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多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳能电池兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池,其转换效率一般为17-18%左右,稍低于单晶硅太阳电池,没有明显效率衰退问题,并且有可能在廉价衬底材料上制备,其成本远低于单晶硅电池,而效率高于非晶硅薄膜电池。

基本简介

多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多,但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少,其光电转换效率约17-18%左右。多晶硅片生产能耗低,生产过程无污染,与单晶硅太阳电池相比,多晶
  硅太阳电池更加经济。从制作成本上来讲,比单晶硅太阳能电池要便宜一些,材料制造简便,节约电耗,总的生产成本较低,因此得到大量发展。此外,多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。

单晶硅太阳能电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料,而制造这些材料工艺复杂,电耗很大,在太阳能电池生产总成本中己超二分之一。加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状,切片制作太阳能电池也是圆片,组成太阳能组件平面利用率低。因此,80年代以来,欧美一些国家投入了多晶硅太阳能电池的研制。由于多晶硅内存在明显的晶粒界面,晶格错位等缺陷,其效率还比较低。还有载流子迁移率、寿命和扩散长度等,与单晶硅太阳电池相比,多晶硅太阳电池都低很多。

电池组件

1) 钢化玻璃 其作用为保护发电主体(电池片),透光其选用是有要求的, 1.透光率必须高(一般91%以上);2.超白钢化处理

2) EVA 用来粘结固定钢化玻璃和发电主体(电池片),透明EVA材质的优劣直接影响到组件的寿命,暴露在空气中的EVA易老化发黄,从而影响组件的透光率,从而影响组件的发电质量除了EVA本身的质量外,组件厂家的层压工艺影响也是非常大的,如EVA胶连度不达标,EVA与钢化玻璃、背板粘接强度不够,都会引起EVA提早老化,影响组件寿命。

3) 电池片主要作用就是发电,发电主体市场上主流的是晶体硅太阳电池片、薄膜太阳能电池片,两者各有优劣晶体硅太阳能电池片,设备成本相对较低,但消耗及电池片成本很高,但光电转换效率也高,在室外阳光下发电比较适宜薄膜太阳能电池,相对设备成本较高,但消耗和电池成本 很低,但光电转化效率相对晶体硅电池片一半多点,但弱光效应非常好,在普通灯光下也能发电,如计算器上的太阳能电池。

4) EVA 作用如上,主要粘结封装发电主体和背板

5) 背板作用,密封、绝缘、防水(一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化,组件厂家都质保25年,钢化玻璃,铝合金一般都没问题,关键就在与背板和硅胶是否能达到要求。)

6)铝合金保护层压件,起一定的密封、支撑作用

7) 接线盒保护整个发电系统,起到电流中转站的作用,如果组件短路接线盒自动断开短路电池串,防止烧坏整个系统接线盒中最关键的是二极管的选用,根据组件内电池片的类型不同,对应的二极管也不相同。

8) 硅胶密封作用,用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处有些公司使用双面胶条、泡棉来替代硅胶,国内普遍使用硅胶,工艺简单,方便,易操作,而且成本很低。

制造工艺

太阳电池从研究室走向工厂,实验研究走向规模化生产是其发展的道路,所以能够达到工业化生产的特征应该是:

[1]电池的制作工艺能够满足流水线作业;
[2]能够大规模、现代化生产;
[3]达到高效、低成本。

当然,其主要目标是降低太阳电池的生产成本。多晶硅电池的主要发展方向朝着大面积、薄衬底。例如,市场上可见到125×125mm2、156×156mm2甚至更大规模的单片电池,厚度从原来的300微米减小到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的电池小批量生产的光电转换效率达到17.1%,该公司1998年的生产量达到25.4MW。

