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晶体硅太阳电池及材料

2019-07-19 11:40

    晶体硅太阳电池及材料引言?年法国Becqueral第一次在化学电池中观察到光伏效应。年在固态硒(Se)的系统中也观察到了光伏效应随后开发出Se/CuO光电池。有关硅光电他的报道出现于年。贝尔实验室Chapin等人年开发出效率为%的单晶硅光电池现代硅太阳电池时代从此开始。硅太阳电他于年首先在航天器上得到应用。在随后多年里硅太阳电池在空间应用不断扩大工艺不断改进电他设计逐步定型。这是硅太阳电池发展的第一个时期。第二个时期开始于年代初在这个时期背表面场、细栅金属化、浅结表面扩散和表面织构化开始引人到电池的制造工艺中太阳电池转换效率有了较大提高。与此同时硅太阳电池开始在地面应用而且不断扩大到年代未地面用太阳电池产量已经超过空间电池产量并促使成本不断降低。年代初硅太阳电他进入快速发展的第三个时期。这个时期的主要特征是把表面钝化技术、降低接触复合效应、后处理提高载流子寿命、改进陷光效应引入到电他的制造工艺中。以各种高效电池为代表电池效率大幅度提高商业化生产成本进一步降低应用不断扩大。?在太阳电他的整个发展历程中先后出现过各种不同结构的电池如肖特基(Ms)电池MS电池MINP电他异质结电池(如ITO(n)/Si(p)aSi/cSiGe/Si)等其中同质pn结电池结构自始至终占主导地位其它结构对太阳电他的发展也有重要影响。?以材料区分有晶硅电池非晶硅薄膜电池铜钢硒(CIS)电池磅化镐(CdTe)电池砷化稼电他等而以晶硅电池为主导由于硅是地球上储量第二大元素作为半导体材料人们对它研究得最多、技术最成熟而且晶硅性能稳定、无毒因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。?晶硅电他的技术发展.地面应用推动各种新型电池的出现和发展?晶硅电池在年代初引入地面应用。在石油危机和降低成本的推动下太阳电池开始了一个蓬勃发展时期这个时期不但出现了许多新型电池而且引入许多新技术。例如:?()背表面电场(BSF)电池在电他的背面接触区引入同型重掺杂区由于改进了接触区附近的收集性能而增加电他的短路电流背场的作用可以降低饱和电流从而改善开路电压提高电池效率。?()紫光电他一一这种电池最早()是为通信卫星开发的。因其浅结(.一.μm)密栅(/cm)、减反射(TaO短波透过好)而获得高效率。在一段时间里浅结被认为是高效的关键技术之一而被采用。?()表面织构化电池也称绒面电池最早()也是为通讯卫星开发的。其AM时电池效率η≥%AMI时η>%。这种技术后来被高效电他和工业化电池普遍采用。?()异质结太阳电池即不同半导体材料在一起形成的太阳电池J瞩SnO/SiIn/Si(n十SnO/Si电池等。由于SnO、InO、(InO+SnO)等带隙宽透光性好制作电池工艺简单曾引起许多研究者的兴趣。目前因效率不高等问题研究者已不多但SnO、InO、(nO+SnO)是许多薄膜电他的重要构成部分作收集电流和窗口材料用。?()MS电池是肖特基(MS)电他的改型即在金属和半导体之间加入.一.nm绝缘层使MS电池中多子支配暗电流的情况得到抑制而变成少子隧穿决定暗电流与pn结类似。?其中i层起到减少表面复合的作用。经过改进的MS电池正面有一μm的SiO膜在膜上真空蒸发金属栅线整个表面再沉积SiN薄膜。SiN薄膜的作用是:①保护电池增加耐候性②作为减反射层(ARC)降低薄膜复合速度:①在p型半导体一侧产生一个n型导电反型层。对效率产生决定性影响的是在介电层中使用了银。该电池优点是工艺简单但反型层的薄层电阻太高。?()MINP电池可以把这种电池看作是MS电池和p一n结的结合其中氧化层对表面和晶界复合起抑制作用。这种电池对后来的高效电池起到过渡作用。?()聚光电池聚光电他的特点是电池面积小从而可以降低成本同时在高光强下可以提高电池开路电压从而提高转换效率因此聚光电池一直受到重视。比较典型的聚光电池是斯但福大学的点接触聚电池其结构与非聚光点接触电池结构相同不同处是采用Ωcm高阻n型材料并使电池厚度降低到一tLm使体内复合进一步降低。这种电池在个太阳下转换效率达到.%。.晶硅太阳电池向高效化和薄膜化方向发展晶硅电池在过去年里有了很大发展许多新技术的采用和引入使太阳电池效率有了很大提高。