太阳能电池介绍

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1、多 晶 硅 太 阳 能 电 池 介 绍 Part One太 阳 能 电 池 简 介01太 阳 能 电 池 利 用 半 导 体 材 料 的 电 子 特 性 ，把 光 能 直 接 转 换 为 电 能 。 太 阳 能 电 池 是 指 利 用 太阳 光 的 能 量 发 电 的 电 磁种 类 。 相 对 于 普 通 电 池和 可 循 环 充 电 电 池 来 说 ，太 阳 能 电 池 属 于 更 节 能环 保 的 绿 色 产 品 。 Part Two太 阳 能 电 池 基 本 原 理02太 阳 能 电 池 是 由 电 性 质 不 同 的 n型 半 导 体 和 p型 半 导 体 连 接 合 成 ，一 边 是

2、 p区 ,一 边 是 n 区 ， 在 两 个 相 互 接 触 的 界 面 附 近 形 成 一 个结 叫 p - n结 ， 结 区 内 形 成 内 建 电 场 ， 成 为 电 荷 运 动 的 势 垒 。 当 太 阳 光 入 射 到 太 阳 电 池 表 面 上 后 ,所 吸 收 得 能 量 大 于 禁 带宽 度 ， 在 p-n结 中 产 生 电 子 -空 穴 对 ， 在 p-n结 内 建 电 场 作 用下 ， 空 穴 向 p区 移 动 ， 电 子 向 n区 移 动 ， 从 而 在 p区 形 成 空 穴积 累 ， 在 n区 形 成 电 子 积 累 。 若 电 路 闭 合 ， 形 成 电 流 。 太

3、阳 能 电 池 结 构 太 阳 能 电 池 结 构 1、 无 机 太 阳 能 电 池2、 有 机 太 阳 能 电 池3、 光 化 学 太 阳 能 电 池太 阳 能 电 池 分 类 1、 无 机 太 阳 能 电 池2、 有 机 太 阳 能 电 池3、 光 化 学 太 阳 能 电 池太 阳 能 电 池 分 类薄 膜块 状 多 晶 硅单 晶 硅化 合 物 半 导 体 薄 膜 型硅 薄 膜 型 非 晶 硅多 晶 硅 碲 化 镉砷 化 镓铜 铟 镓 硒 1、 光 化 学 太 阳 能 电 池 光 化 学 电 池 是 通 过 光的 催 化 作 用 促 进 电 池 的正 负 极 反 生 电 化 学 反 应生

4、成 电 。 而 太 阳 电 池 正负 极 之 间 没 有 化 学 反 应 ，只 是 光 激 发 电 子 和 空 穴的 产 生 ， 经 过 外 电 路 后 ，电 子 与 空 穴 复 合 。 2、 有 机 化 合 物 太 阳 能 电 池 以 酞 菁 、 卟 啉 、 苝 、叶 绿 素 等 为 基 体 材 料 的太 阳 能 电 池 。 如 有 机 PN结 太 阳 能 电 池 ， 有 机 肖特 基 太 阳 能 电 池 等 。 如聚 乙 烯 太 阳 能 电 池 、 共轭 聚 合 物 /C 60复 合 体 系 太阳 能 电 池 等 。 3、 无 机 化 合 物 太 阳 能 电 池(1)薄 膜 太 阳 能 电

5、 池 指 利 用 薄 膜 技 术 将 很 薄 的 半 导 体 光 电 材 料 铺 在 非 半 导体 的 村 底 上 面 构 成 的 光 伏 电 池 。这 种 电 池 可 大 大 地 减 少 半 导体 材 料 的 消 耗 （ 薄 膜 厚 度 以 m计 ） 从 而 大 大 地 降 低 了光 伏 电 池 的 成 本 。 可 用 于 构 成 薄 膜 光 伏 电池 的 材 料 有 很 多 种 主 要 包括 多 晶 硅 、 非 晶 硅 、 碲 化 镉以 及 CIGS等 。 (2)单 晶 硅 物 太 阳 能 电 池 单 晶 硅 是 硅 的 单 晶 体 ， 具 有 基 本 完 整 的 点 阵 结 构 的 晶体

