多晶硅太陽(yáng)能電池

第第頁(yè)多晶硅太陽(yáng)能電池多晶硅太陽(yáng)能電池兼具單晶硅電池的高轉(zhuǎn)換效率和長(zhǎng)壽命以及非晶硅薄膜電池的材料制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)化等優(yōu)點(diǎn)的新一代電池，其轉(zhuǎn)換效率一般為17—18%左右，稍低于單晶硅太陽(yáng)電池，沒(méi)有明顯效率衰退問(wèn)題，并且有可能在廉價(jià)襯底材料上制備，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池。目錄應(yīng)用領(lǐng)域功率計(jì)算電池板壽命性能測(cè)試條件優(yōu)缺點(diǎn)技術(shù)制作制造工藝電池組件基本簡(jiǎn)介應(yīng)用領(lǐng)域一、用戶太陽(yáng)能電源（1）小型電源10—100W不等，用于邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機(jī)等；（2）3—5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；（3）光伏水泵：解決無(wú)電地區(qū)的深水井飲用、澆灌。二、交通領(lǐng)域如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號(hào)燈、交通警示/標(biāo)志燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速道路/鐵路無(wú)線電話亭、無(wú)人值守道班供電等。三、通訊/通信領(lǐng)域太陽(yáng)能無(wú)人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPS供電等。四、石油、海洋、氣象領(lǐng)域石油管道和水庫(kù)閘門陰極保護(hù)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺(tái)生活及應(yīng)急電源、海洋檢測(cè)設(shè)備、氣象/水文觀測(cè)設(shè)備等。五、家庭燈具電源如庭院燈、路燈、手提燈、野營(yíng)燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。六、光伏電站10KW—50MW獨(dú)立光伏電站、風(fēng)光（柴）互補(bǔ)電站、各種大型停車廠充電站等。七、太陽(yáng)能建筑將太陽(yáng)能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合，使得將來(lái)的大型建筑實(shí)現(xiàn)電力自給，是將來(lái)一大進(jìn)展方向。八、其他領(lǐng)域包括（1）與汽車配套：太陽(yáng)能汽車/電動(dòng)車、電池充電設(shè)備、汽車空調(diào)、換氣扇、冷飲箱等；（2）太陽(yáng)能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng)；（3）海水淡化設(shè)備供電；（4）衛(wèi)星、航天器、空間太陽(yáng)能電站等。功率計(jì)算太陽(yáng)能交流發(fā)電系統(tǒng)是由太陽(yáng)電池板、充電掌控器、逆變器和蓄電池共同構(gòu)成；太陽(yáng)能直流發(fā)電系統(tǒng)則不包括逆變器。為了使太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)能為負(fù)載供給充足的電源，就要依據(jù)用電器的功率，合理選擇各部件。下面以100W輸出功率，每天使用6個(gè)小時(shí)為例，介紹一下計(jì)算方法：1.首先應(yīng)計(jì)算出每天消耗的瓦時(shí)數(shù)（包括逆變器的損耗）：若逆變器的轉(zhuǎn)換效率為90%，則當(dāng)輸出功率為100W時(shí)，則實(shí)際需要輸出功率應(yīng)為100W/90%=111W；若按每天使用5小時(shí)，則耗電量為111W*5小時(shí)=555Wh。2.