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太陽能電池主要的原材料有哪些

鉅大LARGE  |  點擊量:6876次  |  2018年08月10日  

摘要
太陽能電池生產工藝近些年來,全世界生產應用最多的太陽能電池是由單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池構成的晶體硅太陽能電池,其產量占到當前世界太陽能電池總產量的90%以上。它們工藝技術成熟,性能穩定可靠,光電

太陽能電池生產工藝近些年來,全世界生產應用最多的太陽能電池是由單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池構成的晶體硅太陽能電池,其產量占到當前世界太陽能電池總產量的90%以上。它們工藝技術成熟,性能穩定可靠,光電轉換效率高,使用壽命長,已進人工業化大規模生產。因此,本節對地面用晶體硅太陽能電池的一般生產制造工藝進行介紹。晶體硅太陽能電池生產制造工藝包括的內容范圍有寬狹之分。寬的內容范圍,包括硅材料的制備、太陽能電池的制造和太陽能電池組件的封裝三個部分。狹的內容范圍,僅包括太陽能電池的制造。下面按照寬的內容范圍加以介紹,即不但包括太陽能電池的制造,還包括硅材料的制備和太陽能電池組件的封裝。硅材料的制備(一)高純多晶硅的制備(二)單晶硅錠的制備.單晶硅錠的制備方法很多,可從熔體上生長,也可從氣相中沉積。目前國內外在生產中采用的主要有熔體直拉法和懸浮區熔法兩種。(三)多晶硅錠的制備多晶硅太陽能電池是以多晶硅為基體材料的太陽能電池。它的出現主要是為了降低晶體硅太陽能電池的成本。其主要優點有:能直接拉制出方形硅錠,設備比較簡單,并能制出大型硅錠以形成工業化生產規模,材質電能消耗較省,并能用較低純度的硅作投爐料;可在電池工藝方面采取措施降低晶界及其他雜質的影響。其主要缺點是生產出的多晶硅電池的轉換效率要比單晶硅電池稍低。多晶硅的鑄錠工藝主要有定向凝固法和澆鑄法兩種。(四)片狀硅的制備片狀硅又稱硅帶,是從熔體中直接生長出來,可以大為減少切片的損失,片厚約100200~m。主要生長方法有限邊喂膜(EFG)法、枝蔓蹼狀晶(WEB)法、邊緣支撐晶(ESP)法、小角度帶狀生長法、激光區熔法和顆粒硅帶法等。其中枝蔓蹼狀晶法和限邊喂膜法比較成熟。枝蔓蹼狀晶法,是從坩堝里長出兩條枝蔓晶,由于表面張力的作用,兩條枝晶中間會同時長出一層薄膜,切去兩邊的枝晶,用中間的片狀晶來制作太陽能電池。由于硅片形狀如蹼狀,所以稱為蹼狀晶。它在各種硅帶中質量最好,但生長速度相對較慢。限邊喂膜法,是從特制的模具中拉出筒狀硅,然后用激光切割成單片來制作太陽能電池。目前已能拉出每面寬10cm的10面體筒狀硅,厚度達300μm。它是目前投入研發最多的硅帶,產量已達4MW級。近期硅帶的研發目標,是制出125mmXl25mm的硅片,將厚度降至250μm左右。用限邊喂膜法進行大批量生產時,應滿足的主要技術條件為:①采用自動控制溫度梯度、固液交界的新月形的高度及硅帶的寬度等,以有效地保證晶體生長的穩定性。②在模具對硅料的污染方面進行控制。從總體上來說,硅帶生長方法目前仍在進一步研究試驗中,僅建立了少數中試生產線,尚未投入大規模工業化生產。(五)太陽能級硅的研發.快速發展的晶體硅太陽能電池的生產與應用,使硅材料的需要量劇增,耗量巨大。按我國光伏產業現在的生產技術水平,生產1MW硅太陽能電池約需15t硅材料,如果我國到2010年生產IOOMW硅太陽能電池,考慮到屆時可將硅片的厚度降到200~250μm左右,則將需耗用1000t左右硅材料,遠遠大于我國硅材料的供應能力。因此,必須未雨綢繆,下大力氣研究解決硅材料的生產供應問題。研發生產太陽能級硅是重要的解決途徑。所謂“太陽能級硅”并無精確的定義,由于冶金級硅的雜質含量太高,影響電池的光電轉換效率,如設法將其用簡單的化學或物理方法提純,使之能夠用于制造太陽能電池,則將大大降低電池的成本,這種硅就稱之為“太陽能級硅”。一般認為,能夠制造出光電轉換效率10%電池的廉價硅材料,即可稱之為“太陽能級硅”。