6、 ,晶 体 排 列 整 齐 ， 可 以 由 多 晶 硅 熔 炼 而 来 。单 晶 硅 太 阳 能 电 池 的 光 电 转 换 效率 比 多 晶 硅 高 ， 光 电 转 换 效 率 为17%左 右 ， 最 高 的 达 到 24 ， 这是 目 前 所 有 种 类 的 太 阳 能 电 池 中光 电 转 换 效 率 最 高 的 ， 单 晶 硅 使用 寿 命 使 用 寿 命 最 高 可 达 25年 。 (3)多 晶 硅 太 阳 能 电 池 熔 融 的 单 质 硅 在 过 冷 条 件 下 凝 固 时 ， 硅 原 子 以 金 刚 石 晶 格形 态 排 列 成 许 多 晶 核 ， 如 这 些 晶 核 长 成

7、晶 面 取 向 不 同 的 晶 粒 ，则 这 些 晶 粒 结 合 起 来 ， 就 结 晶 成 多 晶 硅 。由 于 结 构 特 点 ， 转 换 效 率较 略 低 ， 约 为 15%， 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 。 多 晶 硅 电 池 的 结 构 和 多 晶 硅工 艺02 Part Two 多 晶 硅 太 阳 能 电 池 板 构 成 及 各 部 分 功 能 ：总 体 结 构 图 （ 1） 钢 化 玻 璃 其 作 用 为 保

8、 护 发 电 主 体 （ 电池 片 ） ， 且 透 光 率 高 ， 延 长电 池 片 寿 命 （ 2） EVA（ 乙 烯 -醋 酸 乙 烯 共 聚 物 ） ：用 来 粘 结 固 定 钢 化 玻 璃 和 发 电 主 体 （ 如 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 ，（ 3） 多 晶 硅 太 阳 能 电 池 板 ： 是 多 晶 硅 太 阳 能 电 池 板 的 主 体 ， 主 要 作 用 就 是发 电 。 （ 4） 背 板 ： 作 用 是 用 来密 封 、 绝 缘 、 防 水 。（

9、5） 接 线 盒 ： 其 作 用 是保 护 整 个 发 电 系 统 ， 起 到电 流 中 转 站 的 作 用 。（ 6） 铝 合 金 ： 保 护 层 压件 ， 起 一 定 的 密 封 、 支 撑作 用 。（ 7） 硅 胶 ： 密 封 作 用 。 目 前 ， 在 工 业 中 以 及 试 验 中 主 要 的 技 术 有 ：高 纯 多 晶 硅 硅 料 主 要 生 产 方 法三氯氢硅氢还原法（改良西门子法）硅烷法流化床法经 过 化 学 提 纯 得 到 的 高 纯多 晶 硅 的 基 硼 浓 度 应 小 于0.05ppba(十 亿 分 之 一 原 子比 )，基 磷 浓 度 小 于 0.15ppba，金 属

10、 杂 质 浓 度 小 于 1.0ppba。冶金法 三 氯 氢 硅 氢 还 原 法 于 1954年 由 西 门 子 公 司 研 究 成 功 ， 因 此 又称 为 西 门 子 法 。 主 要 化 学 反 应 主 要 包 括 以 下 2个 步 骤 ：1、 三 氯 氢 硅 （ ） 的 合 成 ；2、 高 纯 硅 料 的 生 产 ：西 门 子 法 3iS HCI 3 23i iS HCI S HCI H 3 2 3i iS HCI H S HCI 问 题 ： 副 产 品 HCl 污 染 大 ， 产物 无 法 得 到 有 效 利 用 改良西门子法多晶硅制备工艺原理图改良西门子法工业硅硅粉氯气氯化氢合成三氯

11、氢硅合成氯化氢气体三氯氢硅提纯干法回收四氯化硅氢化三氯氢硅三氯氢硅多晶硅还原还原尾气氢气氢气西 门 子 法改 进 能 耗 比 较 050100150200 250 改 良 西 门 子 法 硅 烷 法 流 化 床 冶 金 法能 耗 /Kw*h/kg 改 良 西 门 子 法200 180 160 120 100 70 050100150200 250 能耗/KW.h/kg改 良 西 门 子 法 不 断 改 进 ， 能 耗 不 断 下 降 ， 目前 ， 国 外 先 进 工 艺 可 达 70KW.h/kg 几 种 制 备 方 法 的 比 较方 法 原 料 产 品 用 途 副 产 品 /环境 是 否 有

