太阳能论文

多晶硅太阳能电池

一、多晶硅太阳能电池的概述

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12％左右(2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。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。

多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。

二、多晶硅太阳能电池的工作原理

多晶硅太阳能电池芯片是具有光电效应的半导体器件，半导体的PN结被

光照后产生电流，当光直射太阳能电池芯片，其中一部分被反射，一部分被吸收。一部分透过电池芯片、被吸收的光激发被束缚的高能级状态下的电子，使之成为自由电子，这些自由电子在晶体内向各方向移动，余下空穴（电子以前的位置）。空穴也围绕晶体飘移，自由电子（－）在N结聚集，空穴（＋）在P结聚集，当外部环路被闭合，电流产生。

三、多晶硅电池构成

图1表示以铝为基板的结构。

这是一种n+-p-p+-Al基板形式，因为基板是绝缘体，所以需要取出p+一侧的电极，其Si层的特性是：p+层：20um—40um厚，电阻率10-3欧姆厘米；p层：5um—20um厚，杂质浓度为1016/cm3；n层：0.4um—4um厚，杂质浓度为1019/cm3，p层n+层的生长都采用SiHCl3外延生长，真空蒸镀铝电极，并蒸镀一层减反射膜，做成4cm—10cm的太阳电池。

图1 氧化铝为基板的电池构造

石墨基板上的电池结构

以石墨为基板的硅薄膜太阳电池的结构与图1结构形式相同。硅层的特性为p+层：10um—40um厚，电阻率2—3x10-8欧姆厘米；p层：8um—10um，电阻率：0.2—2欧姆厘米；n+层：0.2um—0.4um厚，电阻率1—2x10-3欧姆厘米；石墨基板3cm x 3cm。

四、多晶硅太阳能电池的工艺步骤 多晶硅太阳能电池的生产工艺流程

组件生产工艺流程

五、多晶硅太阳能电池的具体工艺

多晶硅太阳能电池生产过程一般经过熔铸晶片、制作电池工段。其生产工艺流程示意如下：硅料熔化一铸硅锭一切割硅碇一一制硅片一硅片清洗 硅片测试一硅片腐蚀一扩散制结等离子刻蚀

HF腐蚀一PECVD减反射膜一印刷背电极一背场烧结 正面电极印刷及烧结一电池测试、分选一入库或出售 多晶硅片工段：

生产多晶硅片的主要原料为多硅，制作工序为：

1)准备坩埚：二氧化硅(硅石)坩埚需涂上一层专门的材料，目的是防止融化的硅在坩埚上。

2)准备多硅：主料多硅被洗净之后再放进坩埚。

3)硅锭生产：在坩埚里放进大约240公斤的硅原料，用HEM熔炉熔炼，直接冷固化后形成一个大约690×690 X 220mm的硅锭。

4)切开硅锭：金属线电锯将硅锭切成25格125X 125mm的正方形晶片。再用钻代锯锯掉每一格(小块)的上、下部。最后用碾磨机在加工成晶片成品之前将每一格尖角斜切下来。

5)硅锭分片：用金属丝电锯将硅锭切成晶片

6)硅片清洗：将硅片放入输送带，在超声波洗涤剂里清洗，再在纯净水里漂洗，最后哄干。

7)硅片测试：测试晶片，以保证其厚度适当，耐性正常

电池阶段

多品硅电池一般层压工艺见下图：

1)典型电池板结构如上图所示，各层材料分别为： A——太阳能电池 B——低铁钢化玻璃 C--EVA

D一一背板(T．P．T)

E一一玻璃无纺布(现在国内厂家一般不使用该层) F一一互连条(涂锡铜带) G一一汇流条(涂锡铜带) H一一边框(铝合金或ABS)

I一一粘结胶(玻璃胶，或EVA条加热)

2)焊接一般事项

焊接时要使用助焊剂，一般采用松香型中性助焊剂。

焊接使用的电烙铁一般可以采用20W左右，烙铁头一般加工成扁平状，以利于和焊带全面接触，使用过程中应当注意烙铁头的修理一一般电池片的主栅线上不用专门加焊锡，或只需加少量焊锡，主要使用焊带表面的焊锡。焊锡过多焊接不容易保持平整。。 3)工艺过程

(1)电池板设计，根据需要设计电池板的大小和电池片的排列结构，一般排列结构有12 X 3，9 X4等，以下以9×4为例，一般电池片和电池片之间，电池片和汇流之间等间隔采用两到三毫米。