而能用于制造集成電路的硅,則稱之為“電路級硅”。為探索各種不同雜質原子對太陽能電池效率的影響,科研人員花費了大量精力進行研究 實驗,已取得如下成果:①鉭、鉬、鈮、鋯、鎢、鈦、釩等元素,在濃度1013—1014/cm3即對電池效率產生很大影響。②鎳、鋁、鈷、鐵、錳、鉻等元素,則要在濃度1015/cm3以上時才對電池效率有影響。③而磷和銅在濃度高達1018/cm2時才對電池的效率有少量影響。(六)硅片的加工硅片的加工,是將硅錠經表面整形、定向、切割、研磨、腐蝕、拋光、清洗等工藝,加工成具有一定直徑、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光潔度,表面無缺陷、無崩邊、無損傷層,高度完整、均勻、光潔的鏡面硅片。硅片加工的一般工藝流程,如圖11所示。這一流程也包括了太陽能電池制造階段硅片的表面處理工序,在連續生產中可以歸并。將硅錠按照技術要求切割成硅片,才能作為生產制造太陽能電池的基體材料。因此,硅片的切割,即通常所說的切片,是整個硅片加工的重要工序。所謂切片,就是錠通過鑲鑄金剛砂磨料的刀片(或鋼絲)的高速旋轉、接觸、磨削作用,定向切割成為要求規格的硅片。切片工藝技術直接關系到硅片的質量和成品率。對于切片工藝技術的原則要求是:①切割精度高、表面平行度高、翹曲度和厚度公差小。②斷面完整性好,消除拉絲、刀痕和微裂紋。③提高成品率,縮小刀(鋼絲)切縫,降低原材料損耗。④提高切割速度,實現自動化切割。切片的方法目前主要有外圓切割、內圓切割、多線切割以及激光切割等。目前工業生產中較多采用的切割方法之一是內圓切割。它是用內圓切割機將硅錠切割成0.3~0.4mm的薄片。其刀體的厚度為0.1mm左右,刀刃的厚度為0.20~0.25mm,刀刃上黏有金剛砂粉。在切割過程中,每切割一片,硅材料約有0.3~0.35mm的厚度損失,因此硅材料的利用率僅為40%~50%左右。內圓切割刀片的示意圖,如圖12所示。內圓式切割機的切割方法,可分成圖13所示4類:(a)刀片水平安裝,硅料水平方向送進切割;(b)刀片垂直安裝,硅料水平方向送進切割;(c)刀片垂直安裝,硅料垂直方向送進切割;(d)刀片固定,硅片垂直方向送進切割。采用多線切割機切片是當前最為先進的切片方法。它是用鋼絲攜帶研磨微粒完成切割工作。即將lOOkm左右鋼絲卷置于固定架上,經過滾動碳化硅磨料切割硅片。此法具有切片質量高、速度快、產量大、成品率高、材料損耗少(切損只有0.2~0.22mm)、可切割更大更薄(0.2mm)的片以及成本低等特點,適宜于大規模自動化生產。典型瑞士多線切割機的生產能力為可同時加工4組125mmXl25mmX520mm的硅錠,用時約3.15h,可切片4160片,片子目前平均厚度為325pm(可更薄),切割刃口窄,比一般內圓式切割機可節約硅材料約1/4左右。選用制造太陽能電池硅片應考慮的主要技術原則有如下各項:①導電類型在兩種導電類型的硅材料中,p型硅常用硼為摻雜元素,用以制造n+/p型硅電池;n型硅用磷或砷為摻雜元素,用以制造P+/n型硅電池。這兩種電池的各項參數大致相當。目前國內外大多采用p型硅材料。為降低成本,兩種材料均可選用。②電阻率硅的電阻率與摻雜濃度有關。就太陽能電池制造而言,硅材料電阻率的范圍相當寬,從0.1~50Ω·cm甚至更大均可采用。在一定范圍內,電池的開路電壓隨著硅基體電阻率的下降而增加。在材料電阻率較低時,能得到較高的開路電壓,而短路電流略低,但總的轉換效率較高。所以,地面應用宜于使用0.5~3.oΩ·cm的硅材料。太低的電阻率,反而使開路電壓降低,并導致填充因子下降。③晶向、位錯、壽命太陽能電池較多選用(111)和(110)晶向生長的硅材料。對于單晶硅電池,一般都要求無位錯,和盡量高的少子壽命。④幾何尺寸主要有?50mm、?70mm、?100mm、?200mm的圓片和lOOmmXlOOmm、125mmX125mm、150mmXl50mm的方片。硅片的厚度目前已由早先的300~450?m降為當前的200—350mm。

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