12、害 优 点 缺 点改 良 西 门 子法 （ 产 量 占全 球 80%以 上 ） 三 氯 氢 硅 太 阳 能 级 ，电 子 级 无 污 染 最 为 成 熟 、 最 容 易 扩建 的 工 艺 相 比 较 ， 能 耗 较 高硅 烷 法 （ 产量 占 全 球 12%左 右 ） 硅 烷 电 子 级 ，太 阳 能 级 氢 气 /基 本无 害 成 本 低 ， 环 境 友 好硅 烷 气 体 无 腐 蚀 性 ，热 分 解 率 高 ， 产 品 纯度 高 ， 产 量 高 硅 烷 气 体 是 一 种 易 燃 易 爆 的 气 体 ， 对 系统 的 气 密 性 要 求 较 高 ， 所 以 系 统 的 硬 件建 设 标 准

13、 要 求 较 高 。冶 金 法 （ 国 内 实 验 状 态 ） 冶 金 硅 太 阳 能 级 氢 气 /基 本无 害 成 本 低 、 建 设 周 期 短 、无 化 学 污 染 纯 度 问 题 是 致 命 伤流 化 床 法（ 国 内 实 验状 态 ） 硅 烷 ， 三氯 氢 硅 太 阳 能 级 少 /基 本 无害 能 耗 低 ， 单 台 设 备 生产 量 大 (一 般 可 以 达 到年 产 500 吨 以 上 ) 设 备 复 杂 ， 维 护 费 用 高 ， 需 要 解 决 炉 内热 损 失 ， 炉 壁 重 金 属 污 染 等 问 题 改 良 西 门 子 法 依 然 “ 综 合 素 质 ” 最优 的

14、多 晶 硅 生 产 工 艺 ， 短 时 间 内 被其 他 工 艺 替 代 的 可 能 很 小 。四 大 多 晶 硅 供 应 商 （ 保 利 协 鑫 、 德国 Wacker、 美 国 Hemlock、 韩 国 OCI） 03Part Three多 晶 硅 太 阳 能 电 池 制 备 工 艺 一 次 清 洗 扩 散 湿 法 刻 蚀 镀 氮 化 硅 丝 网 印 刷 烧 结 测 试工 艺 流 程多 晶 硅 片 单 片 电 池 一 次 清 洗 工 序 主 要 目 的 是 去 除 硅 片 表 面 的 脏 污 和 机 械 损 伤 层 ， 在 硅 片 表 面 形 成 绒 面结 构 （ 俗 称 制 绒 ） ，

15、增 强 太 阳 能 电 池 的 陷 光 作 用 ， 即 减 弱 太 阳 能 电 池的 反 射 。 主 要 工 艺 ： 化 学 腐 蚀 法 ， 电 化 学 腐 蚀 ， 反 应 离 子 刻 蚀 法 ， 激 光 刻 蚀陷 光 作 用 影 响 电 池 效率 一 次 清 洗 工 序 化 学 腐 蚀 法 具 体 的 总 反 应 方 程 式 如 下 3Si+4 HNO3 3SiO2+2H2O+4NO SiO2 +6HF H2(SiF6)+2H2O 太 阳 能 级 Si HNO3(强 氧 化 剂 ） 致 密 的 SiO2 促 进 HNO3和Si反 应 ， 不 断腐 蚀 Si 阻 止 Si和 HNO3反 应 可

16、 溶 于 水 的 H2SiF6 虫 孔 结 构 扩 散 工 序 扩 散 实 际 上 就 是 物 质 分 子 从 高 浓 度 区 域 向 低 浓 度 区 域 转 移 ， 直 到 均 匀 分布 的 现 象 。 其 实 质 是 形 成 太 阳 能 电 池 的 心 脏 -PN 结 。 三 氯 氧 磷 （ POCl3） 液 态 源 扩 散 的 原 理 ： 总 化 学 反 应 方 程 式 为 ： 4POCl 3 +5O2 2P2O5 +6Cl2 2P2O5+5Si 5 SiO2+4P4 湿 法 刻 蚀 工 艺 目 的 ： 采 用 湿 法 刻 蚀 方 法 将 电 池 背 面 的 PN结 去 除 ， 以 达

