太阳能光伏技术实践教程

第1章 光伏技术概述 1.1 光伏发电技术 光伏技术是指可将太阳的光能直接转换为电能的技术，也称光伏发电技术。其核心部件是太阳能光伏组件，俗称太阳能电池板，它是由多个*小功能单元——太阳能电池根据实际需要串/并联而成的。理论上讲，只要有太阳，太阳能光伏组件可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到儿童玩具。晶硅光伏技术产业链指从硅矿石到太阳能发电系统的完整链条，如图1-1所示。 图1-1 晶硅光伏技术产业链 1.2 光伏材料制备工艺 光伏材料制备工艺属于光伏产业链的上游技术，指从硅矿中获得硅原料，再通过冶炼得到工业硅、提纯得到太阳能级的硅，然后生长成单晶硅棒或者铸造成多晶硅棒，再切割成硅片的过程，如图1-1所示。 1.2.1 硅材料提纯 硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6%的硅，其主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，根据其杂质含量分为粗硅和高纯硅，粗硅是高纯硅的原料。通常使用碳质还原剂对硅石进行工业冶炼，得到纯度为95%～99%的粗硅，也称工业硅、金属硅、结晶硅、冶金(级)硅。碳还原氧化硅的反应通常以式(1-1)表示： (1-1) 式(1-1)是硅冶炼主反应的表达式。 高纯硅一般要求纯度达到6个“9”至8个“9”的范围，一般用作半导体和太阳能电池。硅含量为99.9999%(6个“9”)的为太阳能级硅(SG)，主要用于太阳能电池片的生产制造。纯度为99.999999999%(11个“9”)的为电子级硅(EG)，主要用于半导体芯片的生产制造。光伏发电用太阳能级硅，可以利用化学法提纯、物理法提纯，为了将工业硅提纯到半导体器件用电子级硅所需的纯度，必须经过化学法提纯。 化学法提纯的原理是指通过化学反应，将硅转化为中间化合物，再利用精馏提纯等技术，提纯中间化合物，使之达到高纯度，然后将中间化合物还原成硅，此时的高纯硅是多晶状态，可以达到太阳能电池和电子器件的要求。典型工艺技术包括改良西门子法、硅烷热分解法、流化床法，它们既可用于太阳能级多晶硅的生产，也可用于电子级多晶硅的生产。其中，改良西门子法是主流技术，世界上约有80%的多晶硅是由此工艺方法得到的，由于其技术成熟，今后很长一段时间内仍将是主流技术。 物理法提纯主要采用冶金法，冶金法提纯太阳能级硅具有原料来源广泛、提纯过程安全、设备投资小的特点，在环保和节能上比传统的西门子法更胜一筹，是各国研发机构一直努力的目标。 1.2.2 单晶硅生长技术 单晶硅是指硅原子按照一定的方式排列形成的物质。单晶硅是太阳能电池和微电子工业的重要原料。目前单晶硅的生长均是以多晶硅为基础，通过一定的生长方式将多晶硅转化为单晶硅，按照生长方式的不同可分为区熔法(Float Zone，FZ)和直拉法(Czochralski，CZ)。目前这两种方法都已被大规模的应用到工业生产中，其中区熔法生长的单晶硅多用于大功率器件方面，直拉法生长的单晶硅主要用于电子集成电路和太阳能电池方面。 1.2.3 多晶硅铸造技术 单晶硅电池成本高，制约了光伏工业的发展。铸造多晶硅利用铸造技术，与单晶硅相比，没有高成本的晶体拉制过程，效率低一些，但差距较小，而成本低很多，所以相对来说性价比更高。铸造多晶硅按照制备时采用的坩埚数量可将其分为浇铸法和直接熔融定向凝固法(包括所有采用单坩埚的方法)，也有的将其细化分为布里奇曼法、热交换法、电磁铸锭法、浇铸法。 铸造多晶硅的原材料广泛，可以使用半导体级高纯多晶硅，当然也有化学法(如改良西门子法)和物理法制备的太阳能级高纯多晶硅，也可以使用微电子工业用单晶硅生产中的剩余料(包括质量相对较差的高纯多晶硅、单晶硅棒的头尾料，以及直拉单晶硅生长完成后剩余在石英坩埚中的埚底料)等。与直拉、区熔单晶硅生长方法相比，铸造方法对硅原料的不纯有更大的容忍性，所以铸造多晶硅方法可以更多地使用微电子工业剩余料等较低成本的原料，这也是铸造多晶硅成本相对较低的原因。甚至多晶硅片制备过程中剩余的硅料(如硅片切割中的碎料等)还可以重复利用。有研究表明，只要原料中剩余料的比例不超过40%，就可以生长出合格的铸造多晶硅。 1.2.4 硅片加工技术① 太阳能电池产品需要高纯的原料，纯度至少是99.99998%，即我们所说的6个“9”(6N)。从二氧化硅到适用于制作太阳能电池用的硅片，一般需要经过：二氧化硅→冶金级硅→高纯三氯氢硅→高纯多晶硅原料→单晶硅棒或多晶硅锭→硅片。