(guān)鍵詞：刖百“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)更先進的配套裝備、更廉價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)電成本將會進一步降低，到本世紀中葉將降至4美分/KWh,優(yōu)于傳統(tǒng)的發(fā)電費用。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

3、硅材料成本，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，通過合理的機制建立優(yōu)秀的技術(shù)團隊、 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，太陽能電池結(jié)的 PN工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體 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、錢型半P或鈿等雜質(zhì)元素，就構(gòu)成了導(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，PN型半導(dǎo)體。若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一

4、起，在交界面處便會形成就構(gòu)成了 N結(jié)時，在半導(dǎo)體內(nèi)的原子由PN 結(jié)，并在結(jié)的兩邊形成勢壘電場。當(dāng)太陽光照射空穴對，在勢壘電場的作用下， 電子被驅(qū)-于獲得了光能而釋放電子，產(chǎn)生電子結(jié)的附近形成了與勢壘電場方向 相反從而在型區(qū)，PNN型區(qū)，空穴被驅(qū)向P向型區(qū)之型區(qū)與P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這即光生伏特電動勢，當(dāng)接通外 電路時便有電能輸出。問的薄層產(chǎn)生了電動勢，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、數(shù)百個太陽就是 PN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單晶硅太陽在

5、硅系列太陽能電池中，（一）晶硅電池包括單晶硅和多晶硅， 在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍能電池的轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，技術(shù)也最成熟， 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，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 Eg=1.12eV%見 光范圍內(nèi)，硅的光吸收系數(shù)遠遠低于其它太陽能光電材料，如同樣吸收 95小 200仙10m,而硅太陽電池在150太陽電池只需要以上的太陽光， GaAS5高 性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料以上，m才能有效地吸收太陽能；提高轉(zhuǎn)換效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和和相關(guān)成熟的加工工藝基礎(chǔ)上。致使單晶硅由于受單晶硅材

6、料價格及相應(yīng)繁瑣的電池工藝影響，分區(qū)摻雜工藝。.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，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面 積利用率高。今后，在如何開發(fā)新技術(shù)以得到低價格的

7、多晶硅材料，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)換效率取得重大進展， 漿料及絲網(wǎng)印刷技術(shù)進步最快；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。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、材料的改進及電池結(jié)構(gòu)的改進。成本的下降依賴于現(xiàn)有材料成本的下降、 工藝的簡化及新材料的開發(fā)。組件壽命的提升依

8、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)電的平價上網(wǎng)時間表除了與產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大有關(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。僅靠工藝水平的改進對 電池效率的提升空間已經(jīng)越來越有限，電池效率的進一步提升將依賴新結(jié)構(gòu)、新 異質(zhì)結(jié)電池、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、工藝的建立。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 柵線細化、選擇性擴散、表面鈍化等問題，可以將電池產(chǎn)業(yè)化效率提升23個百分點。為了進一步降低成本、提高效率，各國光伏研究機構(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)研究了近20年的先進電池系列PESC

9、 PERCPERL電池，2001年，PERL電池效率達到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PLUTOfc池，PLUTOfc池的本 質(zhì)即是將實驗室PERL電池進行量產(chǎn)，SE電池可以算是尚德PLUTOt池的一個簡化版，它們都是從PE系列電池演變而來，因為無論是 PESC PERC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、同時產(chǎn)業(yè)化相對容易的前表面結(jié)構(gòu)部分。相對于尚德PLUTOSt PERLM術(shù)的“高仿”電池，中電SE電池可視為“低仿”，如圖2-2 perl電池結(jié)構(gòu)是PERL電池結(jié)構(gòu)圖fb&a

10、mp;r cutlet也圖22 PERL電池結(jié)構(gòu)PERL電池具有高效率的原因在于：(1)電池正面采用“倒金字塔”，這種結(jié)構(gòu)受光效果優(yōu)于絨面結(jié)構(gòu)，具有很低的反 射率，從而提高了電池的短路電流 JSC.淡磷、濃磷的分區(qū)擴散。柵指電極下的濃磷擴散可以減少柵指電極接觸電阻； 而受光區(qū)域的淡磷擴散能滿足橫向電阻功耗小，且短波響應(yīng)好的要求；背面進行定域、小面積的硼擴散 P+區(qū)。這會減少背電極的接觸電阻，又增加 了硼背面場，蒸鋁的背電極本身又是很好的背反射器， 從而進一步提高了電池的 轉(zhuǎn)化效率；(4)雙面鈍化。發(fā)射極的表面鈍化降低表面態(tài)，同時減少了前表面的少子復(fù)合。而背面鈍化使反向飽和電流密度下降，同時光譜

11、響應(yīng)也得到改善；但是這種電池所以不是一個低成本的生產(chǎn)其中涉及到好幾道光刻工藝，的制造過程相當(dāng)繁瑣， 工藝。其他如SunPower公司開發(fā)出一種采用絲網(wǎng)印刷工藝的低成本背面點接觸電池，效率已達22%;三洋公司生產(chǎn)的HIT電池，研發(fā)效率可達23.7%;德國Konstanz ISEC采用n型ZEBRA IBC技術(shù)研發(fā)的雙面電池得到了 21.1%效率，背面的光照 可得到20%額外的輸出功率。太陽電池硅片技術(shù)發(fā)展趨勢是薄片化， 降低硅片厚度是減少硅材料消耗、 降低品 硅太陽電池成本的有效技術(shù)措施，是光伏技術(shù)進步的重要方面。30多年來，太陽電池硅片厚度從70年的450500 pm降低到目前的150180仙