17、到 分离 PN 结 的 效 果 ， 从 而 减 小 漏 电 流 。 原 理 ： 总 反 应 化 学 方 程 式 和 制 绒 过 程 一 样 ， 其 区 别 在 于 控 制HF和 HNO3的 浓 度 ， 来 决 定 是 制 绒 腐 蚀 还 是 抛 光 腐 蚀 工 艺 关 键 参 数 ： 酸 碱 槽 溶 液 浓 度 等 离 子 体 增 强 化 学 气 相 沉 积 （ PEVCD)工 序 目 的 ： 在 硅 片 表 面 沉 积 一 层 氮 化 硅 薄 膜 原 理 ： 在 真 空 压 力 下 ， 利 用 射 频 电 场 给 电 子 加 速 并 给 予 其 能 量 ， 增加 反 应 气 体 的 活 性

18、， 和 硅 基 分 子 发 生 反 应 。两 束 反 射 光 R1、 R2 产 生 相消 干 涉 丝 网 印 刷 工 艺 目 的 ： 就 是 在 镀 膜 后 硅 片 的 正 反 两 面 印 刷 电 极 、 背 电 场 ， 经 过 烧 结 后 使 其 能够 很 好 的 收 集 光 生 电 流 并 顺 利 导 出 ， 实 现 电 能 与 光 能 之 间 的 高 效 转 化 。 原 理 图 丝 网 印 刷 的 原 理 ， 就是 将 带 有 图 案 的 模 板附 着 在 丝 网 上 ， 利 用图 案 部 分 网 孔 透 过 浆料 ， 而 非 图 案 部 分 不透 浆 料 的 特 征 来 进 行印 刷

19、。 烧 结 工 艺 目 的 ： 使 硅 片 和 电 极 间 形 成 良 好 的 欧 姆 接 触步 骤 目 的 影 响 因 素将 半 导 体 多 晶 硅 和 金 属 电极 加 热 到 共 晶 温 度 使 硅 原 子 将 按 某 快 速 向 熔 融 的 合 金 电极 中 扩 散 体 积 越 大 ， 温 度 越 高 ，硅 原 子 数 目 越 多在 某 点 突 然 降 温 使 固 态 硅 原 子 从 金 属 和 硅 界 面 处 的 合金 中 析 出 ， 生 长 出 外 延 层 杂 质 成 分 决 定 ， 杂 质成 分 足 够 ， 则 接 触 良好 测 试测 试 硬 件 框 图地 面 用 太 阳 能 电

20、 池 的 国 际 标 准 测 试 条 件 为 ：辐 照 度 ： 1000W/m2； 光 线 的 辐 照 度 为 1000W/m2；电 池 温 度 ： 25 ；光 谱 分 布 ： AM1.5(就 是 光 线 通 过 大 气 的 实 际 距 离 为 大 气 垂 直 厚 度 的 1.5倍 )。 多 晶 硅 太 阳 能 电 池 和 其 他 电 池 比 较Part Four04 多 晶 硅 单 晶 硅 非 晶 硅 转 换 效 率25% 20% 13%20% 15% 10%0%5%10%15%20%25%30% 单 晶 硅 多 晶 硅 非 晶 硅几 种 材 料 电 池 效 率 比 较单 电 池 模 块 效

21、 率 组 合 电 池 模 块 近 年 来 多 晶 单 晶 （ 平 均 ） 效 率 对 比17.60% 17.80% 18.30% 18.60% 18.80% 19.10% 16.20% 16.40% 16.70% 17.00% 17.30% 17.60%14.50%15.00%15.50%16.00%16.50%17.00%17.50%18.00%18.50%19.00% 19.50% 2009 2010 2011 2012 2013 2014单晶多晶 多 晶 始 终 和 单 晶 差 一截 工 艺 进 步 降 低 成 本 多 晶 的 最 大 优 势 ： 成 本近 年 来 随 着 工 艺 进 步