在早期的硅电池研究中人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电池性能如背表面场浅结绒面氧化膜钝化Ti/Pd金属化电极和减反射膜等。后来的高效电池是在这些早期实验和理论基础上的发展起来的。..单晶硅高效电池?单晶硅高效电池的典型代表是斯但福大学的背面点接触电池(PCC)新南威尔士大学(UNSW)的钝化发射区电池(PESCPERCPERL以及德国Fraumhofer太阳能研究所的局域化背表面场(LBSF)电池等。我国在“八五”和“九五”期间也进行了高效电池研究并取得了可喜结果。近年来硅电他的一个重要进展来自于表面钝化技术的提高。从钝化发射区太阳电池(PESC)的薄氧化层(<nm)发展到PCC/PERC/PER。电池的厚氧化层(nm)。热氧化钝化表面技术已使表面态密度降到卜cm以下表面复合速度降到cm/s以下。此外表面V型槽和倒金字塔技术双层减反射膜技术的提高和陷光理论的完善也进一步减小了电池表面的反射和对红外光的吸收。低成本高效硅电池也得到了飞速发展。()新南威尔士大学高效电池(A)钝化发射区电池(PESC):PESC电池年问世年V型槽技术又被应用到该电池上效率突破%。V型槽对电他的贡献是:减少电池表面反射垂直光线在V型槽表面折射后以”角进入硅片使光生载流子更接近发射结提高了收集效率对低寿命衬底尤为重要V型槽可使发射极横向电阻降低倍。由于PESC电他的最佳发射极方块电阻在Ω/口以上降低发射极电阻可提高电池填充因子。?在发射结磷扩散后…m厚的Al层沉积在电他背面再热生长nm表面钝化氧化层并使背面Al和硅形成合金正面氧化层可大大降低表面复合速度背面Al合金可吸除体内杂质和缺陷因此开路电压得到提高。早期PESC电池采用浅结然而后来的研究证明浅结只是对没有表面钝化的电他有效对有良好表面钝化的电池是不必要的而氧化层钝化的性能和铝吸除的作用能在较高温度下增强因此最佳PEsC电他的发射结深增加到μm左右。值得注意的是目前所有效率超过%的电池都采用深结而不是浅结。浅结电池已成为历史。?PEsC电池的金属化由剥离方法形成Tipd接触然后电镀Ag构成。这种金属化有相当大的厚/宽比和很小的接触面积因此这种电池可以做到大子%的填充因子和.%(AM.)的效率。(B)钝化发射区和背表面电池(PERC):铝背面吸杂是PEsC电池的一个关键技术。然而由于背表面的高复合和低反射它成了限制PESC电池技术进一步提高的主要因素。PERC和PERL电池成功地解决了这个问题。它用背面点接触来代替PEsC电他的整个背面铝合金接触并用TCA(氯乙烷)生长的nm厚的氧化层来钝化电他的正表面和背表面。TCA氧化产生极低的界面态密度同时还能排除金属杂质和减少表面层错从而能保持衬底原有的少子寿命。由于衬底的高少子寿命和背面金属接触点处的高复合背面接触点设计成mm的大间距和Lm的接触孔径。接触点间距需大于少子扩散长度以减小复合。这种电池达到了大约mV的开路电压和.%的效率。然而由于接触点间距太大串联电阻高因此填充因子较低。(C)钝化发射区和背面局部扩散电池(PERL):在背面接触点下增加一个浓硼扩散层以减小金属接触电阻。由于硼扩散层减小了有效表面复合接触点问距可以减小到μm、接触孔径减小到μm而不增加背表面的复合从而大大减小了电他的串联电阻。PERL电池达到了mV的开路电压和.%的效率。PERC和PER。电池的另一个特点是其极好的陷光效应。由于硅是间接带隙半导体对红外的吸收系数很低一部分红外光可以穿透电池而不被吸收。理想情况下入射光可以在衬底材料内往返穿过n次n为硅的折射率。PER。电池的背面由铝在SiO上形成一个很好反射面入射光在背表面上反射回正表面由于正表面的倒金字塔结构这些反射光的一大部分又被反射回衬底如此往返多次。Sandia国家实验室的P。Basore博士发明了一种红外分析的方法来测量陷光性能测得PERL电池背面的反射率大于%陷光系数大于往返次。因此PREL电他的红外响应极高也特别适应于对单色红外光的吸收。在.μm波长的单色光下PER。电他的转换效率达到.%。这种电池AM下效率也达到了.%。?(D)埋栅电池:UNSW开发的激光刻槽埋栅电池在发射结扩散后用激光在前面刻出μm宽、μm深的沟槽将槽清洗后进行浓磷扩散。然后在槽内镀出金属电极。电极位于电池内部减少了栅线的遮蔽面积。电池背面与PESC相同由于刻槽会引进损伤其性能略低于PESC电池。电他效率达到.%。?()斯但福大学的背面点接触电池(PCC)?点接触电他的结构与PER。电池一样用TCA生长氧化层钝化电池正反面。