12、m,降低了一 半以上，硅材料用量大大減少，對太陽電池成本降低起到了重要作用， 是技術(shù)進 步促進成本降低的重要范例之一，如圖 2 3普通硅太陽能電池的多種損失機制 顯示了太陽電池硅片厚度的降低。表21太陽電池硅片厚度的降低年份再度*叩1RM用胤噸/ MW姚20世紀州年代450-500>2020世紀80年代40075。162020酰%年代350-40013162008180740127320101500-1M卜10（三）晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的損失機理太陽能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、 載流子輸運、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

13、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，晶體硅太陽電池的光譜敏感最大值沒有與太陽輻射的強度最大值完全重合，在光能臨界值之上一個光量子只 產(chǎn)生一個電子一空穴對，余下的能量又被轉(zhuǎn)換為未利用的熱量， 光的反射引起陽 的1.1仙m對應(yīng)波長大于，Eg=1.12eV如硅的帶隙光中的一部分不能進入電池中。. 光透過，不能被吸收；波長小于1.1 pm的光子能量如果大于Eg, 一個光子只產(chǎn) 生一個電子，多余能量不能利用，以熱的形式損失

14、；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。影響晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的原因主要來自兩個方面，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

15、高濃度的 擴散層在前表面引入大量的復(fù)合中心。止匕外，當(dāng)少數(shù)載流子的擴散長度與硅片的厚度相當(dāng)或超過硅片厚度時，背表面的復(fù)合速度對太陽能電池特性的影響也很明 顯。3普通硅太陽能電池的多種損失機制 2圖一（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，目前正在采用的有效技術(shù)有： 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1左右的工業(yè)生產(chǎn)直拉單晶硅片及鑄 cm3Q 0.5切的聯(lián)系，理論和實踐都證明 目前單晶有向高電阻率發(fā)錠多晶硅片都可以有很好的效果。為了降低光致衰減， 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

16、活性磷濃度、深結(jié)的特點。、先進的金屬化技術(shù)：金屬柵線由不透光的銀顆粒及玻璃體組成。為了降低柵3. 線遮擋造成的電池效率損失，可以縮小細柵的寬度、采用超細主柵或無主柵、背 面接觸、柵線內(nèi)反射、選擇性擴散技術(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到10%以下。目前較為先進的制絨技術(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行干涉從而完全抵消。單晶硅電池一般可以采用TiO2、SiO2、SnO2 ZnS

17、 MgF2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 太陽電池可采用熱氧鈍化、原子氫鈍化，或利用磷、硼、鋁表面擴散進行鈍化。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)生了一個由P區(qū)指向P+l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，形成一個以P+端為正，P端為負的光生電壓，這 個光生電壓與電池結(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。同時由于背電場的存在，使光生載流子受到加速，這

18、也可以看作是增 加了載流子的有效擴散長度，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型硅具有載流子壽命長、制結(jié)后硼氧 反應(yīng)小、電導(dǎo)率好、飽和電流低等。進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。如結(jié)構(gòu)簡單，體積小、 重量輕，便于運輸和安裝；使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠

19、；操作、維護簡單，運行 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，能量密度過低；占地面積大；轉(zhuǎn)換效率低；受氣候影響 大；地域依賴性強；成本高等。盡管其存在上述的不足和缺點，但在當(dāng)今的能源 我們只能去提高技術(shù)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， 經(jīng)行改造。表各抑太陽爵電池技術(shù)比粒太田脆電池村拔最育幃投效率，優(yōu)點就點小枯邪轉(zhuǎn)箱超馬.拽卡虎聲.趙命長威木席妾顯掛切，陽t ,校等九技術(shù)1ft效、裨換覆*校高就率較3晶硅低但也祝晶拿品m薄鬟1工班世定屯片鐘,T藝簡單.轉(zhuǎn)攙飩率百.成本 低中糕定性餐，育光也勁奉自退也向某磊/輒黃成軍處牌，收

20、即期前.糧電件好生產(chǎn)T芭需具優(yōu)化宵世 的桐 J l!.15 CCGJS19.5±0.電沒有光屯敕率表追纏應(yīng)、轉(zhuǎn)鐵率較青、穩(wěn)曳件藝楠單期和京犀定比較W育的元 嗑.H料1期值乏化福CJS CuS電地*擇化拈CdTe電池16 5±«成本比低,茸化鄧校易廣大改模生 聲韶曲有,多晶硅太陽能電池市場份額占而在國內(nèi)單晶硅太陽能電池市場份額占1520%10%左右。70%,非晶硅太陽能電池市場份額占 5%四、晶體硅太陽能電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢 并且會加大為了進一步的適應(yīng)市場的要求，電池板的光電轉(zhuǎn)換率會不斷地提高， 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（

21、全套）所需費用是普通照明燈（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，實現(xiàn)真正意 義的環(huán)保。不難看出太陽能電池在經(jīng)過技術(shù)進步和降低全球太陽能電池產(chǎn)量以年 年以后，2000將成為新世紀的主導(dǎo)能源之一。價格后，均40%左右的速度增長。其中，中國的年增長率則高達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1000倍。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 “三位數(shù)”。在此期間，日本也實現(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）1000010001001(100 2WH ZMI2 20Kt ZDM 工- KKNS 2M>7 IMS 2t092OO8T.中,芟道日 本.產(chǎn)景氈較全擺第200g年，中國的產(chǎn)隼 提出4GW,至孽產(chǎn) ftStjIOGW,佶廿中 國的佛顫巳翅設(shè)4口柏六帔勢CW 2006庠全球尸色骨為 7G