而单晶硅棒或多晶硅锭制成硅片是一个重要的过程，它对太阳能电池性能和效率有重要的影响。 太阳能电池用单晶硅片一般有两种形状：一种是圆形，另一种是方形。圆形硅片是割断滚圆后，利用金刚石砂轮磨削晶体硅的表面，使得整根单晶硅的直径统一，并且能达到所需直径，如直径3in(76.2mm)或4in(101.6mm)的单晶硅，直接切片，切片是圆形；而方形硅片则需要在切断晶体硅后，进行切片方块处理，沿着晶体棒的纵向方向，也就是晶体的生长方向，利用外圆切割机将晶体硅锭切成一定尺寸的方形硅片，其截面为正方形，通常尺寸为100mm×100mm、125mm×125mm或150mm×150mm。在太阳能效率和成本方面，其主要区别是圆形硅片的材料成本相对于方形硅片较低，组成组件时，圆形硅片的空间利用率比方形硅片低，要达到同样的太阳能电池输出功率，方形硅片的太阳能电池组件板的面积小，既利于空间的有效利用，又降低了太阳能电池的总成本。因此，对于大直径单晶硅或需要高输出功率的太阳能电池，其硅片的形状一般为方形。 传统的圆形硅片加工的主要工艺流程一般为：单晶炉取出单晶→检查→切割分段→测试→清洗→外圆研磨→检测分档→切片→倒角→清洗→磨片→清洗→检验→测厚分类→化学腐蚀→测厚检验→抛光→清洗→抛光→清洗→电性能测量→检验→包装→储存。 多晶硅铸造完成后，一般是一个方形的铸锭，不需要进行割断、滚圆等工序，只是在晶锭制备完成后，切成截面尺寸为100mm×100mm、150mm×150mm、210mm×210mm的方柱体，利用线切割机切成硅片。切割硅片后，与单晶硅的加工相似，还需要进行倒角、磨片、化学腐蚀、抛光等工艺。 1.3 晶硅太阳能电池制备工艺 太阳能电池片的生产工艺流程分为硅片检测→表面制绒及酸洗→扩散制结→去磷硅玻璃→等离子刻蚀及酸洗→镀减反射膜→丝网印刷→快速烧结等。具体介绍如下。 硅片检测：硅片是晶硅太阳能电池的载体，硅片质量直接决定了太阳能电池片转换效率，因此需要对来料硅片进行检测。在进行少子寿命和电阻率检测之前，需要先对硅片的对角线、微裂纹进行检测，并自动剔除破损硅片。硅片检测设备能够自动装片和卸片，并且能够将不合格品放到固定位置，从而提高检测精度和效率。 表面制绒及酸洗：单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体，即金字塔结构。制绒面前，硅片须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去20～25?m，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防玷污，应尽快扩散制结。 扩散制结：太阳能电池需要一个大面积的P-N结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即制造太阳能电池P-N结的专用设备。扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。制造P-N结是太阳能电池生产*基本也是*关键的工序。正是P-N结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，而形成电流，用导线将电流引出，就是直流电。 去磷硅玻璃：该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中，通过化学腐蚀法，即把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络合物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃。氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸与二氧化硅反应生成易挥发的四氟化硅气体。若氢氟酸过量，反应生成的四氟化硅会进一步与氢氟酸反应生成可溶性的络合物六氟硅酸。 等离子刻蚀及酸洗：由于在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，硅片的所有表面包括边缘都将不可避免地扩散上磷。P-N结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散，有磷的区域流到P-N结的背面，而造成短路。