为了减少金属条的遮光效应金属电极设计在电池的背面。电池正面采用由光刻制成的金字塔(绒面)结构。位于背面的发射区被设计成点状μm间距μm扩散区μm接触孔径基区也作成同样的形状这样可减小背面复合。衬底采用n型低阻材料(取其表面及体内复合均低的优势)衬底减薄到约μm以进一步减小体内复合。这种电他的转换效率在AM.下为.%。?()德国Fraunhofer太阳能研究所的深结局部背场电池(LBSF)?LBSF的结构与PERL电池类似也采用TCA氧化层钝化和倒金字塔正面结构。由于背面硼扩散一般造成高表面复合局部铝扩散被用来制作电池的表面接触cmXcm电池电池效率达到.%(Voc=mVIsc-~.mAFF一.)。?()日本sHARP的C一Si/μcSi异质pp结高效电池?SHARP公司能源转换实验室的高效电池前面采用绒面织构化在SiO钝化层上沉积SiN为A只乙后面用RFPECVD掺硼的μc一Si薄膜作为背场用SiN薄膜作为后表面的钝化层Al层通过SiN上的孔与μcSi薄膜接触。cmXcm电他在AM.条件下效率达到.%(Voc=mVIsc=mAFF=.)。?()我国单晶硅高效电池?天津电源研究所在国家科委“八五”计划支持下开展高效电池研究其电池结构类似UNSw的V型槽PEsC电池电池效率达到.%。北京市太阳能研究所“九五”期间在北京市政府支持下开展了高效电池研究电池前面有倒金字塔织构化结构cmXcm电池效率达到了.%大面(cmXcm)激光刻槽埋栅电池效率达到了.%。.多晶硅高效电池?多晶硅太阳电他的出现主要是为了降低成本其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭设备比较简单制造过程简单、省电、节约硅材料对材质要求也较低。晶界及杂质影响可通过电他工艺改善由于材质和晶界影响电池效率较低。电池工艺主要采用吸杂、钝化、背场等技术。?近年来吸杂工艺再度受到重视包括三氯氧磷吸杂及铝吸杂工艺。吸杂工艺也在微电子器件工艺中得到应用可见其对纯度达到一定水平的单晶硅硅片也有作用但其所用的条件未必适用于太阳电他因而要研究适合太阳电池专用的吸杂工艺。研究证明在多晶硅太阳电池上不同材料的吸杂作用是不同的特别是对碳含量高的材料就显不出磷吸杂的作用。有学者提出了磷吸杂模型即吸杂的速率受控干两个步骤:①金属杂质的释放/扩散决定了吸杂温度的下限②分凝模型控制了吸杂的最佳温度。另有学者提出在磷扩散时硅的自间隙电流的产生是吸杂机制的基本因素。?常规铝吸杂工艺是在电池的背面蒸镀铝膜后经过烧结形成也可同时形成电他的背场。近几年在吸杂上的工作证明它对高效单晶硅太阳电池及多晶硅太阳电池都会产生一定的作用。?钝化是提高多晶硅质量的有效方法。一种方法是采用氢钝化钝化硅体内的悬挂键等缺陷。在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料氢钝化的效果越好。氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。在多晶硅太阳电池表面采用pECVD法镀上一层氮化硅减反射膜由于硅烷分解时产生氢离子对多晶硅可产生氢钝化的效果。?在高效太阳电池上常采用表面氧钝化的技术来提高太阳电他的效率近年来在光伏级的晶体硅材料上使用也有明显的效果尤其采用热氧化法效果更明显。使用PECVD法在更低的温度下进行表面氧化近年来也被使用具有一定的效果。?多晶硅太阳电他的表面由于存在多种晶向不如()晶向的单晶硅那样能经由腐蚀得到理想的绒面结、构因而对其表面进行各种处理以达减反射的作用也为近期研究目标其中采用多刀砂轮进行表面刻槽对cmXcm面积硅片的工序时间可降到秒具有了一定的实用潜力。?多孔硅作为多晶硅太阳电他的减反射膜具有实用意义其减反射的作用已能与双重减反射膜相比所得多晶硅电他的效率也能达到。%。我国北京有色金属研究总院及中科院感光化学研究所共同研制的在丝网印刷的多晶硅太阳电池上使用多孔硅也已达到接近实用的结果。?由于多晶硅材料制作成本低于单晶硅cZ材料因此多晶硅组件比单晶硅组件具有更大的降低成本的潜力因而提高多晶硅电池效率的研究工作也受到普遍重视。近年来多晶硅高效电他的发展很快其中比较有代表性的工作是GeogiaTech.电池UNSW电池Kysera电池等。?()GeogiaTech.电池?Geogia工业大学光伏中心使用电阻率Ωcm、厚度μm的HEM(热交换法)多晶硅片制作电池n发射区的形成和磷吸杂结合采用快速热过程制备铝背场用lift一off法制备Ti/Pd/Ag前电极并加双层减反射膜。