計(jì)算太陽(yáng)能電池板：按每日有效日照時(shí)間為6小時(shí)計(jì)算，再考慮到充電效率和充電過(guò)程中的損耗，太陽(yáng)能電池板的輸出功率應(yīng)為555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充電過(guò)程中，太陽(yáng)能電池板的實(shí)際使用功率。電池板壽命太陽(yáng)能電池板廠家供給的數(shù)據(jù)是包用25年。性能測(cè)試條件（1）由于太陽(yáng)能組件的輸出功率取決于太陽(yáng)輻照度和太陽(yáng)能電池溫度等因素，因此太陽(yáng)能電池組件的測(cè)量在標(biāo)準(zhǔn)條件下（STC）進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)條件定義為：大氣質(zhì)量AM1.5，光照強(qiáng)度1000W/m2，溫度25℃。（2）在該條件下，太陽(yáng)能電池組件所輸出的功率稱為峰值功率，在很多情況下，組件的峰值功率通常用太陽(yáng)能模擬儀測(cè)定。影響太陽(yáng)能電池組件輸出性能的重要因素有以下幾點(diǎn)：1）負(fù)載阻抗2）日照強(qiáng)度3）溫度4）陰影優(yōu)缺點(diǎn)重心已由單晶向多晶方向進(jìn)展，重要起因于；[1]可供應(yīng)太陽(yáng)電池的頭尾料愈來(lái)愈少；[2]對(duì)太陽(yáng)電池來(lái)講，方形基片更合算，通過(guò)澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料；[3]多晶硅的生產(chǎn)工藝不斷取得進(jìn)展，全自動(dòng)澆鑄爐每生產(chǎn)周期（50小時(shí)）可生產(chǎn)200公斤以上的硅錠，晶粒的尺寸達(dá)到厘米級(jí)；[4]由于近十年單晶硅工藝的討論與進(jìn)展很快，其中工藝也被應(yīng)用于多晶硅電池的生產(chǎn)，例如選擇腐蝕發(fā)射結(jié)、背表面場(chǎng)、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細(xì)金屬柵電極，采納絲網(wǎng)印刷技術(shù)可使柵電極的寬度降低到50微米，高度達(dá)到15微米以上，快速熱退火技術(shù)用于多晶硅的生產(chǎn)可大大縮短工藝時(shí)間，單片熱工序時(shí)間可在一分鐘之內(nèi)完成，采納該工藝在100平方厘米的多晶硅片上作出的電池轉(zhuǎn)換效率超過(guò)14%。據(jù)報(bào)道，在50～60微米多晶硅襯底上制作的電池效率超過(guò)16%。利用機(jī)械刻槽、絲網(wǎng)印刷技術(shù)在100平方厘米多晶上效率超過(guò)17%，無(wú)機(jī)械刻槽在同樣面積上效率達(dá)到16%，采納埋柵結(jié)構(gòu)，機(jī)械刻槽在130平方厘米的多晶上電池效率達(dá)到15.8%。技術(shù)制作光汲取關(guān)于光的汲取對(duì)于光汲取重要是：（1）降低表面反射；（2）更改光在電池體內(nèi)的路徑；（3）采納背面反射。對(duì)于單晶硅，應(yīng)用各向異性化學(xué)腐蝕的方法可在（100）表面制作金字塔狀的絨面結(jié)構(gòu)，降低表面光反射。但多晶硅晶向偏離（100）面，采納上面的方法無(wú)法作出均勻的絨面，目前采納下列方法:[1]激光刻槽用激光刻槽的方法可在多晶硅表面制作倒金字塔結(jié)構(gòu)，在500～900nm光譜范圍內(nèi)，反射率為4～6%，與表面制作雙層減反射膜相當(dāng)。而在（100）面單晶硅化學(xué)制作絨面的反射率為11%。用激光制作絨面比在光滑面鍍雙層減反射膜層（ZnS/MgF2）電池的短路電流要提高4%左右，這重要是長(zhǎng)波光（波長(zhǎng)大于800nm）斜射進(jìn)入電池的原因。激光制作絨面存在的問(wèn)題是在刻蝕中，表面造成損傷同時(shí)引入一些雜質(zhì)，要通過(guò)化學(xué)處理去除表面損傷層。該方法所作的太陽(yáng)電池通常短路電流較高，但開(kāi)路電壓不太高，重要原因是電池表面積加添，引起復(fù)合電流提高。[2]化學(xué)刻槽應(yīng)用掩膜（Si3N4或SiO2）各向同性腐蝕，腐蝕液可為酸性腐蝕液，也可為濃度較高的氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，該方法無(wú)法形成各向異性腐蝕所形成的那種尖錐狀結(jié)構(gòu)。