(1)丝网印刷及其相关技术

多晶硅电池的规模化生产中广泛使用了丝网印刷工艺,该工艺可用于扩散源的印刷、正面金属电极、背接触电极,减反射膜层等,随着丝网材料的改善和工艺水平的提高,丝网印刷工艺在太阳电池的生产中将会得到更加普遍的应用。

a.发射区的形成

利用丝网印刷形成PN结,代替常规的管式炉扩散工艺。一般在多晶硅的正面印刷含磷的浆料、在反面印刷含铝的金属浆料。印刷完成后,扩散可在网带炉中完成(通常温度在900度),这样,印刷、烘干、扩散可形成连续性生产。丝网印刷扩散技术所形成的发射区通常表面浓度比较高,则表面光生载流子复合较大,为了克服这一缺点,工艺上采用了下面的选择发射区工艺技术,使电池的转换效率得到进一步的提高。

b.选择发射区工艺

在多晶硅电池的扩散工艺中,选择发射区技术分为局部腐蚀或两步扩散法。局部腐蚀为用干法(例如反应离子腐蚀)或化学腐蚀的方法,将金属电极之间区域的重扩散层腐蚀掉。最初,Solarex应用反应离子腐蚀的方法在同一台设备中,先用大反应功率腐蚀掉金属电极间的重掺杂层,再用小功率沉积一层氮化硅薄膜,该膜层发挥减反射和电池表面钝化的双重作用。在100cm2的多晶上作出转换效率超过13%的电池。在同样面积上,应用两部扩散法,未作机械绒面的情况下转换效率达到16%。

c.背表面场的形成

PN结通常由丝网印刷A浆料并在网带炉中热退火后形成,该工艺在形成背表面结的同时,对多晶硅中的杂质具有良好的吸除作用,铝吸杂过程一般在高温区段完成,测量结果表明吸杂作用可使前道高温过程所造成的多晶硅少子寿命的下降得到恢复。良好的背表面场可明显地提高电池的开路电压。

d.丝网印刷金属电极

在规模化生产中,丝网印刷工艺与真空蒸发、金属电镀等工艺相比,更具有优势,在当今的工艺中,正面的印刷材料普遍选用含银的浆料,其主要原因是银具有良好的导电性、可焊性和在硅中的低扩散性能。经丝网印刷、退火所形成的金属层的导电性能取决于浆料的化学成份、玻璃体的含量、丝网的粗糟度、烧结条件和丝网版的厚度。八十年度初,丝网印刷具有一些缺陷,Ⅰ)如栅线宽度较大,通常大于150微米;Ⅱ)造成遮光较大,电池填充因子较低;Ⅲ)不适合表面钝化,主要是表面扩散浓度较高,否则接触电阻较大。如今用先进的方法可丝网印出线宽达50微米的栅线,厚度超过15微米,方块电阻为2.5~4mΩ,该参数可满足高效电池的要求。有人在15×15平方厘米的Mc—Si上对丝网印刷电极和蒸发电极所作太阳电池进行了比较,各项参数几乎没有差距。

技术制作

光吸收

关于光的吸收

对于光吸收主要是:
(1)降低表面反射;
(2)改变光在电池体内的路径;
(3)采用背面反射。

对于单晶硅,应用各向异性化学腐蚀的方法可在(100)表面制作金字塔状的绒面结构,降低表面光反射。但多晶硅晶向偏离(100)面,采用上面的方法无法作出均匀的绒面,目前采用下列方法:

[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结构,在500~900nm光谱范围内,反射率为4~6%,与表面制作双层减反射膜相当。而在(100)面单晶硅化学制作绒面的反射率为11%。用激光制作绒面比在光滑面镀双层减反射膜层(ZnS/MgF2)电池的短路电流要提高4%左右,这主要是长波光(波长大于800nm)斜射进入电池的原因。激光制作绒面存在的问题是在刻蚀中,表面造成损伤同时引入一些杂质,要通过化学处理去除表面损伤层。该方法所作的太阳电池通常短路电流较高,但开路电压不太高,主要原因是电池表面积增加,引起复合电流提高。

[2]化学刻槽

应用掩膜(Si3N4或SiO2)各向同性腐蚀,腐蚀液可为酸性腐蚀液,也可为浓度较高的氢氧化钠或氢氧化钾溶液,该方法无法形成各向异性腐蚀所形成的那种尖锥状结构。据报道,该方法所形成的绒面对700~1030微米光谱范围有明显的减反射作用。但掩膜层一般要在较高的温度下形成,引起多晶硅材料性能下降,特别对质量较低的多晶材料,少子寿命缩短。应用该工艺在225cm2的多晶硅上所作电池的转换效率达到16.4%。掩膜层也可用丝网印刷的方法形成。