cm电他的效率AM下达到.%。?()UNSw电池?uNsw光伏中心的高效多晶硅电池工艺基本上与PER。电池类似只是前表面织构化不是倒金字塔,而是用光刻和腐蚀工艺制备的蜂窝结构。多晶硅片由意大利的Eurosolare提供lcm电他的效率AMI?下,达到%这是目前水平最高的多晶硅电他的研究结果。该工艺打破了多晶硅电池不适合采用高温过程的传统观念。?()Kysera电池?日本kycera公司在多晶硅高效电池上采用体钝化和表面钝化技术PECVDSiN膜既作为减反射膜又作为体钝化措施表面织构化采用反应性粒子刻边技术。背场则采用丝印铝奖烧结形成。电池前面栅线也采用丝印技术。cmXcm大面积多晶硅电池效率达.%。目前日本正计划实现这种电池的产业化。?()我国多晶硅电他?北京有色金属研究总院在多晶硅电池方面作了大量研究工作目前cmXcm电池效率达到.%。北京市太阳能研究所在“九五”期间开展了多晶硅电池研究cm电池效率达到?%。我国中试生产的cmXcm多晶硅太阳电他的效率为一%最高效率为%。.多晶硅薄膜电池?自年代以来为了大幅度降低太阳电池的成本光伏界一直在研究开发薄膜电池并先后开发出非晶硅薄膜电他硫化镐(CdTe)电他铜钢硒(CS)电池等。特别是非晶硅电池年代初一问世很快实现了商业化生产。年非晶硅电他的市场份额超过%。但非晶硅电池由于效率低、不稳定(光衰减)市场份额逐年降低年市场份额降为%。cdTe电池性能稳定但由于资源有限和Cd毒性大近年来市场份额一直维持在:%左右cS电他的实验室效率不断攀升:最近达到.%但由于中试产品的重复性和一致性没有根本解决产业化进程一再推后至今仍停留在实验室和中试阶段与此同时晶体硅电池效率不断提高技术不断改进加上晶硅稳定无毒材料资源丰富人们开始考虑开发多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池既具有晶硅电他的高效、稳定、无毒和资源丰富的优势又具有薄膜电池工艺简单、节省材料、大幅度降低成本的优点因此多晶硅薄膜电池的研究开发成为近几年的热点。另一方面采用薄片硅技术避开拉制单晶硅或浇铸多晶硅、切片的昂贵工艺和材料浪费的缺点达到降低成本的目的。严格说后者不属于薄膜电他技术只能算作薄片化硅电池技术。?()CVD多晶硅薄膜电池?各种cvD(PECVDRTCVDcat一CVDHot一wireCVD等)技术被用来生长多晶硅薄膜在实验室内有些技术获得了重要的结果。例如日本kaneka公司采用PECVD技术在℃以下和玻璃衬底上制备出具有pin结构的多晶硅薄膜电池电池总厚度约尸m效率达到%德国Fraunhofer太阳能研究所使用SiO和siN包覆陶瓷或sic包履石墨为衬底用快速热化学气相沉积(RTCVD)技术沉积多晶硅薄膜硅膜经过区熔再结晶(ZMR)后制备太阳电池两种衬底的电池效率分别达到.%和%。?北京市太阳能研究所自年开始开展多晶硅薄膜电他的研究工作。该所采用RTCVD技术在重掺杂非活性硅衬底上制备多晶硅薄膜和电池cm电池效率在AM.条件下达到%目前正在向非硅质衬底转移。?()多层多晶硅薄膜电池?uNSW年提出一种多层多晶硅薄膜电他的概念和技术年与PacificPower公司合作成立kcifiCsOar公司开发这种电池。最近报道该公司已经生产出cmXcm的中试电池组件。薄膜采用CVD工艺沉积衬底为玻璃通过激光刻槽和化学镀实现接触、互联和集成。据称电池组件的主要成本是封装玻璃商业化后的发电成本可与煤电相比。太阳电池用晶硅材料.现用太阳电池硅材料?目前全世界光伏工业晶体硅太阳电池所用的晶锭的投炉料都采用半导体工业的次品硅及其单晶硅的头尾料其总量约占半导体工业生产硅料的/约为~吨/年。这种硅料的纯度大部分仍在N到N价格依其品位约在一美元/kg。目前半导体工业用的投炉多晶硅料是采用三氯氢硅精馏法(西门子法)生产的采用改进的西门子法并扩大规模进行生产是未来降低成本的有效措施之一。?由于经费制约我国太阳级硅的研究工作限于较简易的化学与物理提纯。化学提纯是将纯度较高的冶金级硅(%)加工成细颗粒后使用盐酸、王水、氢氟酸等进行酸洗革取可将含铁量降到ppm量级然后再进行二次定向凝固(早期使用二次直拉)将含铁量降到.ppm量级但其纯度及成本均未能达到要求。我国具有纯度高的石英砂资源并生产大量冶金级硅供应出口采用冶金硅精炼的方法生产太阳级硅将来具有潜力。..单晶硅材料?