據(jù)報(bào)道，該方法所形成的絨面對(duì)700～1030微米光譜范圍有明顯的減反射作用。但掩膜層一般要在較高的溫度下形成，引起多晶硅材料性能下降，特別對(duì)質(zhì)量較低的多晶材料，少子壽命縮短。應(yīng)用該工藝在225cm2的多晶硅上所作電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16.4%。掩膜層也可用絲網(wǎng)印刷的方法形成。[3]反應(yīng)離子腐蝕（RIE）該方法為一種無(wú)掩膜腐蝕工藝，所形成的絨面反射率特別低，在450～1000微米光譜范圍的反射率可小于2%。僅從光學(xué)的角度來(lái)看，是一種理想的方法，但存在的問(wèn)題是硅表面損傷嚴(yán)重，電池的開(kāi)路電壓和填充因子顯現(xiàn)下降。[4]制作減反射膜層對(duì)于高效太陽(yáng)電池，最常用和最有效的方法是蒸鍍ZnS/MgF2雙層減反射膜，其厚度取決于下面氧化層的厚度和電池表面的特征，例如，表面是光滑面還是絨面，減反射工藝也有蒸鍍Ta2O5,PECVD沉積Si3N3等。ZnO導(dǎo)電膜也可作為減反材料。在高效電池的制作中，金屬化電極必需與電池的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表面摻雜濃度、PN結(jié)深，金屬材料相匹配。試驗(yàn)室電池一般面積比較?。娣e小于4cm2），所以需要細(xì)金屬柵線（小于10微米），一般采納的方法為光刻、電子束蒸發(fā)、電子鍍。工業(yè)化大生產(chǎn)中也使用電鍍工藝，但蒸發(fā)和光刻結(jié)合使用時(shí)，不屬于低成本工藝技術(shù)。[1]電子束蒸發(fā)和電鍍通常，應(yīng)用正膠剝離工藝，蒸鍍Ti/Pa/Ag多層金屬電極，要減小金屬電極所引起的串聯(lián)電阻，往往需要金屬層比較厚（8～10微米）。缺點(diǎn)是電子束蒸發(fā)造成硅表面/鈍化層介面損傷，使表面復(fù)合提高，因此，工藝中，采納短時(shí)蒸發(fā)Ti/Pa層，在蒸發(fā)銀層的工藝。另一個(gè)問(wèn)題是金屬與硅接觸面較大時(shí)，必將導(dǎo)致少子復(fù)合速度提高。工藝中，采納了隧道結(jié)接觸的方法，在硅和金屬成間形成一個(gè)較薄的氧化層（一般厚度為20微米左右）應(yīng)用功函數(shù)較低的金屬（如鈦等）可在硅表面感應(yīng)一個(gè)穩(wěn)定的電子積累層（也可引入固定正電荷加深反型）。另外一種方法是在鈍化層上開(kāi)出小窗口（小于2微米），再淀積較寬的金屬柵線（通常為10微米），形成mushroom—like狀電極，用該方法在4cm2Mc—Si上電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17.3%。此外，在機(jī)械刻槽表面也運(yùn)用了Shallowangle（oblique）技術(shù)。PN結(jié)形成方法[1]發(fā)射區(qū)形成和磷吸雜對(duì)于高效太陽(yáng)能電池，發(fā)射區(qū)的形成一般采納選擇擴(kuò)散，在金屬電極下方形成重雜質(zhì)區(qū)域而在電極間實(shí)現(xiàn)淺濃度擴(kuò)散，發(fā)射區(qū)的淺濃度擴(kuò)散即加強(qiáng)了電池對(duì)藍(lán)光的響應(yīng)，又使硅表面易于鈍化。擴(kuò)散的方法有兩步擴(kuò)散工藝、擴(kuò)散加腐蝕工藝和掩埋擴(kuò)散工藝。如今采納選擇擴(kuò)散，15×15cm2電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16.4%，n++、n+區(qū)域的表面方塊電阻分別為20Ω和80Ω.對(duì)于Mc—Si材料，擴(kuò)磷吸雜對(duì)電池的影響得到廣泛的討論，較長(zhǎng)時(shí)間的磷吸雜過(guò)程（一般3～4小時(shí)），可使一些Mc—Si的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在對(duì)襯底濃度對(duì)吸雜效應(yīng)的討論中發(fā)覺(jué)，即便對(duì)高濃度的襯第材料，經(jīng)吸雜也能夠獲得較大的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度（大于200微米），電池的開(kāi)路電壓大于638mv,轉(zhuǎn)換效率超過(guò)17%。