[3]反应离子腐蚀(RIE)

该方法为一种无掩膜腐蚀工艺,所形成的绒面反射率特别低,在450~1000微米光谱范围的反射率可小于2%。仅从光学的角度来看,是一种理想的方法,但存在的问题是硅表面损伤严重,电池的开路电压和填充因子出现下降。

[4]制作减反射膜层

对于高效太阳电池,最常用和最有效的方法是蒸镀ZnS/MgF2双层减反射膜,其最佳厚度取决于下面氧化层的厚度和电池表面的特征,例如,表面是光滑面还是绒面,减反射工艺也有蒸镀Ta2O5, PECVD沉积 Si3N3等。ZnO导电膜也可作为减反材料。

金属化

金属化技术

在高效电池的制作中,金属化电极必须与电池的设计参数,如表面掺杂浓度、PN结深,金属材料相匹配。实验室电池一般面积比较小(面积小于4cm2),所以需要细金属栅线(小于10微米),一般采用的方法为光刻、电子束蒸发、电子镀。工业化大生产中也使用电镀工艺,但蒸发和光刻结合使用时,不属于低成本工艺技术。

[1]电子束蒸发和电镀

通常,应用正胶剥离工艺,蒸镀Ti/Pa/Ag多层金属电极,要减小金属电极所引起的串联电阻,往往需要金属层比较厚(8~10微米)。缺点是电子束蒸发造成硅表面/钝化层介面损伤,使表面复合提高,因此,工艺中,采用短时蒸发Ti/Pa层,在蒸发银层的工艺。另一个问题是金属与硅接触面较大时,必将导致少子复合速度提高。工艺中,采用了隧道结接触的方法,在硅和金属成间形成一个较薄的氧化层(一般厚度为20微米左右)应用功函数较低的金属(如钛等)可在硅表面感应一个稳定的电子积累层(也可引入固定正电荷加深反型)。另外一种方法是在钝化层上开出小窗口(小于2微米),再淀积较宽的金属栅线(通常为10微米),形成mushroom—like状电极,用该方法在4cm2 Mc-Si上电池的转换效率达到17.3%。此外,在机械刻槽表面也运用了Shallow angle (oblique)技术。

PN结

形成方法

[1]发射区形成和磷吸杂

对于高效太阳能电池,发射区的形成一般采用选择扩散,在金属电极下方形成重杂质区域而在电极间实现浅浓度扩散,发射区的浅浓度扩散即增强了电池对蓝光的响应,又使硅表面易于钝化。扩散的方法有两步扩散工艺、扩散加腐蚀工艺和掩埋扩散工艺。如今采用选择扩散,15×15cm2电池转换效率达到16.4%,n++、n+区域的表面方块电阻分别为20Ω和80Ω.

对于Mc—Si材料,扩磷吸杂对电池的影响得到广泛的研究,较长时间的磷吸杂过程(一般3~4小时),可使一些Mc—Si的少子扩散长度提高两个数量级。在对衬底浓度对吸杂效应的研究中发现,即便对高浓度的衬第材料,经吸杂也能够获得较大的少子扩散长度(大于200微米),电池的开路电压大于638mv, 转换效率超过17%。

[2]背表面场的形成及铝吸杂技术在Mc—Si电池中,背p+p结由均匀扩散铝或硼形成,一般为BN、BBr、APCVD SiO2:B2O8等,铝扩散为蒸发或丝网印刷铝,800度下烧结所完成,对铝吸杂的作用也开展了大量的研究,与磷扩散吸杂不同,铝吸杂在相对较低的温度下进行。其中体缺陷也参与了杂质的溶解和沉积,而在较高温度下,沉积的杂质易于溶解进入硅中,对Mc—Si产生不利的影响。而区域背场已应用于单晶硅电池工艺中,但在多晶硅中,还是应用全铝背表面场结构。

[3]双面Mc—Si电池

Mc—Si双面电池其正面为常规结构,背面为N+和P+相互交叉的结构,这样,正面光照产生的但位于背面附近的光生少子可由背电极有效吸收。背电极作为对正面电极的有效补充,也作为一个独立的载流子收集器对背面光照和散射光产生作用,据报道,在AM1.5条件下,转换效率超过19%。