单晶硅材料制造要经过如下过程:石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。?硅主要以siO形式存在于石英和砂子中。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。该过程能量消耗很高约为kwh/kg因此硅的生产通常在水电过剩的地方(挪威加拿大等地)进行。这样被还原出来的硅的纯度约%一%称为冶金级硅(MG一Si)。大部分冶金级硅用于制铁和制铝工业。目前全世界冶金级硅的产量约为万吨/年。半导体工业用硅占硅总量的很小一部分而且必须进行高度提纯。电子级硅的杂质含量约%以下。典型的半导体级硅的制备过程:粉碎的冶金级硅在硫化床反应器中与HCI气体混合并反应生成三氯氢硅和氢气Si+HCI→SiHC+H。由于SiHC在℃以下是液体因此很容易与氢气分离。接着通过精馏使SiHC与其它氯化物分离经过精馏的SiHCl其杂质水平可低于%的电子级硅要求。提纯后的SiHC通过CVD原理制备出多晶硅锭。?基于同样原理可开发出另一种提纯方法即在硫化床反应器中用Si烷在很小的Si球表面上原位沉积出Si。此法沉积出的Si粉未颗粒只有十分之几毫米可用作CZ直拉单晶的投炉料或直接制造Si带。?拉制单晶有CZ法(柑祸拉制)和区熔法两种。CZ法因使用石英柑蜗而不可避免地引入一定量的氧对大多数半导体器件来说影响不大但对高效太阳电池氧沉淀物是复合中心从而降低材料少子寿命。区熔法可以获得高纯无缺陷单晶。常规采用内圆切割(ID)法将硅锭切成硅片该过程有%的硅材料损耗成本昂贵。现在已经开发出多线切割法可以切出很薄(~Pm)的硅片切割损失小(~%)硅片表面切割损伤轻有利于提高电池效率切割成本低。..多晶硅材料?由于硅材料占太阳电池成本中的绝大部分降低硅材料的成本是光伏应用的关键。浇铸多晶硅技术是降低成本的重要途径之一该技术省去了昂贵的单晶拉制过程也能用较低纯度的硅作投炉料材料及电能消耗方面都较省。?()铸锭工艺?铸锭工艺主要有定向凝固法和浇铸法两种。定向凝固法是将硅料放在柑塌中加以熔融然后将柑塌从热场中逐渐下降或从增蜗底部通上冷源以造成一定的温度梯度使固液界面从柑蜗底部向上移动而形成晶锭。定向凝固法中有一种称为热交换法(HEM)在柑祸底部通入气体冷源来形成温度梯度。浇铸法是将熔化后的硅液从增祸中倒入另一模具中凝固以形成晶锭铸出硅锭呈方形切成的硅片一般尺寸为cmXlcm平均晶粒尺寸从毫米到厘米。?铸锭法中需要解决的主要问题是:()盛硅容器的材质。国为硅熔体冷凝时会牢固地粘附在柑祸的内壁若两者的膨胀系数不同硅固化时体积增加%会使硅锭产生裂纹或破碎。此外熔化硅几乎能与所有材料起化学反应因而柑祸对硅料的污染必须控制在太阳级硅所允许的限度以内。()晶体结构。用调整热场等方法控制晶体结构以生长出大小适当(数毫米)的具有单向性的晶粒并尽量减少晶体中的缺陷这样才有可能制成效率较高的电池。近年来铸锭工艺主要朝大锭的方向发展。技术先进的公司生产的铸锭多在cmXcm(锭重kJ左右目前cmXcm(锭重kJ的方形硅锭也已被铸出铸锭时间在一h范围切片前硅材料的实收率可达到.%。大型铸锭炉多采用中频加热以适应大形硅锭及工业化规模。与此同时硅锭质量也得到明显的改进经过工艺优化和柑蜗材质改进使缺陷及杂质、氧、碳含量减少。在晶体生长中固液界面的形状会影响晶粒结构的均匀性与材料的电性能一般而言水平形状的固液界面较好。由于硅锭整体质量的提高使硅锭的可利用率得到明显提高。?由于铸锭中采用低成本的柑祸及脱模涂料对硅锭的材质仍会造成影响。近年来电磁法(EMC)被用来进行铸锭试验方法是投炉硅料从上部连续加到熔融硅处而熔融硅与无底的冷柑涡通过电磁力保持接触同时固化的硅被连续地向下拉。冷增涡用水冷的铜涡来形成。目前该工艺已铸出截面为mmXmm的长硅锭铸锭的材质纯度比常规硅锭高。生产性的铸锭炉已铸造出kg的硅锭锭的截面为mmXmm.m长固化率为mm/min。固化及冷却时所产生的热应力是影响硅锭质量的主要参数应不断优化和改进。该法能否正式进入工业化生产仍在实验评估中。?我国在年代初就开始了多晶硅材料和太阳电池研究进行铸锭材料研究的有北京有色金属研究总院、上海有色金属研究所、复旦大学其中上海有色所采用的是浇铸法北京有色院及复旦大学采用的是定向凝固法并铸出了kg重、mmXmmXmm的硅锭。国家“九五”计划安排了kg级硅锭的引进消化任务。?()多晶硅结构及材料性能?采用计算机图象仪可对硅片缺陷及少子寿命等参数进行面扫描这对观察多晶硅材料性能、结构及进行系统分析具有很大帮助。