22、 ， 成 本优 势 减 小 多 晶 硅 产 业 规 模 优 势 依 然 巨 大39% 36% 29% 29% 30% 31% 33% 35%61% 64% 71% 71% 70% 69% 67% 65% 0%10%20%30%40%50%60%70%80% 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017单晶硅多晶硅全 球 光 伏 电 站 ， 单 晶 硅 约 占 30%目 前 ， 国 内 市 场 ， 多 晶 硅 和 单 晶 硅 约 为 4:1， 国 际 上约 为 3:1 ， 该 比 例 今 后 有 望 缩 小 我 国 多 晶 硅 产 业 发 展05 Part Fi

23、ve 2001-2011年 一 路 狂 奔 50 200 400 1088 2600 4011 108005% 11.76% 21% 54% 37% 57% 64% 0%10%20%30%40%50% 60%70% 02000400060008000100001200014000 1600018000 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 光伏产量/MW世界新增装机容量/MW比例中 国 多 晶 硅 电 池 产 业 自 2004年 疯 狂 扩 张 ， 不 到10年 ， 规 模 全 球 第 一 然 而 ， 好 景 不 长 ， 2011 年 ， 欧 债 危 机 和 双

24、 反 危机 使 中 国 光 伏 遭 遇 寒 冬 2013年 3月 ， 无 锡 尚 德 破 产 重 组 痛 定 思 痛 ： 我 国 光 伏 产 业 问 题 1.国 内 产 能 过 剩 问 题 依 然 存 在 41 63 80 90 97 10216.8 29.7 40.2 41.4 52.2 62.1020406080100120 2010 2011 2012 2013 2014 2015 全 球 光 伏 产 量 和 需 求 产能/GW需求/GW 2.技 术 水 平 低 ， 原 材 料 依 赖 进 口 2.04 4.5 8.28 5.64 8.41 13.64.57 4.57 6.39 8.28

25、 6.07 10.2202468101214 16 2009 2010 2011 2012 2013 2014 我 国 多 晶 硅 产 量 和 进 口 量我 国 多 晶 硅 产 量 进 口 产 量 多 晶 硅 产 量逐 年 增 加 ，但 依 然 依 赖进 口 3.严 重 依 赖 国 际 市 场 ， 国 内 市 场 开 发 迟 缓 中 国 , 43%美 国 , 19%韩 国 , 16%德 国 , 17% 日 本 , 4%其 他 , 1%2014全 球 多 晶 硅 产 量中 国 美 国 韩 国 德 国 日 本 其 他 中 国 大 陆76%中 国 台 湾9% 韩 国5%日 本3%东 南 亚3%欧 盟

26、2%其 他2%2014全 球 硅 片 生 产中 国 大 陆 中 国 台 湾 韩 国 日 本东 南 亚 欧 盟 其 他中 国 大 陆 , 70%中 国 台 湾 , 5%日 本 , 5%东 南 亚 , 10%其 他 , 4%全 球 组 件 生 产中国大陆中国台湾日本东南亚欧洲其他我 国 光 伏 展 望 ： 前 景 良 好优 势 1： 产 业 规 模 大 2.政 策 补 贴 ， 应 用 加 速 30166 14104 0 5 10 15 20 25 30 35201420132012 新 增 装 机 量 /GW 累 计 装 机 量 /GW国 内 对 于 光 伏 电 站 的 补 贴 政 策 不 断 出

27、 台 ， 使 得 国 内 的 光 伏 电 站 建 设遍 地 开 发 。 据 估 计 ， 2015年 将 新 增 光 伏 发 电 15GW左 右 。 915.7 301.8 26.5 95.8 19.95.90% 7.90% 67% 25.60% 36.10% 0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00% 60.00%70.00%80.00% 0100200300400500600 7008009001000 火 电 水 电 光 伏 风 电 核 电装机容量/GW同比增速2 截 止 2014年 底 ， 我 国非 化 石 能 源 占 比 11.1%，要 在 2030年 实 现 20%的 目 标 ， 光 伏 产 业 发展 潜 力 巨 大 。