表面与体钝化技术

对于Mc—Si,因存在较高的晶界、点缺陷(空位、填隙原子、金属杂质、氧、氮及他们的复合物)对材料表面和体内缺陷的钝化尤为重要,除前面提到的吸杂技术外,钝化工艺有多种方法,通过热氧化使硅悬挂键饱和是一种比较常用的方法,可使Si-SiO2界面的复合速度大大下降,其钝化效果取决于发射区的表面浓度、界面态密度和电子、空穴的浮获截面。在氢气氛中退火可使钝化效果更加明显。采用PECVD淀积氮化硅正面十分有效,因为在成膜的过程中具有加氢的效果。该工艺也可应用于规模化生产中。应用Remote PECVD Si3N4可使表面复合速度小于20cm/s。

优缺点

多晶硅太阳能电池以其生产原材料丰富、成本低、转换效率高、稳定性好等优点而备受青睐,也顺应社会的需求占据了太阳能电池市场的主要份额。重心已由单晶向多晶方向发展,主要原因为:

[1]可供应太阳电池的头尾料愈来愈少;
[2] 对太阳电池来讲,方形基片更合算,通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料;
[3]多晶硅的生产工艺不断取得进展,全自动浇铸炉每生产周期(50小时)可生产200公斤以上的硅锭,晶粒的尺寸达到厘米级;
[4]由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快,其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产,例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极,采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到50微米,高度达到15微米以上,快速热退火技术用于多晶硅的生产可大大缩短工艺时间,单片热工序时间可在一分钟之内完成,采用该工艺在100平方厘米的多晶硅片上作出的电池转换效率超过14%。据报道,在50~60微米多晶硅衬底上制作的电池效率超过16%。利用机械刻槽、丝网印刷技术在100平方厘米多晶上效率超过17%,无机械刻槽在同样面积上效率达到16%,采用埋栅结构,机械刻槽在130平方厘米的多晶上电池效率达到15.8%。

性能测试条件

(1)由于太阳能组件的输出功率取决于太阳辐照度和太阳能电池温度等因素,因此太阳能电池组件的测量在标准条件下(STC)进行,标准条件定义为: 大气质量AM1.5, 光照强度1000W/m2,温度25℃。

(2)在该条件下,太阳能电池组件所输出的最大功率称为峰值功率,在很多情况下,组件的峰值功率通常用太阳能模拟仪测定。影响太阳能电池组件输出性能的主要因素有以下几点:

1)负载阻抗
2)日照强度
3)温度
4)阴影

电池板寿命

太阳能电池板厂家提供的数据是包用25年。

功率计算

太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成;太阳能直流发电系统则不包括逆变器。为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源,就要根据用电器的功率,合理选择各部件。下面以100W输出功率,每天使用6个小时为例,介绍一下计算方法:

1.首先应计算出每天消耗的瓦时数(包括逆变器的损耗):若逆变器的转换效率为90%,则当输出功率为100W时,则实际需要输出功率应为100W/90%=111W;若按每天使用5小时,则耗电量为111W*5小时=555Wh。

2.计算太阳能电池板:按每日有效日照时间为6小时计算,再考虑到充电效率和充电过程中的损耗,太阳能电池板的输出功率应为555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充电过程中,太阳能电池板的实际使用功率。

应用领域

为了降低太阳能级多晶硅生产成本,从而降低太阳能电池制造成本,促进太阳能光伏产业的发展。
 
一、用户太阳能电源

(1)小型电源10-100W不等,用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电,如照明、电视、收录机等;(2)3-5KW家庭屋顶并网发电系统;(3)光伏水泵:解决无电地区的深水井饮用、灌溉。

二、交通领域

如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。

三、通讯/通信领域

太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统;农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。

四、石油、海洋、气象领域

石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。

五、家庭灯具电源

庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。

六、光伏电站

10KW-50MW独立光伏电站、风光(柴)互补电站、各种大型停车厂充电站等。

七、太阳能建筑

将太阳能发电与建筑材料相结合,使得未来的大型建筑实现电力自给,是未来一大发展方向。

八、其他领域包括

(1)与汽车配套:太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等;(2)太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统;(3)海水淡化设备供电;(4)卫星、航天器、空间太阳能电站等。






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