针对特有的铸锭工艺来分析氧、碳含量及其对电性能的影响是提高硅片质量的重要手段。在扫描电镜上加EBC(电子束感应电流法)功能部件对样品进行扫描对了解晶体硅电池因缺陷、晶界、杂质的局部影响十分有效。?()硅片加工技术?常规的硅片切割采用内圆切片机其刀损为.一.mm使晶体硅切割损失较大且大硅片不易切得很薄。近几年多线切割机的使用对晶体硅片的成本下降具有明显作用。多线切割机采用钢丝带动碳化硅磨料来进行切割硅片切损只有.mm硅片可切薄到.mm且切割的损伤小可减少腐蚀的深度。一般可减少V硅材料的损失。目前先进的大公司基本上都采用该设备。一台设备可切割一MW/年的硅片。近期研究出可将%的碳化硅磨料及油液经过离心机分离后重复使用工艺可进一步降低材料消耗。.带状多晶硅制造技术?为了减少切片损失在过去几十年里开发过很多种制造片状硅或带硅的技术。在年代国际上曾出现过很多种生长硅带的方法但大部分都处于实验室阶段其原因是:()在高温过程中通过设备引入了过多杂质达不到要求的纯度()在再结晶过程中要求的高冷却速率会使晶体中产生过多的缺陷。在生长速度与硅带质量之间寻找平衡其降低成本的技术难度比晶锭硅高。下边介绍几种比较成熟的带硅技术。()限边喂膜(Edgedeifinedfilmgrowth)带硅技术?该技术的工艺过程如下:采用适当的石墨模具从熔硅中直接拉出正八角硅筒正八角的边长比cm略长总管径约cm管壁厚度(硅片厚)与石墨模具毛细形状、拉制温度和速度有关约一tLm管长约m。采用激光切割法将硅管切成cmXlcm方形硅片。电池工艺中采用针头注入法制备电池栅线其它工艺与常规电池工艺相同。电他效率%一%。该技术目前属于ASE公司所有商品化生产规模是MW/年正计划扩产。()枝蔓践状带硅技术?在生长硅带时两条枝蔓晶直接从柑蜗熔硅中长出由于表面张力的作用两条枝晶的中间会同时长出一层如践状的薄片所以称为践状晶。切去两边的枝晶用中间的片状晶制作太阳电池。践状晶在各种硅带中质量最好但其生长速度相对较慢。?我国在年代初就拉制出无位错的躇状晶。在年代中期北京有色金属研究院在国家自然科学基金支持下开展了用碳网作支持物从横向拉制硅带的工作并研制出了设备(研究工作在年代未中止)。我国西北工业大学进行了滴硅旋转法即用电磁法熔化硅、然后将硅液滴到旋转模具上以形成硅片的探索性研究并达到了一定的水平。()Deaware大学多晶片状硅制造技术?该技术基于液相外延工艺衬底为廉价陶瓷。陶瓷衬底可以重复使用。在电池制作中采用了Al和POC吸杂和低温PECVDSiN钝化技术后者提供了体钝化和发射区钝化。lcm电池效率达到?%。Deaware大学和Austropower公司合作通过了中试产业化技术。()小硅球太阳电池?硅球的平均直径为Lmm约有万个小球镶在cm的铝箔上以形成太阳电池每个小球具有pn结这么多的小球在铝箔上形成并联的结构cm面积的电池效率可达到%。原则上可使用冶金级的小硅球一方面小硅球本身也容易进行提纯。该方法在技术上具有一定的特色但要降低成本在技术上仍有许多困难。该方法在年代初发展起来但近几年其研究与发展陷于停顿状态。我国复旦大学也曾对这种太阳电池工艺进行了探索性实验掌握了基本技术的要点。.太阳级硅美国、德国、日本的许多家公司在年代未停止了太阳级硅的研究主要是因为技术进展缓慢同时有大量低成本半导体工业次品硅可供利用。另一方面太阳级硅生产的经济规模约为吨/年成本可降到美元/kg而目前光伏工业每年的需求量只有一吨。当光伏工业的用量达到一定的水平而半导体工业为其提供不了低价的次品硅料时太阳级硅才能进行正式生产。?一种目前制造太阳级硅的主要方法是使用精炼的冶金级硅采用电子束加热真空抽除法去除磷杂质然后凝固再采用等离子体氧化法去除硼及碳再凝固。采用水蒸气混合的冠等离子体可将硼含量降到?lppm的水平经过再凝固硅中的金属杂质含量可降到ppb的水平。用此太阳级硅制成的常规工艺电他的最高效率可达到%高效工艺制的电他的最高效率可达到%。此太阳级硅已进入每年生产吨的中试阶段。?由于经费制约我国太阳级硅的研究工作限于较简易的化学与物理提纯。化学提纯是将纯度较高的冶金级硅(%)加工成细颗粒后使用盐酸、王水、氢氟酸等进行酸洗革取此步可将含铁量降到ppm量级然后再进行二次定向舒固(早期使用二次直拉)可将含铁量降到.ppm量级但其纯度及成本均未能达到要求。我国具有纯度高的石英砂资源并有大量冶金级硅出口采用冶金硅精炼的方法生产太阳级硅具有很大潜力。晶硅电池的商业化生产和市场发展.