[2]背表面場(chǎng)的形成及鋁吸雜技術(shù)在Mc—Si電池中，背p+p結(jié)由均勻擴(kuò)散鋁或硼形成，硼源一般為BN、BBr、APCVDSiO2：B2O8等，鋁擴(kuò)散為蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷鋁，800度下燒結(jié)所完成，對(duì)鋁吸雜的作用也開(kāi)展了大量的討論，與磷擴(kuò)散吸雜不同，鋁吸雜在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行。其中體缺陷也參加了雜質(zhì)的溶解和沉積，而在較高溫度下，沉積的雜質(zhì)易于溶解進(jìn)入硅中，對(duì)Mc—Si產(chǎn)生不利的影響。而區(qū)域背場(chǎng)已應(yīng)用于單晶硅電池工藝中，但在多晶硅中，還是應(yīng)用全鋁背表面場(chǎng)結(jié)構(gòu)。[3]雙面Mc—Si電池Mc—Si雙面電池其正面為常規(guī)結(jié)構(gòu)，背面為N+和P+相互交叉的結(jié)構(gòu)，這樣，正面光照產(chǎn)生的但位于背面相近的光生少子可由背電極有效汲取。背電極作為對(duì)正面電極的有效補(bǔ)充，也作為一個(gè)獨(dú)立的栽流子收集器對(duì)背面光照和散射光產(chǎn)生作用，據(jù)報(bào)道，在AM1.5條件下，轉(zhuǎn)換效率超過(guò)19%。表面與體鈍化技術(shù)對(duì)于Mc—Si，因存在較高的晶界、點(diǎn)缺陷（空位、填隙原子、金屬雜質(zhì)、氧、氮及他們的復(fù)合物）對(duì)材料表面和體內(nèi)缺陷的鈍化尤為緊要，除前面提到的吸雜技術(shù)外，鈍化工藝有多種方法，通過(guò)熱氧化使硅懸掛鍵飽和是一種比較常用的方法，可使Si—SiO2界面的復(fù)合速度大大下降，其鈍化效果取決于發(fā)射區(qū)的表面濃度、界面態(tài)密度和電子、空穴的浮獲截面。在氫氣氛中退火可使鈍化效果更加明顯。采納PECVD淀積氮化硅正面非常有效，由于在成膜的過(guò)程中具有加氫的效果。該工藝也可應(yīng)用于規(guī)?；a(chǎn)中。應(yīng)用RemotePECVDSi3N4可使表面復(fù)合速度小于20cm/s。制造工藝太陽(yáng)電池從討論室走向工廠，試驗(yàn)討論走向規(guī)模化生產(chǎn)是其進(jìn)展的道路，所以能夠達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的特征應(yīng)當(dāng)是：[1]電池的制作工藝能夠充足流水線作業(yè)；[2]能夠大規(guī)模、現(xiàn)代化生產(chǎn)；[3]達(dá)到高效、低成本。當(dāng)然，其重要目標(biāo)是降低太陽(yáng)電池的生產(chǎn)成本。多晶硅電池的重要進(jìn)展方向朝著大面積、薄襯底。例如，市場(chǎng)上可見(jiàn)到125×125mm2、156×156mm2甚至更大規(guī)模的單片電池，厚度從原來(lái)的300微米減小到250、200及200微米以下。效率得到大幅度的提高。日本京磁（Kyocera）公司150×150的電池小批量生產(chǎn)的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17.1%，該公司1998年的生產(chǎn)量達(dá)到25.4MW。（1）絲網(wǎng)印刷及其相關(guān)技術(shù)多晶硅電池的規(guī)?；a(chǎn)中廣泛使用了絲網(wǎng)印刷工藝，該工藝可用于擴(kuò)散源的印刷、正面金屬電極、背接觸電極，減反射膜層等，隨著絲網(wǎng)材料的改善和工藝水平的提高，絲網(wǎng)印刷工藝在太陽(yáng)電池的生產(chǎn)中將會(huì)得到更加普遍的應(yīng)用。a.發(fā)射區(qū)的形成利用絲網(wǎng)印刷形成PN結(jié)，代替常規(guī)的管式爐擴(kuò)散工藝。