因此，必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀，以去除电池边缘的P-N结，通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。等离子刻蚀是在低压状态下，反应气体CF4的母体分子在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体。等离子体是由带电的电子和离子组成的，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性反应基团。活性反应基团由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，在该表面与被刻蚀材料表面发生化学反应，并形成挥发性的反应生成物脱离被刻蚀物质表面，被真空系统抽出腔体。 镀减反射膜：抛光硅表面的反射率为35%，为了减少表面反射，提高电池的转换效率，需要沉积一层氮化硅减反射膜。工业生产中常采用PECVD设备制备减反射膜。PECVD即等离子增强型化学气相沉积，它的技术原理是利用低温等离子体做能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体SiH4和NH3，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜即氮化硅薄膜。一般情况下，使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法沉积的薄膜厚度在70nm左右。这样厚度的薄膜具有光学的功能性。利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大为减少，电池的短路电流和输出电流就有很大增加，效率也有相当大的提高。 丝网印刷：太阳能电池经过制绒、扩散及PECVD等工序后，已经制成P-N结，可以在光照下产生电流，为了将产生的电流导出，需要在电池表面上制作正、负两个电极。制造电极的方法很多，而丝网印刷是目前制作太阳能电池电极*普遍的生产工艺之一。丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上，该设备由电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部分组成。其工作原理为：利用丝网图形部分网孔透过浆料，用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网另一端移动。油墨在移动中被刮刀从图形部分的网孔中挤压到基片上。由于浆料的黏性作用使印迹固着在一定范围内，印刷中刮刀始终与丝网印版和基片呈线性接触，接触线随刮刀移动而移动，从而完成印刷行程。 快速烧结：经过丝网印刷后的硅片，不能直接使用，需经烧结炉快速烧结，将有机树脂黏合剂燃烧掉，剩下几乎纯粹的、由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极。烧结炉工作过程分为预烧结、烧结、降温冷却三个阶段。预烧结阶段的目的是使浆料中的高分子物质分解、燃烧掉，此阶段温度慢慢上升；烧结阶段，烧结体内完成各种物理、化学反应，形成电阻膜结构，使其真正具有电阻特性，该阶段温度达到峰值；降温冷却阶段，玻璃冷却硬化并凝固，使电阻膜结构固定地黏附于基片上。 1.4 光伏组件制备工艺 单体太阳能电池不能直接作为电源使用。作为电源必须将若干单体电池串、并联并严密封装成组件。光伏组件(也叫太阳能电池板)是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中*重要的部分。 太阳能电池是将太阳光直接转换为电能的*基本元件，一个单体太阳能电池的单片为一个P-N结，工作电压约为0.5V，工作电流密度为20～25mA/cm2。因而需根据使用要求将若干单体电池进行适当的连接并经过封装后，组成一个可以单独对外供电的*小单元，即组件(太阳能电池板)。其功率一般为几瓦至几十瓦，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的功能，广泛应用于各个领域和系统。 光伏组件是将性能一致或相近的光伏电池片，或由激光机切割开的小尺寸的太阳能电池，按一定的排列串、并联后封装而成。由于单片太阳能电池片的电流和电压都很小，把它们先串联获得高电压，再并联获得高电流后，通过一个二极管(防止电流回输)后输出。电池串联的片数越