商业化电池技术?()常规商业化电池:商业化晶硅电池主要结构是p呗结。绒面、背场和减反射涂层被普遍采用细栅金属化技术在不断改进单晶硅商业化电池效率在一%之间。多晶硅电池工艺与单晶硅基本相同但没有绒面技术。商业化多晶硅电池效率在一%之间。?()刻槽埋栅电他:BP公司利用UNsW技术生产的刻槽埋栅电池已经实现商业化规模为MW/年电池效率一%之间成本与常规电池基本相同。?()AsE多晶硅片电池效率在一%之间。.晶硅电池的产业和市场发展国际光伏工业在过去年的平均年增长率为%。年代后期世界市场出现了供不应求的局面发展更加迅速。年世界太阳电他光伏组件生产达MW比年增长了%是年前的倍是年前倍比集成电路工业发展更快超出光伏专家最乐观的估计。年光伏组件生产达到.MW比年增长%。光伏发电累计总装机容量达到MW。?在产业化方面各国一直在通过改进工艺、扩大规模和开拓市场等措施降低成本并取得了巨大进展。以美国为代表政府(能源部)在年起动了PVMaT(光伏制造技术)的产业化计划通过国家可再生能源实验室(NREI/实施并成立了国家PV中心联合产业界、大学和研究机构共同进行攻关以求大幅度降低成本。这一计划的实施已经产生了非常明显的效果使商品化电池效率提高到.一%。生产规模从过去的一MW/年发展到一MW/年并正在向MW扩大如英国BPSoar公司计划年达到MW/年的生产能力。生产工艺不断简化自动化程度不断提高。三年来世界的光伏组件的生产成本降低了%以上第一次降到美元/wp以下国际市场光伏组件售价在美元/Wp左右。这种趋势还在继续发展预测年生产成本可降到.美元/Wp在年的水平上降低%。美国PV系统电价成本目标:年光伏系统安装成本美元/Wp(美分/kwh)年.美元/wp(美分/kwh以下)。?欧洲和日本也有类似的计划。竞争促使各发达国家的产业化技术几乎以大致相同的水平和速度向前发展?在太阳能光伏发电领域印度是发展中国家的排头兵。截止年月/p度总的pv系统容量达到MW。目前印度有个太阳电池制造厂个组件生产厂年生产MW组件印度计划安装MW。年生产将达到Mw/年。?年月在Vienna召开了第二届国际太阳能光伏会议在这个迄今规模最大的世界光伏会议上一向观点保守和沉默寡言的欧盟科技局局长WolfgangPaz博士在会上谈到他对目前PV技术商业化发展态势的观点:光伏技术的发展已经很明显地结束了它的前期开拓阶段并开始了它的蓬勃发展阶段。年月正当世界金融危机最疯狂的时候世界PV市场比年同期增长了%。世界各大公司纷纷实施和制定扩产计划年初PVIR统计正在实施和扩产的新增能力为“。MW/年比年高出倍。可以说太阳能光伏发电技术和产业正在腾飞预测今后年光伏组件的生产将以%左右甚至更高的递增速度发展年将达到MW/年年达到.GW/年(保有量GW)。快速发展的屋顶计划、各种减免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格为PV市场的发展提供了坚实的发展基础。市场发展将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。预测到下世纪中叶太阳能光伏发电将达到世界总发电量一%成为人类的基础能源之一。第二届世界太阳能光伏会议主席JurgenSchmidt在大会上说到:“作为全球一种能源光伏发电在下世纪前半期将超过核电是年还是年的最后几年超过只是个时间问题。”?我国太阳能光伏发电技术产业化及市场发展经过近年的努力已经奠定良好的基础。目前有个单晶硅电池及组件生产厂和个非晶硅电池生产厂。但在总体水平上我国同国外相比还有很大差距主要表现在以下几个方面:?()生产规模小。目前个单晶硅电池生产厂基本上保持在一年引进时的规模和水平。各厂家在引进时标称生产能力为IMW/年但在不同的工艺环节上都存在着“瓶颈”实际生产能力都在.MW/年左右所以我国太阳电池总的实际生产能力约MW/年年我国太阳电他的产量为MW约占世界产量的.%。生产的规模化程度比国外一MW生产规模低一个数量级。目前各厂都在努力扩大生产能力可望在一年内将各厂的实际生产能力扩大到IMW/年总能力达到MW/年。多晶硅电池有利于进一步降低成本目前我国还是空白。国家已将多晶硅电他的产业化作为“九五”计划的重点进行了安排可望在年形成规模化生产。?()技术水平较低。我国太阳电他的效率较低平均在一%组件封装水平低工程现场证明部分产品大约一年就出现发黄、起泡、焊线脱落、效率下降等问题近几年产品质量有提高但同国外仍有一定差距。?