一般在多晶硅的正面印刷含磷的漿料、在反面印刷含鋁的金屬漿料。印刷完成后，擴(kuò)散可在網(wǎng)帶爐中完成（通常溫度在900度），這樣，印刷、烘干、擴(kuò)散可形成連續(xù)性生產(chǎn)。絲網(wǎng)印刷擴(kuò)散技術(shù)所形成的發(fā)射區(qū)通常表面濃度比較高，則表面光生載流子復(fù)合較大，為了克服這一缺點(diǎn)，工藝上采納了下面的選擇發(fā)射區(qū)工藝技術(shù)，使電池的轉(zhuǎn)換效率得到進(jìn)一步的提高。b.選擇發(fā)射區(qū)工藝在多晶硅電池的擴(kuò)散工藝中，選擇發(fā)射區(qū)技術(shù)分為局部腐蝕或兩步擴(kuò)散法。局部腐蝕為用干法（例如反應(yīng)離子腐蝕）或化學(xué)腐蝕的方法，將金屬電極之間區(qū)域的重?cái)U(kuò)散層腐蝕掉。最初，Solarex應(yīng)用反應(yīng)離子腐蝕的方法在同一臺(tái)設(shè)備中，先用大反應(yīng)功率腐蝕掉金屬電極間的重?fù)诫s層，再用小功率沉積一層氮化硅薄膜，該膜層發(fā)揮減反射和電池表面鈍化的雙重作用。在100cm2的多晶上作出轉(zhuǎn)換效率超過(guò)13%的電池。在同樣面積上，應(yīng)用兩部擴(kuò)散法，未作機(jī)械絨面的情況下轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16%。c.背表面場(chǎng)的形成背PN結(jié)通常由絲網(wǎng)印刷A漿料并在網(wǎng)帶爐中熱退火后形成，該工藝在形成背表面結(jié)的同時(shí)，對(duì)多晶硅中的雜質(zhì)具有良好的吸除作用，鋁吸雜過(guò)程一般在高溫區(qū)段完成，測(cè)量結(jié)果表明吸雜作用可使前道高溫過(guò)程所造成的多晶硅少子壽命的下降得到恢復(fù)。良好的背表面場(chǎng)可明顯地提高電池的開(kāi)路電壓。d.絲網(wǎng)印刷金屬電極在規(guī)?；a(chǎn)中，絲網(wǎng)印刷工藝與真空蒸發(fā)、金屬電鍍等工藝相比，更具有優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)今的工藝中，正面的印刷材料普遍選用含銀的漿料，其重要原因是銀具有良好的導(dǎo)電性、可焊性和在硅中的低擴(kuò)散性能。經(jīng)絲網(wǎng)印刷、退火所形成的金屬層的導(dǎo)電性能取決于漿料的化學(xué)成份、玻璃體的含量、絲網(wǎng)的粗糟度、燒結(jié)條件和絲網(wǎng)版的厚度。八十年度初，絲網(wǎng)印刷具有一些缺陷，Ⅰ）如柵線寬度較大，通常大于150微米；Ⅱ）造成遮光較大，電池填充因子較低；Ⅲ）不適合表面鈍化，重要是表面擴(kuò)散濃度較高，否則接觸電阻較大。如今用先進(jìn)的方法可絲網(wǎng)印出線寬達(dá)50微米的柵線，厚度超過(guò)15微米，方塊電阻為2.5～4mΩ，該參數(shù)可充足高效電池的要求。有人在15×15平方厘米的Mc—Si上對(duì)絲網(wǎng)印刷電極和蒸發(fā)電極所作太陽(yáng)電池進(jìn)行了比較，各項(xiàng)參數(shù)幾乎沒(méi)有差距。電池組件1）鋼化玻璃其作用為保護(hù)發(fā)電主體（電池片），透光其選用是有要求的，1.透光率必需高（一般91%以上）；2.超白鋼化處理2）EVA用來(lái)粘結(jié)固定鋼化玻璃和發(fā)電主體（電池片），透亮EVA材質(zhì)的優(yōu)劣直接影響到組件的壽命，暴露在空氣中的EVA易老化發(fā)黃，從而影響組件的透光率，從而影響組件的發(fā)電質(zhì)量除了EVA本身的質(zhì)量外，組件廠家的層壓工藝影響也是特別大的，如EVA膠連度不達(dá)標(biāo)，EVA與鋼化玻璃、背板粘接強(qiáng)度不夠，都會(huì)引起EVA提早老化，影響組件壽命。3）電池片重要作用就是發(fā)電，發(fā)電主體市場(chǎng)上主流的是晶體硅太陽(yáng)電池片、薄膜太陽(yáng)能電池片，兩者各有優(yōu)劣晶體硅太陽(yáng)能電池片,設(shè)備成本相對(duì)較低，但消耗及電池片成本很高，但光電轉(zhuǎn)換效率也高，在室外陽(yáng)光下發(fā)電比較適合薄膜太陽(yáng)能電池，相對(duì)設(shè)備成本較高，但消耗和電