(2)电池片切割，材料准备准备36片电池，若干合适长度的互连条 (3)电池片正面焊接

首先焊接电池片正面(负极)连接线。接时先在电池片的主栅上用棉签涂少量助焊剂。焊带的焊接部分也涂上主焊剂，把焊带放在电池片的主栅线上，左手拿焊带，右手执烙铁，先把焊带的最右边用烙铁轻轻焊在电池上，以利于对齐，然后从左到右把烙铁头在焊带上拖过。注意速度要掌握好，，太慢也会影响焊接质量

(4)电池片串联

把已经焊好正面的电池片正面朝下摆放好，焊接电池片背面。焊接时可以把电池片紧靠在不锈钢直尺的边上，一方面可以保证边缘整齐，另一方面可以用直尺上的刻度保证两个电池片之间的间隔。焊接时注意各个电池片串的长度保持一致。

(5)排板

把四个电池片串带按照正确的方方向和一定的间距背面朝上在操作台上排列一起，各排之间对齐。

为了以后容易移动，电池片之间可以使用透明胶带在电池片背面粘结在一起。 (6)汇流条焊接

各个电池串之间使用汇流条焊接到一起，注意焊接时不要把各个电池串的极性接错。同时焊上引出用的汇流条作为电池板的引出线。引出线和汇流条的位置在电池片后面的，应该使用透明胶带绝缘处理。 (7)铺设

铺设时注意T.P.T和EVA要比玻璃稍大。大约每边留10到15毫米。 (8)引出

在层1和层2的适当位置用刀片切出合适的缝隙，把引出线从缝隙穿出。把引出线在外面用透明胶带固定。 (9)检验

对连接好的电池板应当进行电气检查和01-观检查 （10）层压

按照使用说明中的步骤打开层压机。以下主要说明如何放入和取出电池板。层压机内有两块机聚四氟玻璃纤维布，先铺一块在层压机内，在上面放入电池板。再盖一块聚四氟玻璃纤维布在上面。盖上层压机，层压机自动开始层压过程(在自动状下)。过程完成后层压机会自动打开上盖。层压机上盖自动打开后，把两层聚四氟玻璃纤维布和电池板一起取出。待温度稍低后揭下聚四氟玻璃纤维布。然后把聚四氟玻纤维布上的EVA清除干净聚四氟玻璃纤维布在使用过程中应当

始终用同一面接触池板，这样不容易把EVA粘到层压机上。 (11)切边

待电池板的温度降低以后，用裁纸刀切下玻璃边外的EVA和T.P.T。 （12）固化

电池板层压完成后，应按照EVA的特性进行固化(胶联)。一个典型的固化温度140度，30分钟。温度和时间应参照EVA的技术参数确定。固化过程在固化炉内进行。也可以把层压和固化放在一个层压过程内完成，具体参数要根据具体情况制定。一个参考的参数如下：层压机温度150度，抽空时间6分钟，层压固化时间7分钟。 （13）装边框

使用铝合金边框可以在铝合金边框内涂玻璃胶，也可以把EVA裁成2厘米左右宽的长条裹在电池板玻璃边上装入铝合金框体，然后加热使之热熔到一起。 (14）安装接线盒 （15）测试

六、多晶硅生产工艺的特点：

1)采用了长晶凝铸技术和标准化的坩埚设备，可以凝铸大型(240公斤)的晶锭，大幅度提高了产量，并减少了能源消耗；与单晶硅相比，多晶硅能用较低纯度的原材料，降低了成本和原材料的采购难度。

2)采用了氮化硅抗反射膜，较之传统的氧化碲稳定；同时，除了抗反射外，氮化硅膜内的氢原子也发挥很大的表面与内部钝化作用。

3)五英寸与六英寸的多晶硅正方形太阳能电池板封装密度上具有更强的竞争力。 4)采用了多线锯技术，多线锯的采用与制程设备自动化大大提高了多晶硅太阳能

电池相对于薄膜太阳能电池的竞争力。与传统的内径锯相比，多线锯的产能高、切割损失小，对芯片表面的伤害少，同时叉可切较薄的芯片，这样可节省约30％的材料成本。

七、影响多晶硅太阳能电池的因素

判别多晶硅太阳能电池的好坏，最重要的是其转换效率，转换效率可定义为：

其中Pin为太阳光入射功率，Pm为最大输出功率，Im与Vm分别为在最大输出功率时的电流与电压。在光电转换的过程中，事实上。并非所有的入射光谱都能被太阳能电池所吸收，并完全转成电流。有一半左右的光谱因能量太低(小于半导体的能隙)，对电池的输出没有贡献，而在另半被吸收的光子中，除了产生电子一电洞对所需的能量外，约有一半左右的能量以热的形式释放掉，所以单一电池的最高效率约在25％左右，目前实验室所制作出的电池，几乎可达到理论值的最高水准。但由于制造过程复杂，不能规模化生产，制作成本极高，不符合经济效益。