()专用原材料国产化程度不高。专用材料如银浆、封装玻璃、EVA等尚未完全实现国产化。国家曾将提高商业化电池效率和材料国产化列入“八五”计划并取得一定成果但性能有待进一步改进各厂家部分材料仍然采用进口品。?()成本高。目前我国电池组件成本约元/wp(.美元/Wp)平均售价元/Wp(.美元/Wp)成本和售价都高于国外产品。?我国地域广大、人口众多万人生活在无电地区光伏发电的潜在市场非常巨大。但由于光伏发电成本高目前尚不能与常规发电相比。尽管如此我国的光伏市场仍在逐年地发展和扩大年的安装容量约.MW。到年底光伏发电系统总保有量约MW。?在光伏市场发展方面国外各大公司和世界银行对于开拓中国的光伏市场都表现出极大的兴趣和热心并开始付诸行动。这对我国光伏事业的发展无疑起着极大的推动和催化作用。例如世界银行通过GEF(全球环境基金)项目向中国软贷款用于风能和光伏发电的市场开拓其中包括MW的户用光伏发电系统。该项目在国家经贸委组织下正在执行中。荷兰政府向我国新疆自治区赠送近万套户用光伏电源系统价值万美元。日本、美国、欧洲的一些公司也都有过类似的赠送和示范项目。面对这样一个将被开发的巨大市场我国的光伏发电产业必须加快发展步伐。.二十一世纪晶硅电他的发展趋势和展望?年代以来在可持续发展战略的推动下可再生能源技术进入了快速发展的阶段。据专家预测下世纪中叶太阳能和其它可再生能源能够提供世界能耗的%。.光伏建筑将成为光伏应用的最大市场?太阳能光伏系统和建筑的完美结合体现了可持续发展的理想范例国际社会十分重视。国际能源组织(IEA)+和相继两次起动建筑光伏集成计划获得很大成功建筑光伏集成有许多优点:①具有高技术、无污和自供电的特点能够强化建筑物的美感和建筑质量②光伏部件是建筑物总构成的一部分除了发电功能外还是建筑物耐候的外部蒙皮具有多功能和可持续发展的特征③分布型的太阳辐射和分布型的建筑物互相匹配④建筑物的外壳能为光伏系统提供足够的面积⑤不需要额外的昂贵占地面积省去了光伏系统的支撑结构省去了输电费用③PV阵列可以代替常规建筑材料从而节省安装和材料费用例如昂贵的外墙包覆装修成本有可能等于光伏组件的成本如果安装光伏系统被集成到建筑施工过程安装成本又可大大降低①在用电地点发电避免传输和分电损失(一%)降低了电力传输和电力分配的投资和维修成本建筑光伏集成系统既适用于居民住宅也适用商业、工业和公共建筑高速公路音障等既可集成到屋顶也可集成到外墙上既可集成到新设计的建筑上也可集成到现有的建筑上。光伏建筑集成近年来发展很炔许多国家相继制定了本国的光伏屋顶计划。建筑自身能耗占世界总能耗的/是未来太阳能光伏发电的最大市场。光伏系统和建筑结合将根本改变太阳能光伏发电在世界能源中的从属地位前景光明。.PV产业向百兆瓦级规模和更高技术水平发展?目前PV组件的生产规模在一Mw/年下世纪将向百兆瓦级甚至更大规模发展。同时自动化程度、技术水平也将大大提高电池效率将由现在的水平(单晶硅%一%多晶硅%一%)向更高水平(单晶硅%一%多晶硅%一%)发展同时薄膜电池在不断研究开发这些都为大幅度降低光伏发电成本提供了技术基础。.下世纪前半期光伏发电将超过核电?专家预计下世纪前半期的一年代光伏发电将超过核电。年世界发电总装机容量约GW其中核电约GW约占%世界核电目前是收缩或维持而我国届时核能将发展到约GW这就意味着世界光伏发电届时将达到GW左右。年世界光伏发电累计总装机容量MW以年计算这要求光伏发电年增长率达.%这是一个很实际的发展速度前提是光伏系统安装成本至少能和核能相比。.PV发电成本下降趋势?美国能源部年关于PV联网系统市场价格下降趋势预测表明每年它将以%速率降低。年pv系统的平均安装成本约美元/Wp预计年安装成本将降到美元/WpPV发电成本)美元/kWh年PV发电成本降到美分/kWh系统安装成本约.美元/Wp。降低成本可通过扩大规模、提高自动化程度和技术水平、提高电池效率等途径实现。可行性研究指出MW/年的规模采用现有已经实现商业化生产的晶硅技术可使PV组件成本降低到:欧元左右(其中多晶硅电池组件成本.欧元/Wp)如果加上技术改进和提高电池效率等措施组件平均成本可降低到美元/Wp。在这个组件成本水平上加上系统其它部件成本降低发电成本美分/kWh是能实现的。考虑到薄膜电池未来降低成本的潜力更大因此在下世纪前一年把PV系统安装成本降低到与核电可比或更低是完全可能的。?

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