如何制造才能提升太阳能电池的转换效率，一直是学术界努力的目标。目

前除开发多晶硅大晶锭熔铸技术、采用多线锯切割，减少材料损耗、降低成本外，还可以从以下几方面提高其光电转换效率：

1)将不透光的金属电极作成手指状或是网状，以减少光线的反射，使大部分的入射阳光都能进入半导体材料中；

2)将表面制成金字塔型的组织结构，并加入抗反射层，以减少光的反射量， 3)将金属电极埋人基板中，以增加接触面积，减少串联电阻；

4)点接触式太阳能电池，此电池的特点是电极均做在同一面，如此可增加入射光

的面积，且易于焊线；

5)将太阳能电池制成串叠型电池，把两个或两个以上的元件堆叠起来，能够吸收较高能量光谱的电池放在上层，吸收较低能量光谱的电池放在下层，透过不同材料的电池将光子的能量层层吸收。实验室制造出来的多接面串叠型电池的转换效率可达33.3％。

八、多晶硅电池应用前景

中国对太阳能电池的研究开发工作高度重视，早在七五期间，非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题；八五和九五期间，中国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。2003年10月，国家发改委、科技部制定出未来5年太阳能资源开发计划，发改委\光明工程\将筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用，计划到2015年全国太阳能发电系统总装机容量达到300兆瓦。中国已成为全球光伏产品最大制造国，中国即将出台的《新能源振兴规划》，中国光伏发电的装机容量规划为2020年达到20GW，是原来《可再生能源中长期规划》中1.8GW的10多倍。

2002年，国家有关部委启动了\西部省区无电乡通电计划\，通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业，国内建起了几条太阳能电池的封装线，使太阳能电池的年生产量迅速增加。据专家预测，中国光伏市场需求量为每年5MW,2001～2010年，年需求量将达10MW，从2011年开始，中国光伏市场年需求量将大于20MW。 2009年，国务院根据工信提供的报告指出多晶硅产能过剩，实际业界人并不认可，科技部已经表态，多晶硅产能并不过剩。

人类发展太阳能电池的最终目标，就是希望取代目前以煤、石油、天然气为主的传统能源。太阳能取之不尽、用之不竭，是地球上人人均可分享的绿色自然可再生能源。据估算，陆地表面每年接受的太阳辐射能约为2．4万亿吨标准煤。世界各地太阳平均辐射能达335～837KJ／cm2．a。若把太阳表面所放射出来的能量换算成电力约3．8×1023KW;若考虑太阳光经过一亿五千万公里距离的良师衰减，穿过大气层到达地球表面也约有1．8×1014KW，这个值大约为全球平均电力的十万倍之大。如果人类能够有效的利用太阳能，则不仅能解决人类生存和发展所需的能源消耗问题，同时也将解决人类赖以生存和发展所需的生态环保问题。由此可知，多晶硅太阳能电池有着广阔的应用前景和巨大的发展空间。

人类发展太阳能电池的最终目标，就是希望取代目前以煤、石油、天然气为主的传统能源。太阳能取之不尽、用之不竭，是地球上人人均可分享的绿色自然可再生能源。据估算，陆地表面每年接受的太阳辐射能约为2．4万亿吨标准煤。世界各地太阳平均辐射能达335～837KJ／cm2．a。若把太阳表面所放射出来的能量换算成电力约3．8×1023KW;若考虑太阳光经过一亿五千万公里距离的良师衰减，穿过大气层到达地球表面也约有1．8×1014KW，这个值大约为全球平均电力的十万倍之大。如果人类能够有效的利用太阳能，则不仅能解决人类生存和发展所需的能源消耗问题，同时也将解决人类赖以生存和发展所需的生态环保问题。由此可知，多晶硅太阳能电池有着广阔的应用前景和巨大的发展空间。

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